7.5. Компараторів

Компаратором називається пристрій, що дозволяє здійснити порівняння вимірюваної вхідної напруги з опорною напругою . Алгоритм роботи компаратора описується виразами:

якщо < _

якщо > .

Проста схема компаратора і його передавальна характеристика представлені на малюнку 7.26.

Унаслідок великого коефіцієнта посилення ОУ на його виході виходить послідовність практично прямокутних імпульсів, причому положення моментів перемикання відповідає рівності = . Якщо входи ОУ поміняти місцями, то поміняє знак. Вхідні діоди служать для захисту ОУ від великої диференціальної вхідної напруги. Вихідна напруга компаратора може бути використане для управління яким-небудь пристроєм, наприклад, широко-імпульсним модулятором. При =0 отримаємо так званий нуль-індикатор або детектор нульового рівня.

Із-за кінцевого значення коефіцієнта посилення компаратора можливе плавне наростання (малюнок 7.27а).

Якщо плавне спрацьовування небажане, то застосовують компаратор на основі ОУ з ланцюгом ПОС (малюнок 7.27б). Якщо опорна напруга не подається, то такий компаратор називають ще трігером Шмітта. Як видно з малюнка 7.27в, такий компаратор володіє гістерезисом, що пояснюється наявністю ланцюга ПОС. Перемикання схеми в стан відбувається при досягненні вхідною напругою рівня спрацьовування а повернення

у початковий стан - при зниженні вхідної напруги до рівня відпуску . Значення вхідної порогової напруги і ширина зони гістерезису визначаються по формулах:

,

,

.

Пороги спрацьовування роблять схему нечутливою до шумів, які завжди присутні у вхідному сигналі, і тим самим виключають непотрібні перемикання під дією шумів, тобто усувають так званий "брязкіт" контактів.

Найважливішим показником ОУ у разі його використання як компаратор є швидкодія, що оцінюється затримкою спрацьовування і часом наростання вихідної напруги. Кращою швидкодією володіють спеціальні ІМС компараторів. Підвищена швидкодія в них досягається використанням СВЧ-транзисторов і виключенням режиму їх насичення. Детальніше компаратори описані в [12,14].

7.6. Генераторів

Генератором називається автоколивальна структура, в якій енергія джерела живлення перетвориться в енергію електричних автоколивань. Розрізняють генератори синусоїдальних (гармонійних) коливань і генератори сигналів спеціальної форми (прямокутною, трикутною і так далі)

Узагальнена макромодель генератора приведена на малюнку 7.28 і є підсилювальним каскадом, охопленим ланцюгом ПОС.

Для виникнення коливань в даній системі необхідне виконання умови балансу амплітуд і балансу фаз:

,

,

де і - фазові зрушення, що вносяться підсилювачем і ланцюгом ОС відповідно, n - ціле число.

Для отримання на виході генератора синусоїдальної напруги досить, щоб дані умови виконувалися тільки на одній частоті.

Існує велика кількість схемних реалізацій генераторів, тому обмежимося розглядом генераторів на основі ОУ, як найбільш відповідним змісту курсу АЕУ. На малюнку 7.29 приведені різні варіанти схем генераторів гармонійних коливань на ОУ.

У схемі LC-автогенератора (малюнок 7.29а) баланс фаз забезпечується наявністю ПОС, що вводиться за допомогою резисторів і баланс амплітуд досягається вибором номіналів резисторів і по умові

.

Тут під До мається на увазі масштабний коефіцієнт посилення, рівний

,

де - опір контура на частоті резонансу.

Частота резонансу визначається елементами LC-контура і розраховується по відомій формулі

.

Можна уникнути застосування индуктивностей, використовуючи селективні RC-цепи. Найбільше застосування отримав так званий фазуючий RC-цепь, включений в схемі RC-генератора (малюнок 7.29б) між виходом і неінвертуючим входом ОУ. На частоті генерації фазове зрушення =0 і виконується умова балансу фаз, для виконання балансу амплітуд необхідно компенсувати загасання, що вноситься фазуючим ланцюгом на частоті генерації, тобто виконати умову

,

де - загасання, що вноситься фазуючим ланцюгом.

Щоб генерувати коливання складної форми, слід виконати нерівність як умова генерації багаточастотних коливань. Воно легко реалізується.

У схемі RC-автогенератора з електронною перебудовою частоти (малюнок 7.29г) як керовані опори використовується здвоєний ПТ, у якого опір каналу є лінійною функцією напруги, що управляє . Очевидно, що при зміні відбувається електронна перебудова частоти. Якщо як напруга, що управляє, використовувати низькочастотне коливання, то за законом зміни амплітуди цього коливання змінюватиметься частота автогенератора, тобто здійснюватися частотна модуляція.

Важливим параметром автогенераторів є температурна нестабільність частоти, яка в звичайних LC-генераторах досягає порядку ( )% на у RC-генераторах - приблизно на порядок нижче. Набагато кращі показники стабільності частоти забезпечують кварцеві автогенератори (малюнок 7.29в). Тут кварц використовується як еквівалентна індуктивність, створююча з ємністю З послідовний коливальний контур, що має на частоті резонансу мінімальний опір. На частоті резонансу ПОС досягає максимуму, і виникає генерація. Для стабілізації режиму ОУ охоплений глибокою ООС по постійній напрузі, яка, в цілях виконання умови балансу амплітуд, усувається на частоті генерації конденсатором ємкість якого вибирається з умови

.

У термостатованих кварцевих генераторах досягається нестабільність частоти порядку % на .

Для стабілізації амплітуди коливань, що генеруються, в ланцюгах ООС генераторів використовують нелінійні елементи, наприклад, діоди (малюнок 7.29 д), або АРУ, наприклад, на ПТ (малюнок 7.29е).

Принцип побудови генераторів прямокутних коливань розглянемо на прикладі симетричного мультивібратора на ОУ (малюнок 7.30).

Режим генерации здесь обеспечивается путем подключения к инвертирующему входу ОУ времязадающей цепи ООС ( и ). Предположим, что в начальный момент времени на инвертирующем входе ОУ присутствует большее положительное напряжение, чем на неинвертирующем. Тогда на выходе ОУ появится отрицательное напряжение , которое, благодаря цепи ПОС ( и ), имеет нарастающий характер. Этим отрицательным теперь будет заряжаться через . Процесс заряда будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на инвертирующем входе ОУ станет более отрицательным, чем на ее неинвертирующем входе. Теперь на выходе ОУ появляется положительное , форсированно нарастающее под действием ПОС. Таким образом, на выходе ОУ будет формироваться последовательность симметричных двуполярных прямоугольных импульсов типа "меандр". Времена длительности импульса и паузы в таком мультивибраторе равны

.

Детальніше генератори на ІМС описані в [12].