4.3 Микроэлектронные компараторы и преобразователи уровня
Компараторы по техническим решениям являются специализированными ОУ. По функциональному признаку они занимают промежуточное положение между аналоговыми и цифровыми устройствами. Компараторы можно рассмотреть как простейшие АЦП. Они имеют два аналоговых входа, один или два цифровых выхода. Наличие у компараторов двух входов позволяет использовать их в качестве устройств, осуществляющих сравнение измеряемого напряжения (Uвх) с опорным напряжением (Uоп). Алгоритм работы компаратора описывается выражениями:
,
если
(4.3)
,
если
(4.4)
Рисунок 4.2 – Простейший компаратор
Рисунок 4.3 – Компаратор на основе ОУ с положительной обратной связью
Простая схема и его передаточная характеристика имеют вид в соответствии с рисунком 4.2.
Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине напряжение. Входное напряжение изменяется во времени. При достижении входным напряжением уровня опорного напряжения U происходит изменение полярности напряжения на выходе от значения U1 до значения U2.
Широкое применение находит компаратор на основе ОУ с положительной обратной связью (ПОС), схема которого и его передаточная характеристика имеют вид в соответствии с рисунком 4.3. Здесь ПОС осуществляется с помощью резисторов R1 и R2. Такой компаратор получил название триггера Шмидта. Передаточная характеристика такого компаратора обладает гистерезисом, что объясняется наличием цепи ПОС. Переключение схемы в состояние U2 происходит при достижении входным напряжением уровня UСР, а возвращение в исходное состояние UВЫХ = U1 – при снижении входного напряжения до напряжения отпускания UОТП.
Значение входных пороговых напряжений определяются по формулам:
,
(4.3)
.
(4.4)
Определим ширину зоны гистерезиса :
.
(4.5)
Важнейшим показателем ОУ является их быстродействие, оцениваемое задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Задержка срабатывания оценивается задержкой выходного импульса.
Основная область применения компараторов – пороговые устройства. Компараторы находят также применение в автогенераторах, пиковых детекторах, в устройствах считывания сигналов магнитной и полупроводниковой памяти.
4.4 Микроэлектронные выпрямители и стабилизаторы напряжения
Выпрямителями называют устройства для преобразования переменного напряжения в постоянное. Для выпрямления напряжения используют приборы с односторонней проводимостью, например, полупроводниковые. Но, как видно из ВАХ диода, при малых сигналах диод обладает неприемлемо большой нелинейностью. Избежать этого недостатка позволяет использование ОУ совместно с диодами в цепи ООС (см. таблицу 4.2).
Использование ОУ позволяет осуществить выпрямление и детектирование сигналов амплитудой от нескольких милливольт до единиц вольт с высокой точностью. Передаточная характеристика рассматриваемых устройств напоминает ВАХ идеального диода, поэтому это устройство часто называют «идеальными диодами».
Структурная схема стабилизатора напряжения может быть представлена четырехполюсником в соответствии с рисунком 4.3. К стабилизаторам напряжения предъявляются следующие основные требования:
-обеспечивать
высокие значения коэффициента стабилизации
напряжения
;
-
иметь низкое динамическое выходное
сопротивление
;
-
обеспечивать высокий КПД
.
Таблица.4.2
Схема выпрямителя |
Вид амплитудной характеристики |
Расчетные соотношения |
|
|
при UВХ>0,
UВЫХ=0, при UВХ< 0 |
|
|
при UВХ< 0,
UВЫХ=0, при UВХ>0 |
,
В обычном параметрическом стабилизаторе на кремниевом диоде в режиме обратимого электрического пробоя (рисунок 4.4, б) не удается выполнить совокупность указанных требований. Коэффициент стабилизации напряжения такого стабилизатора равен
.
(6)
Чтобы реализовать высокие значения КСТ, необходимо обеспечить малое динамическое сопротивление стабилизатора rД, а это возможно при высокоомной нагрузке и низкоомном сопротивлении ограничительного резистора R.
а) Структурная схема |
б) Параметрический стабилизатор |
в) Стабилизатор на ОУ |
г) Стабилизатор с ОУ и повторителем на транзисторах |
Рисунок 4.4 – Стабилизаторы напряжения
Эти условия можно создать, использовав в схеме стабилизатор на ОУ, в соответствии с рисунком 4.4 (в). Здесь ОУ используется в качестве буферного усилителя. Высокое входное сопротивление обеспечивает идеальные условия для работы стабилитрона.
Недостатком стабилизатора напряжения на основе ОУ является сравнительно небольшой ток, который он может отдать в нагрузку. Избежать этого недостатка можно усилением тока ОУ с помощью внешних транзисторов, в режиме повторителей напряжения. Такой способ реализуется схемой, в соответствии с рисунком 4.4 (г).