3. 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. 25.2, а). Мы знаем, что ОУ работает в линейном режиме, если разность . Когда разность , выходное напряжение ограничено значением ±U_m.ВЫХ. Это означает, что транзисторы выходных каскадов ОУ работают в ключевом режиме. Значение U_m._ВЫХ лишь немного меньше Э.Д.С. источника питания E_n, поэтому на передаточной характеристике выделяют область положительного и отрицательного насыщения.

Для реальных ОУ значение ∆U_гр не более нескольких мВ. При достаточно больших входных сигналах им можно пренебречь, полагая ∆U_гр≈0. Тогда при выходное напряжение . Наоборот, при выходное 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).

Возможности применения ОУ как компаратора иллюстрируются графиками рис. 25.2, б.

Как следует из графиков, на прямой вход ОУ подано синусоидальное напряжение u_вх1(t), а на инвертирующий вход – постоянное положительное напряжение U_вх2. Компаратор переключается в момент равенства u_.вх1(t) = U_вх2. Выходное напряжение имеет прямоугольную форму. Значит, компаратор можно применять для преобразования синусоидального напряжения в напряжение прямоугольной формы, т. е. в импульсное напряжение.

По графикам легко увидеть, что длительность прямоугольных импульсов зависит от величины U_вх2. Изменяя величину U_вх2 от –U_m.вх1 до U_m.вх1, можно изменять длительность импульсов от 0 до Т, где Т – длительность периода u_вх1(t). Значит, компаратор можно применять в качестве преобразователя амплитуда – длительность.

Широкое практическое применение находит схема компаратора с положительной обратной связью (ПОС). Она приведена на рис. 25.3, а. Другое название схемы – триггер Шмитта. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход, а напряжение обратной связи – на прямой.

На рис. 25.3, б приведена передаточная характеристика компаратора. При большом отрицательном напряжении на инвертирующем входе ОУ U_вх << 0, напряжение на выходе максимальное положительное –U_вых = U_{вых. m}.

Напряжение на прямом входе ОУ U_пр формируется двумя источниками – U₀ и . Определим его методом суперпозиции, учитывая, что для

обоих напряжений цепочка R₁, R₂ выполняет роль делителя:

. (25.6)

Предположим, что напряжение на входе увеличивается. Компаратор будет находиться в режиме положительного насыщения U_вых = U_m.вых до тех пор, пока U_ВХ < U_пр. Значение U_пр выполняет роль порога срабатывания, поэтому его называют пороговым и обозначают U_П1.

Когда входное напряжение U_ВХ приближается по величине к напряжению U_П1 настолько, что , ОУ переходит в линейный режим. Напряжение на выходе уменьшается, т. е. получает отрицательное приращение -∆U_вых. Через делитель R₁, R₂ приращение поступает на прямой вход ОУ, уменьшая значение U_пр на величину:

. (25.7)

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 уменьшит U_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_ВЫХ после переключения изменило свой знак, то изменилось и значение U_пр, т. е. значение порога – U_П2, причем,

. (25.8)

Новое переключение компаратора произойдет только тогда, когда U_вх ≈ U_П2. Передаточная характеристика компаратора имеет вид петли гистерезиса. Ширина петли гистерезиса определяется отношением R₂ / R₁, а ее положение на оси абсцисс (оси U_вх) величиной U₀.