Компараторы и триггеры Шмитта

Многие устройства импульсной и цифровой техники успешно выполняются на операционных усилителях. Здесь и в § 3.8 рассмотрены некоторые распространенные импульсные устройства на основе операционных усилителей.

Компаратором называют устройство, предназначенное для сравнения двух напряжений.

Компаратор изменяет уровень выходного напряжения, когда уровни непрерывно изменяющихся входных сигналов становятся равными. На рис. 8.46, а изображена схема простейшего компара­тора на операционном усилителе для сравнения напряжений од­ного знака. Выходное напряжение

На рис. 3.46, б приведена передаточная характеристика ком­паратора, а на

рис. 3.46, в — его условное обозначение. Благодаря высокому коэффициенту

усиления К компаратор переключа­ется при очень малой разности входных

напряжений — .

0

 

а) б) в)

 

Рис. 3.46. Схема простейшего компаратора для сравнения напряжений одного знака (а), его передаточная характеристика (б) и условное обозначение (в)

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.47. Схема компаратора для сравнения напряжений разных знаков

Если требуется сравнить по значению достаточно большие входные напряжения разных знаков, применяют схему рис. 3.47. Компаратор срабатывает при равенстве нулю потенциала точки а. При этом . Благодаря включению диодов потенциал точки а не превышает ±0,6 В (прямое напряжение на открытом диоде) при достаточно больших и , чем защищаются входные цепи операционного усилителя от перегрузки.

Компараторы выпускаются в виде микросхем, например К597СА1, или 521СА4.

Компаратор, уровни включения и выключения которого не совпадают, называют триггером Шмитта (пороговым элементом).

Разница в уровнях называется гистерезисом переключения. Триггер Шмитта может быть построен на двух транзисторных каскадах усиления, охваченных положительной обратной связью, или на компараторе с положительной обратной связью. На рис. 3.48, а — в приведены схема, передаточная характеристика и условное обозначение инвертирующего триггера Шмитта.

Если к инвертирующему входу приложено достаточно большое отрицательное напряжение , то выходное напряжение компаратора . При этом напряжение прямого входа

.

0

 

а) б) в)

Рис. 3.48. Схема (а), передаточная характеристика (б) и условное обозначение (в) инвертирующего триггера Шмитта

Если увеличивать , то не изменится до тех пор, пока . При выходное напряжение за счет действия положительной обратной связи изменяется скачком до , а напряжение прямого входа — до

.

При дальнейшем увеличении выходное напряжение не изменяется.

Если теперь уменьшать , то изменится только при , скачком возрастая до . Гистерезис переключения

.

 

 

 

 

 

Рис. 3.49. Схема (а), передаточная характеристика (б) и условное обозначение (в) неинвертирующего триггера Шмитта

Для того чтобы триггер имел два устойчивых состояния, необходимо выпол­нить условие , где К — коэффициент усиления операционного усилителя; — коэффициент обратной связи.

На рис.3.49, а — в приведены схема, передаточная характеристика и услов­ное обозначение неинвертирующего триггера Шмитта.

При достаточно большом положительном входном напряжении выходное на­пряжение компаратора равно . При уменьшении выходное напряжение не изменяется, пока потенциал точки а не станет равен нулю. Тогда выходное напряжение скачком изменится до . Так как

,

то при переключении (выключении)

и .

Выходное напряжение будет неизменно, пока не превысит значение .

 

 

 

 

Рис. 3.50. Формирование напряжения прямоугольной формы из синусоидального инвертирующим триггером Шмитта

Триггеры Шмитта выпускаются в виде микросхем, например К155ТЛ1 (два триггера Шмитта с элементами И на входе).

Одна из основных областей применения триггера Шмитта —формирование напряжения прямоугольной формы из входного напряжения произвольной формы (рис. 3.50). Триггер Шмитта используют также в качестве порогового устройства для реги­страции превышения входным напряжением порогового значения (или ).