1.3 Импульсный режим работы операционных усилителей. Компараторы. Триггер Шмитта

Интегральные операционные усилители находят широкое применение в импульсной технике. Уровни входного сигнала ОУ в импульсном режиме работы превышают значения, соответствующие линейной области амплитудной характеристики. В связи с этим выходное напряжение ОУ в процессе работы определяется либо напряжением U⁺_{вых mах}, либоU^-_{вых mах}.

Работу ОУ в импульсном режиме рассмотрим на примере компаратора, осуществляющего сравнение измеряемого входного напряжения (u_вх) с опорным напряжением (U_оп). Опорное напряжение представляет собой неизменное (заданное) по величине напряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение изменяется во времени. При достижении входным напряжением уровня опорного напряжения происходит изменение полярности напряжения на выходе ОУ, например сU⁺_{вых mах}наU^-_{вых mах}. ПриU_оп= 0 компаратор осуществляет фиксацию момента перехода входного напряжения через нуль. Компаратор часто называют нуль-органом, поскольку его переключение происходит приu_вх-U_оп≈ 0. Решающее влияние на точность сравнения оказывает параметр ОУ – напряжение смещения. Полагают, что точность сравнения равна напряжению смещения ОУ.

Компараторы нашли применение в системах автоматического управления и в измерительной технике, а также для построения различных узлов импульсного и цифрового действия (в частности, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей).

Простейшая схема компаратора на операционном усилителе приведена на рисунке 1.5,а. Ее характеризует симметричное подключение измеряемого и опорного напряжений ко входам ОУ. Разность напряженийu_вх-U_опявляется входным напряжениемu₀ОУ, что и определяет передаточную характеристику компаратора (рисунок 1.5,б). Приu_вх<U_опнапряжениеu₀< 0, в связи с чемu_вых=U⁺_{вых mах}. Приu_вх>U_опнапряжениеu₀> 0 иu_вых=U^-_{вых mах}.

Рисунок 1.5 - Схема компаратора на операционном усилителе (а), его передаточная характеристика (б), схема компаратора с входными делителями напряжения (в)

Изменение полярности выходного напряжения происходит при переходе входного измеряемого напряжения через значение U_оп. Ввиду большого значения коэффициента усиления ОУ это изменение носит ступенчатый характер приu₀=u_вх -U_оп ≈ 0. Если источники входного и опорного напряжений в схеме рисунка 1.5,апоменять местами или изменить полярность их подключения, то произойдет инверсия передаточной характеристики компаратора. Условиюu_вх <U_опбудет отвечать равенствоu_вых=U^-_{вых mах}, а условиюu_вх >U_оп-u_вых=U⁺_{вых mах}.

Схема рисунка 1.5,априменима тогда, когда измеряемое и опорное напряжения не превышают допустимых паспортных значений входных напряжений ОУ. В противном случае они подключаются к ОУ с помощью делителей напряжения (рисунок 1.5,в).

Широкое применение получил также компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью, осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторов R₁,R₂(рисунок 1.6,а). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистеризисом (рисунок 1.6,б) и исключает «дребезг» фронта сигнала при переключении ОУ в момент сравнения. Схема известна под названием триггера Шмитта или порогового устройства.

Рисунок 1.6 - Схема компаратора с положительной обратной связью (а) и его идеализированная передаточная характеристика (б)

Переключение схемы в состояние U^-_{вых mах}происходит при достиженииu_вхнапряжения (порога) срабатыванияU_cp, а возвращение в исходное состояниеu_вых=U⁺_{вых mах}. — при сниженииu_вхдо напряжения (порога) отпусканияU_отп. Значения пороговых напряжений находят по схеме, положивu_о= 0:

,
,
откуда ширина зоны гистерезиса
.

Схема рисунка 1.7,аявляется частным случаем предыдущей схемы приU_oп= 0. Ее пороговые напряжения и зона гистерезиса (рисунок 1.7,б) составляютU_cp= U⁺_{вых mах},U_отп= —U^-_{вых mах}иU_г=(U⁺_{вых mах}+U^-_{вых mах}), где=R₁/(R₁+R₂). Схема рисунка 1.7,аслужит основой при построении генераторов импульсов на ОУ.

Рисунок 1.7 - Схема компаратора с положительной обратной связью и нулевым опорным напряжением (а), его передаточная характеристика (б)

Важнейшим показателем операционных усилителей, работающих в импульсном режиме, является их быстродействие, которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Задержка срабатывания (время задержки выходного импульса) ОУ общего применения составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения—доли микросекунды.

Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, предназначенные непосредственно для импульсного режима работы и получившие общее название «компараторы». Задержка срабатывания таких микросхем составляет менее 1 мкс, а время нарастания — сотые доли микросекунды. Более высокое быстродействие достигается, в частности, за счет уменьшения τ_βинтегральных транзисторов и исключения режима их насыщения в схеме ОУ.