4.3.2. Детектор пересечения нуля

Компаратор можно использовать для преобразования гармонических колебаний в симметричные прямоугольные. Такое преобразование может выполнить схема, называемая нуль-органом, или детектором пересечения нуля. На Рис. 7 представлена схема нуль-органа на компараторе с однополярным питанием и выходом с открытым коллектором.

Рис. 7. Схема нуль-органа

Делитель напряжения R4, R5 устанавливает опорное напряжение V1 на неинвертирующем входе. Если выбрать R1 + R2 = R5 (при R3= R4), то условие переключения компаратора Vx = V2 будет удовлетворено при V_IN = 0 . Сопротивление резистора положительной обратной связи R6 выбирается очень большим по сравнению с R5 (R6 = 2000R5), для того, чтобы гистерезис переходной характеристики компаратора был малым, обычно AV1 < 10 мВ. В то же время наличие даже столь малого гистерезиса заметно ускоряет переключение компаратора. Диод VD включен для того, чтобы потенциал инвертирующего входа компаратора никогда не опускался ниже -0.1 В. При отрицательном напряжении на входе диод смещается в прямом направлении. Тогда напряжение в точке соединения резисторов R1 и R2 приблизительно будет равно -0.7 В.

Сравнение напряжений противоположной полярности

Схема компаратора, приведенная на Рис. 8, сравнивает абсолютные величины двух напряжений, имеющих противоположные полярности.

Рис. 8 Схема сравнения абсолютных величин

напряжений, имеющих противоположные полярности

Схема сравнения абсолютных величин напряжений, имеющих противоположные полярности Результирующее напряжение Vn на инвертирующем входе компаратора определяется cоотношением

что при Rt = R2 дает Vn = (Vin1 + Vin2)/2.

Транзистор VT в диодном включении защищает вход компаратора от отрицательных перенапряжений, что требуется в случае, если компаратор имеет однополярное питание. Если необходимо, небольшой гистерезис переходной характеристики компаратора может быть получен методами, рассмотренными выше. Выходное напряжение схемы принимает высокий уровень (Vout = Vs) в том случае, если положительное напряжение по абсолютной величине меньше отрицательного.

Мультивибраторы

Автоколебательный мультивибратор

На Рис. 9а представлена схема генератора прямоугольных сигналов (мультивибратора) на компараторе с однополярным питанием и выходом с открытым коллектором, использующая минимум компонентов.

Рис. 9. Простейший автоколебательный мультивибратор.

а — схема, б — временные диаграммы

Выходная частота определяется постоянной времени RtCt, а ширина петли гистерезиса устанавливается отношением сопротивлений резисторов R1 R2 и К3. Считаем, что Rc<<R3. Максимальная частота ограничена только задержкой переключения компаратора и емкостью нагрузки, которая снижает скорость нарастания выходного напряжения.

При анализе этой схемы предположим, что в первый момент после включения напряжения питания Vs, конденсатор Ct разряжен, а выходное напряжение имеет высокий уровень (напомним, что для этого необходимо, чтобы напряжение на инвертирующем входе было бы равно или меньше, чем на неинвертирующем). Напряжение на неинвертирующем входе Vp в таком случае равно

Если Ri = R2 = R3, тогда

Когда конденсатор Q зарядится через резистор Rt до напряжения, равного Кь выход компаратора переключится. При 0 значение Vp уменьшится до величины

. (4.6)

Конденсатор Ct теперь начнет разряжаться. Когда напряжение на конденсаторе уменьшится до значения, равного К2, напряжения на выходе компаратора и на неинвертирующем входе вернутся к прежним значениям V_OUT = V_S ; Vp = V₁) и весь цикл повторится снова. Для приведенной схемы при условии R₁ = R₂ = R₃ и учитывая, что времена заряда и разряда Ct в установившемся режиме примерно равны (t₁ = t₂ ~ 0.57), можно найти период колебаний Т из уравнения

Решение этого уравнения относительно Т с учетом того, что V1 = 2V2, имеет вид

Т = 1.388RtСt (4.8)