8.3. Імпульсний режим роботи операційних підсилювачів. Компаратори

Для використання операційних підсилювачів в аналогових пристроях (підсилювачі, генератори гармонічних коливань та ін.) вхідний сигнал пови­нен мати такий рівень, щоб використовувати нахилені ділянки кривих передавальної характеристики ОП (див. рис. 6.2, б), коли вихідна напруга пропор­ційно залежить від вхідної. В імпульсному режимі роботи рівні вхідного сиг­налу перевищують значення, які відповідають лінійній області передавальної характеристики. При цьому вихідна напруга досягає або . Ці рівні вихідної напруги с сталими (сприяюча умова для формування незмінної вершини імпульсу) і майже дорівнюють напругам джерел живлення та операційного підсилювача. Незмінність означених рівнів за величиною обумовлена незмінністю за величиною гори­зонтальних ділянок кривих передавальної характеристики ОП, які відповідають режиму повністю закритого (режим відсічки) або повністю відкритого (режим на­сичення) транзистора вихідного каскаду (найчастіше емітерний повторювач) операційного підсилювача.

Таким чином, операційний підсилювач, як і поодинокий біполярний транзистор, може працювати як у лінійному, так і в імпульсному режимі.

Рис. 8.4

Імпульсні пристрої на ОП працюють в компараторному режимі, коли порівнюються дві напруги, що надходять до входів (або на один вхід) підсилювача – вхідна, що змінюється, і опорна. Опорна напруга позитивної або негативної полярності незмінна за величиною. Коли вхідна напруга досягає рі­вня опорної, на виході ОП відбувається зміна полярності напруги, наприклад, з на .

Компаратори напруги. Компараторне ввімкнення ОП використовують для порівняння напруги джерела сигналів U_д з опорним сигналом U₀. Компаратор­ний режим ОП частіше застосовують без зовнішніх кіл негативного зворотного зв'язку, подаючи порівнювані сигнали на один або обидва входи підсилювача.

Для порівняння різнополярних напруг на вході використовують одновходовий компаратор (рис. 8.4, а), в якому опорний сигнал та той, що досліджується, надходять до інвертуючого входу ОП в інтервалі часу 0 – t₁ (рис. 8.4, б) виконується нерівність |U_д |< |U₀|, тому U_вх > 0 і напруга на виході компаратора (напруга на вході, що її інвертує ОП, і на його виході різнополярні). В момент часу t₁ вхідний сигнал досягає порогового значення U_д = U_вх.пор = U₀R₁/R₂.

Після цього (якщо t > t₁) перевищує його за а6солютним значен­ням, яке відповідає негативному потенціалу на інвертуючому вході ОП (U_вх < 0), що супроводжується перемиканням компаратора в інший стан, в якому . Моментові часу, коли виконується рівність U_д = U_вх.пор, відповідає нестійкий лінійний режим підси­лювача компаратора. При цьому нахил передавальної характеристики визначається власним коефіцієнтом підсилення К_пU. Тому відсутність в ОП негативного зворотного зв'язку сприяє підвищенню швидкості перемикання компаратора.

В двовходовому компараторі (рис. 8.4, в), сигнали, які порівнюють, надходять до обох входів ОП. Тому стан виходу компаратора (полярність вихідної напруги) визначається великою за рівнем напругою од­ного з входів, що відображено передавальною характеристикою ком­паратора (рис. 8.4, г). При рівності вхідних напруг (момент часу t₁) вихідна напруга компаратора дорівнює нулю аналогічно ро6оті інтегрального ОП. рівень вхідної напруги компаратора 06межуєтьсяприпустимою синфазною напругою ОП.

Для по6удови генераторів релаксаційних коливань операційний підсилювач в компараторному режимі охоплюють позитивним зворотним зв'язком. Схема компаратора з ланкою позитивного зворот­ного зв'язку R1, R2, ввімкненою між виходом операційного підси­лювача та неінвертуючим входом, зо6ражена на рис. 8.5, а, а його передавальна характеристика – на рис. 8.5, б. Передавальна харак­теристика має вигляд пускової характеристики гістерезисного типу, яка властива пристроям з позитивним зворотним зв'язком та двома стійкими станами рівноваги. Пристрій стрибком переходить у стан під впливом вхідної напруги U_вх та досягненням ним напруги (порогу) спрацьову­вання U_спр. Повернення пристрою в початковий стан відбувається при зменшенні U_вх до напруги (порога) відпускання U_відп. Ширина області гісте­резису характеризується напругою гістерезису U_г = U_спр – U_відп. Ділянки АА' та ВВ' гістерезисної характеристики відповідають двом стійким станам рівноваги схеми, а точки А' і В' – пороговим значенням вхідної напруги. Прийнявши

U₀ = U_вх – U_сп = 0, в схемі на рис. 8.5, а для порогових напруг запишемо:

(8.11)

(8.12)