Аналоговый коммутатор с памятью, выполненный на базе интегратора
Вместо конденсатора, один вывод которого заземлен, и следящего усилителя в качестве схемы запоминания аналоговой величины напряжения можно использовать интегратор.
Рис. 17.18. Аналоговый коммутатор с отрицательной обратной связью.
Рис. 17.19. Аналоговый коммутатор с интегратором в качестве элемента памяти.
Реализация такой возможности представлена на рис. 17.19. В этой схеме, как и на рис. 17.13, последовательный коммутатор подключается к суммирующей точке операционного усилителя, поэтому управление 'коммутатором может быть упрощено. Так как напряжение на полевом транзисторе ограничено диодами на уровне ± 1,2 В, величина управляющего напряжения коммутатора практически не зависит от входного напряжения. Это уменьшает ошибку запаздывания схемы коммутатора.
Когда коммутатор находится в состоянии «включено», выходное напряжение операционного усилителя устанавливается на уровне
Операционный усилитель ОУ 1, как и в предыдущих схемах, сокращает время установки te и сводит к нулю напряжение смещения усилителя ОУ 2.
17.5. Компараторы
В описанных выше схемах в зависимости от характера управляющего сигнала осуществлялась коммутация входного сигнала или запоминание последнего. Еще одну разновидность аналоговых коммутаторов представляют компараторы. Они осуществляют переключение уровня выходного напряжения, когда непрерывно изменяющийся во времени входной сигнал становится выше или ниже определенного уровня.
Рис. 17.20. Компаратор.
17.5.1. ПРОСТЕЙШАЯ СХЕМА КОМПАРАТОРА
Если включить операционный усилитель без обратной связи, как показано на рис- 17.20, то он будет представлять собой компаратор. Его выходное напряжение составляет
Передаточная характеристика такого компаратора изображена на рис. 17.21. Благодаря высокому коэффициенту усиления схема переключается при очень малой величине разности напряжений U1 — U2, поэтому она пригодна для сравнения двух напряжений с высокой точностью.
При смене знака разности входных потенциалов выходное напряжение не может мгновенно перейти из одного уровня насыщения к другому, так как величина скорости нарастания операционного усилителя ограничена. Для стандартного частотно-
Рис. 17.21. Передаточная характеристика компаратора.
скорректированного, операционного усилителя она составляет около 1 В/мкс. Переход с уровня — 12 В на уровень + 12 В длится, таким образом, 24 мкс. Вследствие конечного времени восстановления операционного усилителя при его выходе из состояния насыщения задержка переключения компаратора еще увеличивается.
Так как в рассматриваемой схеме операционный усилитель не охвачен обратной связью и не нуждается в частотной коррекции, скорость нарастания увеличивается и время восстановления уменьшается по меньшей мере в 20 раз.
Существенно меньших значений времени задержки можно добиться, если использовать специализированные ИС-компара-торы. Они предназначены для работы без обратной связи и имеют особо малые значения времени восстановления. Коэффициент усиления, а следовательно, и точность установки порога срабатывания этих ИС несколько меньше, чем у стандартных операционных усилителей. Выход такого усилителя связан, как правило, со встроенным преобразователем уровня сигнала, благодаря которому такой компаратор может непосредственно соединяться со входами цифровых схем. Компаратор 1С LM 339 фирмы National имеет, например, выход с открытым коллектором, а его время задержки составляет около 500 нс. Компаратор 1С NE 521 фирмы Signetics имеет стандартный ТТЛ-выход и время задержки около 8 нс. Особенно низкое время задержки, составляющее около 5 нс, у компаратора Am 685 фирмы Advanced Micro Devices со стандартным ЭСЛ-выходом.
Описанные компараторы имеют ограниченный диапазон входных напряжений. Если требуется сравнивать большие величины входных напряжений, можно воспользоваться схемой, приведенной на рис. 17.22. Компаратор срабатывает при переходе величины Vp через нуль. При этом
Рис. 17.22. Суммирующий компаратор,
Рис. 17.23. Операционный усилитель в качестве компаратора с прецизионным выходным напряжением.
Таким образом, сравниваемые напряжения должны иметь противоположные знаки. Эту схему можно функционально расширить, если к Р-входу компаратора подключить еще несколько резисторов- При этом компаратор будет срабатывать, когда приведенная к Р-входу алгебраическая сумма входных напряжений будет больше или меньше нуля. Благодаря включению диодов напряжение на Р-входе компаратора не может превысить ± 0.6 В.
17.5.2. КОМПАРАТОР С ПРЕЦИЗИОННЫМ ВЫХОДНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ
Для многих случаев применения необходимы компараторы, выходное напряжение которых принимает два фиксированных с высокой точностью значения Uмин и Uмакс- Наиболее, точный и простой способ выполнения этого условия состоит в применении аналогового коммутатора, управляемого входным напряжением обычного компаратора.
При низких частотах переключения эта задача может быть также решена соответствующим включением частотно-скорректированного операционного усилителя (рис. 17.23). Схема представляет собой разновидность компаратора изображенного на рис. 17.21. Когда выходное напряжение достигает значения ± (UZ+ 0,6 В), операционный усилитель оказывается охваченным отрицательной обратной связью через цепочку стабилитронов, При этом дальнейший рост выходного напряжения прекращается. Кроме того, так как операционный усилитель не насыщается, из общего времени задержки срабатывания исключается время восстановления усилителя.
17.5.3. ДВУХПОРОГОВЫЙ КОМПАРАТОР
Двухпороговый компаратор фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя заданными пороговыми напряжениями или вне этого диапазона. Для реализации такой функции выходные сигналы двух компараторов необходимо подвергнуть, как показано на рис. 17.24, операции логического умножения. Для такой цели лучше всего подходит компаратор типа 1С NE 521, так как эта ИС имеет в одном корпусе кроме двух идентичных компараторов с преобразователями уровня сигнала еще два логических элемента И-НЕ. Как показано на рис. 17.25, на выходе логического элемента единичный уровень сигнала будет иметь место тогда, когда выполняется условие
U1 < Ue < U2
Рис. 17.24. Двухпороговый компаратор.
так как в этом случае на выходах обоих компараторов будут единичные логические уровни.
Рис. 17.25. Временная диаграмма работы двух- порогового компаратора.