Компараторы

Компаратор – это электронная схема, которая сравнивает два входных напряжения и вырабатывает выходной сигнал, зависящий от состояния входов. Базовая принципиальная схема компаратора на ОУ показана на рис. 3.3, а. Как видим, здесь ОУ работает с разомкнутой петлей обратной связи. На один из входов подается опорное напряжение U_оп, на другой – неизвестное (сравниваемое) напряжение U_вх. Выходной сигнал компаратора указывает, выше или ниже уровня опорного напряжения находится уровень неизвестного сигнала.

Рис. 3.3. Работа компаратора:

а – принципиальная схема; б – выходная характеристика

В схеме на рис. 3.3, а опорное напряжение U_оп подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующий вход подается неизвестный входной сигнал U_вх. При U_вх>U_оп на выходе компаратора устанавливается напряжение U_вых= –U_s (отрицательное напряжение насыщения). В противоположном случае (U_вх<U_оп) получаем U_вых=+U_s. Можно поменять местами входы – это приведет к инверсии выходного сигнала. На рис. 3.3, б представлена выходная характеристика рассмотренного компаратора.

Если напряжение U_вх на входе компаратора содержит шумовую составляющую, то выходное напряжениеU_выхбудет очень быстро флуктуировать между уровнями +U_sи–U_s. Исключить такие флуктуации можно путем создания в компараторе цепи положительной обратной связи, при которой часть выходного напряжения подается на неинвертирующий вход. Принципиальная схема компаратора с гистерезисом показана на рис. 3.4,а. Делитель напряжения на резисторахR₁, R₂обеспечивает создание положительной обратной связи, напряжение которой снимается сR₁и подается на неинвертирующий вход ОУ. Сопротивление резистораR₃равняется параллельно соединенным резисторамR₁иR₂.При высоком уровне выходного напряжения резисторR₂ передает с выхода на вход напряжение, которое суммируется с опорным. В этом случае опорное напряжение возрастает на величину ΔU_оп= (U_s – U_оп) R₁ /(R₁ +R₂).

Рис. 3.4. Работа компаратора с гистерезисом:

а – принципиальная схема; б – выходная характеристика

Таким образом, получаем новое (большее) значение опорного напряжения U_оп+=U_оп+ΔU_оп. В результате компаратор будет переключаться (из состояния с высоким уровнем выходного напряжения) при новом значении U_вх, превышающем U_оп на величину положительного напряжения обратной связи, поступающего с выхода компаратора. Как только входное напряжение U_вх превысит новое опорное напряжение U_оп+ΔU_оп, выходное напряжение компаратора начнет уменьшаться. Это уменьшение через резистор R₂ передастся на неинвертирующий вход, и напряжение на нем также уменьшится, стимулируя дальнейшее падение выходного напряжения. За счет положительной обратной связи этот процесс происходит лавинообразно, и компаратор быстро переключается в противоположное состояние. Поскольку на выходе компаратора теперь действует напряжение U_вых= –U_s, то на его вход по цепи обратной связи передается напряжение

ΔU_оп = (–U_s – U_оп) R₁ / (R₁+R₂). (3.3)

В этом случае устанавливается новое опорное напряжение для состояния с низким выходным уровнем:

U_оп- = U_оп –ΔU_оп. (3.4)

Передаточная характеристика, изображенная на рис. 3.4, б, иллюстрирует эффект петли гистерезиса. При введении петли положительной обратной связи составляющие шума во входном напряженииU_вх уже не могут вызвать перебросы выходного сигналаU_вых от+U_sк–U_s и обратно. Например, еслиU_вхпревысит уровеньU_оп + ΔU_опиU_выхсразу же примет значение–U_s, то для переключения компаратора обратно в исходное состояние необходимо, чтобыU_вх снизилось до значения, меньшего, чемU_оп –ΔU_оп.Ширину петли гистерезиса можно изменять, используя вместо постоянного резистораR₁потенциометр.