Компараторы

Компаратор в общем случае служит для сравнения двух сигналов: токов или напряжений. Наибольшее распространение получили компараторы напряжения. Они применяются в измерительной технике, в системах автоматического контроля и управления, в аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях.

Компаратор - это простейшая схема, состоящая только из операционного усилителя без цепей обратной связи (рис.12).

Рис.12. Схема компаратора на операционном усилителе

Компаратор может находиться в двух устойчивых состояниях:

I - если мгновенное значение напряжений , то ;

II - если мгновенное значение напряжений , то .

Рассмотрим случай, когда - постоянное напряжение, а (рис.13).

На интервале времени 0-1 выполняется второе неравенство, и напряжение на выходе принимает положительное максимальное значение. Левее точки 1 выполняется первое неравенство, и напряжение на выходе принимает отрицательное максимальное значение, которое сохраняется на временном интервале 2-3. Диаграмма построена для идеального случая: коэффициент усиления ОУ равен бесконечности, переключение (переход из одного устойчивого состояния в другое) происходит мгновенно, отсутствуют помехи в сравниваемых напряжениях.

Рис.13. Диаграмма сравнения напряжений

Реальный ОУ имеет конечное значение коэффициента усиления, поэтому передаточная характеристика компаратора имеет вид (рис.14,b) и отличается от идеального (рис.14,а) наличием зоны нечувствительности

Рис.14. Передаточные характеристики идеального (а)

и реального (b) компараторов

Пороговое напряжение - это такое напряжение между входами, при котором напряжение на выходе достигает максимального значения. Интервал напряжений от до называют зоной нечувствительности, в этой зоне состояние компаратора считается неопределенным. Пороговое напряжение можно определить как

,

что составляет обычно порядка 0.1 мВ.

Переключение компаратора не может происходить мгновенно, время переключения определяется максимальной скоростью нарастания выходного напряжения

.

Напряжение на выходе компаратора принимает трапециевидную форму (рис.15)

Рис.15. Временная диаграмма напряжения на выходе компаратора

В компараторах обычно применяют быстродействующие ОУ, что позволяет получить время переключения менее 1 мкс.

Наличие помех влияет на работу компаратора. Это влияние показано на рис.16.

Рис.16. Влияние помехи на момент срабатывания компаратора

Если напряжение, кроме постоянной, имеет переменную составляющую помехи, то срабатывание компаратора происходит многократно в точках 1, 2, 3. Это явление называется «дребезгом» по аналогии с дребезгом электромеханических контактов.

Для устранения перечисленных выше недостатков в компаратор вводят положительную обратную связь, которая позволяет существенно уменьшить зону нечувствительности, уменьшить время переключения и освободиться от влияния помех. Компаратор с положительной обратной связью называется триггером Шмидта.

Триггер Шмидта

В триггере Шмидта (рис.17) положительная обратная связь вводится при помощи резисторов и .

Рис.17. Схема триггера Шмидта

Напряжение сравнивается с напряжением обратной связи , которое, в зависимости от выходного напряжения принимает два значения: и

,

.

Если мгновенное значение , то компаратор переключается, и напряжение на выходе меняется с на .

Если мгновенное значение , то компаратор переключается, и напряжение на выходе меняется с на .

Причем переключение будет происходить с большой скоростью, т.к. процесс переключения форсирует положительная обратная связь.

Действительно, если мгновенное значение , то на инвертирующем входе относительно неинвертирующего, появится положительное напряжение , которое приведет к появлению на выходе отрицательного приращения напряжения. По цепи обратной связи отрицательное приращение передается на неинвертирующий вход ОУ и уменьшает его потенциал. Входное напряжение увеличивается, за счет этого отрицательное приращение напряжения на выходе также увеличится, что приведет к росту входного напряжения. Таким образом, замыкается цепь положительной обратной связи. Процесс переключения развивается лавинообразно и заканчивается, когда напряжение на выходе будет равно .

Рассмотрим случай, когда (рис.18)

Рис.18. Временная диаграмма работы триггера Шмидта

На интервале времени 0-1 напряжение на выходе равно , а напряжение обратной связи - . Левее точки 1 выполняется условие переключения компаратора, и напряжение на его выходе принимает значение , а напряжение обратной связи - . При спаде напряжения условие переключения будет выполняться левее точки 2, и схема возвращается в исходное состояние. Передаточная характеристика триггера Шмидта имеет вид (рис.19) и носит гистерезисный характер, т.е. прямой и обратный ход происходит по различным путям. Поэтому эту схему часто называют компаратором с гистерезисом.

Если помеха, наложенная на напряжение , будет меньше ширины петли гистерезиса , то ее влияние будет исключено.

Рис.19. Передаточная характеристика триггера Шмидта

В данном случае компаратор является пороговым устройством, он срабатывает в те моменты, когда входное напряжение превышает заданные уровни напряжений и . Для сравнения двух напряжений применяется схема рис.20.

Рис.20. Схема с триггером Шмидта для сравнения двух напряжений

При подключении напряжения , как показано на рис.20, переключение компаратора происходит в точках, когда напряжение принимает значения:

и .

Передаточная характеристика принимает вид (рис.21)

Рис.21. Передаточная характеристика компаратора

при подключении напряжения .

(1-при <0, 2-при =0, 3- при >0)