7.2. Одновходовый компаратор

Одновходовый компаратор предназначен для сравнения двух сигналов противоположной полярности по модулю. Его схема изображена на рис. 7.3. Поясняющий график приведен на рис. 7.4.

Для подачи обоих сигналов используется инвертирующий вход ОУ (сигналы поступают на вход ОУ через делитель, состоящий обычно из одинаковых сопротивлений; в результате напряжение = (U_вx1 + U_вx2) / 2), обратной связи нет.

Выходной сигнал принимает значения ±Е, которые меняются скачком в моменты, когда меняется знак . Очевидно, что смена знака возможна только при разных знаках U_вx1 и U_вx2.

Рис. 7.3	Рис. 7.4

Разумеется, реальный одновходовый компаратор отличается по своим свойствам от идеального точно так же, как различаются идеальный и реальный двухвходовые компараторы. На нижнем графике на рис. 7.4 сплошной линией показана зависимость выходного сигнала идеального компаратора, штриховой линией – на выходе реального компаратора.

7.3. Регенеративный компаратор

Регенеративный компаратор обеспечивает сравнение входного сигнала с долей выходного. Эта схема редко применяется сама по себе, но зато является необходимой частью мультивибраторов (на ОУ) – генераторов прямоугольных импульсов. Схема изображена на рис. 7.5.

Рис. 7.5	Рис. 7.6

Принцип действия регенеративного компаратора поясняет рис. 7.6. Как и в других компараторах, в ней отсутствует обратная связь между выходом и инвертирующим входом, поэтому ПХ ОУ имеет вертикальный участок и выходной сигнал принимает значения ±Е. Однако имеется другая обратная связь: средняя точка резистивного делителя R₂ – R₃ соединена с неинвертирующим входом ОУ. С ее помощью задается значение = ± γЕ (в зависимости от значения выходного сигнала, γ = R₃/(R₂ + R₃) – коэффициент деления делителя).

Допустим, что входной сигнал меняет свое значение от отрицательного к положительному. На выходе схемы вначале +Е, значит на неинвертирующем входе +γЕ. Пока на инвертирующем входе напряжение меньше +γЕ, компаратор не переключается – даже при смене полярности входного сигнала. Только при U_вx > +γЕ происходит срабатывание схемы и на выходе устанавливается –Е. При изменении входного сигнала в обратную сторону – от «плюса» к «минусу» на неинвертирующем входе исходно установлено –γЕ, поэтому компаратор переключается при этом значении сигнала. Зависимость U_выx от U_вx отдаленно напоминает петлю гистерезиса у ферромагнетиков и сегнетоэлектриков, поэтому тоже получила название гистерезисной.

7.4. Нуль-детектор

В схемотехнике одной из задач является определение моментов времени, при которых сигнал произвольной формы равен нулю («выделение нуля»). Для этого используется схема, называемая нуль-детектором или нуль-компаратором. Схема нуль-детектора на ОУ приведена на рис. 7.7. Она содержит операционный усилитель, на инвертирующий вход которого подается входной сигнал, и цепь обратной связи в виде диодного моста VD₁ – VD₄ и двух дополнительных источников постоянных напряжений –U₀ и +U₀ (–U₀ = +U₀ <E). Получение напряжений –U₀ и +U₀ («порогов») не представляет технических трудностей, так как для этого можно использовать шины питания ОУ ±Е, соединив их высокоомным делителем.

В нуль-детекторе используют инвертирующее включение ОУ и охватывают его коммутируемой обратной связью (рис. 7.8).

Рис. 7.8

Схема работает в трех режимах, зависящих от соотношения U_вx с –U₀ и +U₀: в двух режимах диоды моста частично закрыты, а частично открыты, причем таким образом, что связь выхода ОУ со входом разрывается и эквивалентное сопротивление цепи обратной связи R_oc  . В третьем режиме все диоды открыты, выход ОУ накоротко соединен со входом, таким образом, ОУ как бы охвачен цепью обратной связи и R_oc = 0. Эквивалентные схемы нуль-детектора в разных режимах приведены на рис. 7.9.

Рис. 7.7

Рассмотрим эти режимы подробнее.

1. При U_вx < –U₀ на выходе ОУ из-за огромного значения К_ОУ образуется сигнал U_выx = +Е; при этом диод VD₁ открыт (так как U_вx < +U₀), диод VD₄ также открыт (так как –U₀ < +E). Но диод VD₃ закрыт (так как U_вx < –U₀), закрыт и диод VD₂ (так как +U₀ < +E) – обратная связь разорвана.

2. При –U < U_вx < +U₀ открываются диоды VD₁ и VD₂, и так как |–U₀| = = +U₀, то на инвертирующем входе сигнал приобретает значение U_{вx ОУ} = = (+U₀ – U₀)/2 = 0 (разность сигналов U_вx – U_{вx ОУ} = U_вx гасится на сопротивлении R, а сопротивления R₁ и R₂ исключают короткое замыкание источников дополнительных напряжений друг на друга). При U_{вx ОУ} = 0 независимо от значения K_ОУ U_выx = 0, тогда открыты и диоды VD₃ и VD₄. Обратная связь представляет собой короткое замыкание (если пренебречь небольшими внутренними сопротивлениями открытых диодов).

Рис. 7.9

3. При U_вx > +U₀ на выходе ОУ напряжение равно U_выx = –Е, открыты диоды VD₂ и VD₃, закрыты VD₁ и VD₄ (режим, «с точностью до наоборот» соответствующий режиму 1).

Хотя в ходе обсуждения уже установлено, что при входных сигналах, близких к нулю (уровни +U₀ и –U₀ можно задать малыми), на выходе нуль-детектора сигнал равен нулю, а во всех остальных случаях – предельным уровням ±Е, но отметим, что к этому же результату можно прийти, и пользуясь универсальной формулой для инвертирующего включения ОУ: K_U = – Z_oc/Z_вх.

В данном случае Z_вx = R = const, а в режимах 1 и 3 равно Z_oc = , тогда K_U = −. Значит, U_выx = –Е при положительном U_вx и U_выx = +Е при отрицательном U_вx. В режиме 2 Z_oc = 0, т. е. К_U = 0 и U_выx = 0. Диодный мост выполняет функцию ключа, управляемого входным сигналом.

Рис. 7.10	Рис. 7.11

На рис. 7.10 приведена передаточная характеристика нуль-детектора, на рис. 7.11 показано изменение формы сигнала при его прохождении через нуль-детектор. Если на неинвертирующий вход ОУ подать некоторое постоянное напряжение U_см, то нуль-детектор будет иметь U_выx = 0 при U_вx, близких к U_см.