Компаратор с гистерезисной характеристикой

Рассмотрим временную диаграмму работы компаратора (рис. 98) при сравнении сигналов одной полярности и оценим ее помехоустойчивость.

Рис. 102. Компаратор с гистерезисом

В исходном состоянии и состояние выхода определяется опорным напряжением. Оно здесь подается на неинвертирующий вход, поэтому на выходе будет напряжение логической единицы U¹.

В момент и компаратор переключается.

Следующее переключение компаратора произойдет в момент , когда .

И следующее переключение в момент , когда .

Дальше, если бы входной сигнал менялся бы по пунктирной линии, переключений в схеме больше бы не происходило.

Однако, после момента времени t₃ на входной сигнал наводится помеха и под воздействием этой помехи входной сигнал несколько раз пересекает линию U_оп, поэтому произойдет соответствующее число переключений.

Оценим, какова помехоустойчивость, и с какой точностью про

исходит сравнение. Для этого предположим, что компаратор имеет, например выход элемента ТТЛ. В элементах ТТЛ диапазон изменения выходного напряжения данного компаратора можно определить:

.

Это напряжение связано с дифференциальным сигналом следующим выражением: , тогда получим: , то есть сравнение сигнала происходит с очень большой точностью. Эта высокая точность, с одной стороны, является большим преимуществом интегральных компараторов напряжения, а с другой стороны большим недостатком, так как наличие во входном сигнале и опорном напряжении помех на уровне рассчитанных величин и менее (для других компараторов с более высоким коэффициентом усиления) будет приводить к ложным срабатываниям. Поэтому в этом случае для повышения помехоустойчивости, то есть для исключения ложных срабатываний, в работу компаратора вводят гистерезис.

Гистерезис достигается путем включения большого опорного напряжения, когда входной сигнал (аналоговый) меняется от меньшего значения к большему, по сравнению с опорным напряжением, когда входной сигнал меняется от большего значения к меньшему. Физически это реализуется в схеме путем введения положительной обратной связи по опорному сигналу, при этом большее значение опорного напряжения называется напряжением верхней точки срабатывания компаратора, в меньшее значение – напряжением нижней точки срабатывания.

Рассмотрим схему с гистерезисом (рис. 102).

Пусть в исходном состоянии U_х = 0 и состояние выхода определяется опорным напряжением. Оно здесь подается на неинвертирующий вход, поэтому на выходе будет напряжение логической единицы U¹.

За счет этого высокого уровня выходного сигнала потенциал точки Б принимается значение напряжения верхней точки срабатывания:

.

(269)

Поэтому переключением за счет действия безынерционной положительной обратной связи поменяет свое значение потенциал точки Б и станет равным напряжению нижней точки срабатывания:

.

(270)

Поэтому следующее переключение произойдет в момент , когда ( – напряжение нижней точки срабатывания). Одновременно с этим переключение за счет действия положительной обратной связи потенциал точки Б примет значение напряжения верхней точки срабатывания. Поэтому следующее переключение схемы произойдет в момент времени , с одновременным изменением потенциала точки Б на напряжение нижней точки срабатывания. И, как видно, переключений больше не будет.

Таким образом, мы ввели некоторую зону нечувствительности к входному сигналу, тем самым, потеряв точность сравнения входного и опорного сигнала, но зато в целом повысили помехоустойчивость системы. Поэтому параметры зоны нечувствительности (ширину получаемой петли гистерезиса) необходимо рассчитывать с учетом конкретных уровней помех, чтобы существенно не влиять на точность сравнения.

Петлю гистерезиса можно определять по АПХ компаратора, то есть по зависимости U_вых = f(U_вх), где U_вх = U_х.

теперь первое переключение схемы произойдет в момент

, когда
( – напряжение верхней точки срабатывания), одновременно с этим

Рис. 103. Характеристика преобразования компаратора с гистерезисом

За счет того, что U_оп положительно и U¹ – высокий уровень, то U_Б равен напряжению верхней точки срабатывания. Поэтому пока входной сигнал не станет больше, чем напряжение верхней точки срабатывания, переключение компаратора не будет. После этого переключения U_Б станет равен напряжению нижней точки срабатывания, поэтому при дальнейшем увеличении входного сигнала переключений больше не будет.

Если теперь начать уменьшать входной сигнал, то переключение произойдет, когда он достигнет значения напряжения нижней точки срабатывания. Одновременно с этим потенциал точки Б примет значение верхней точки срабатывания, поэтому при дальнейшем уменьшении U_х переключение больше происходить не будет.

Контрольные вопросы

1. Компаратор для сравнения сигналов одной полярности.

2. Компаратор с гистерезисом.