2. Компараторы

Компаратор – это устройство сравнения двух напряжений. Такие возможности приобретают ОУ в нелинейном режиме работы. Для анализа процесса сравнения обратимся еще раз к передаточной характеристике ОУ (рис. 15.3а). Мы знаем, что ОУ работает в линейном режиме, если разность . Когда разностьвыходное напряжение ограничено значением ±U_{ВЫХ m}. Это означает, что транзисторы выходных каскадов ОУ работают в ключевом режиме. ЗначениеU_{ВЫХ m}лишь немного меньше ЭДС питанияE_n, поэтому на передаточной характеристике выделяют область положительногои отрицательногонасыщения.

Для реальных ОУ значение U_ГРне более нескольких мВ. При достаточно больших входных сигналах им можно пренебречь, полагая. Тогда привыходное напряжение. Наоборот, привыходное напряжение. Другими словами можно сказать, что выходное напряжение ОУ в нелинейном режиме зависит от того, какое из входных напряжений больше. Значит ОУ в нелинейном режиме является схемой сравнения (компаратором).

На рис. 15.3б приведены эпюры входных напряжений компаратора (- синусоида,- постоянное) и выходного напряжения. Компаратор переключается в момент равенства. Выходное напряжение имеет прямоугольную форму. Длительность прямоугольных импульсов зависит от соотношения амплитудного значения синусоидыU_mи. Значит, компаратор можно применять для преобразования синусоидального напряжения в прямоугольное или для преобразованияU₂в длительность.

Широкое практическое применение находит схема компаратора с положительной обратной связью (ПОС). Она приведена на рис. 15.4а. Другое название схемы – триггер Шмитта. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход, а напряжение обратной связи – на прямой.

На рис. 15.4б приведена передаточная характеристика компаратора. При большом отрицательном напряжении на инвертирующем входе ОУ . Напряжение на прямом входе ОУU_прформируется двумя источниками –U₀и. Определим его методом суперпозиции, учитывая, что для обоих напряжений цепочкаR₁ R₂выполняет роль делителя:

Компаратор будет находиться в режиме положительного насыщения до тех пор, покаU_ВХ<U_пр. ЗначениеU_првыполняет роль порога срабатывания, поэтому его называют пороговым и обозначают.

Когда входное напряжение U_ВХстановится примерно равным напряжениюнастолько, чтоОУ переходит в линейный режим. Напряжение на выходе уменьшается, т. е. получает отрицательное приращение. По цепочкеR₁ R₂оно поступает прямо на прямой вход ОУ, уменьшая значениеU_прна величину:

.

ОУ усилит это приращение, в результате чего напряжение на его выходе уменьшится еще больше, т. е. возникнет отрицательное приращение . Последнее в свою очередь еще больше уменьшитU_пр. Процесс развивается лавинообразно и завершается переходом ОУ в область отрицательного насыщения, когда. Таким образом, ПОС ускоряет процесс переключения компаратора. Такое ускоренное переключение получило название регенеративного процесса.

Так как U_ВЫХпосле переключения сменило свой знак, то изменилось и значениеU_прт. е. значение порога -.

.

Новое переключение компаратора произойдет только тогда, когда . Передаточная характеристика компаратора имеет вид петли гистерезиса. Ширина петли гистерезиса увеличивается с увеличением отношения.