3.7 Компаратори
Компаратор – це схема для порівняння напруги сигналу на одному вході з опорною напругою на іншому її вході. В попередніх підрозділах був описаний принцип порівняння і показано, що опорна напруга може бути додатною, від'ємною чи рівною 0 В. Якщо в якості компаратора використовується ОП загального призначення, то на його виході буде встановлюватися додатна чи від'ємна напруга насичення в залежності від того, яка з вхідних напруг вища [11].
Компаратор застосовують у наступних схемах:
1. У тригері Шміта чи схемі формування сигналу, що перетворить сигнал довільної форми в прямокутний чи імпульсний сигнал;
У детекторі нуля — схемі, що показує момент і напрямок проходження вхідного сигналу через 0 В;
У детекторі рівня — схемі, що показує момент досягнення вхідною напругою даного рівня опорної напруги;
У генераторі сигналів трикутної чи прямокутної форм.
Попередній опис компаратора розглядався для того щоб показати, де може застосовуватися операційний підсилювач. Можна розширити можливості застосування і збільшити надійність основної схеми компаратора, додавши до ОП загального призначення кілька зовнішніх елементів.
Включимо в основну схему компаратора на ОП резистивне коло, що з'єднує вихідний контакт і вхід (+). Це коло є колом додатного зворотного зв'язку (ДЗЗ). Звичайно ДЗЗ веде до нестабільної роботи підсилювача. Однак, за певних умов, за допомогою контрольованого додатного зворотного зв'язку можна домогтися поліпшення характеристик основної схеми компаратора при використанні її як генератора прямокутних сигналів (мультивібратора), очікуючого мультивібратора (одновібратора) чи детектора рівня.
При застосуванні компараторів існують певні практичні зауваження. Коли конструюють реальну схему компаратора варто пам'ятати, що між фактичними характеристиками ОП і представленою вище ідеальною ситуацією є деякі розходження. По-перше, вихідна напруга Uвux не змінюється від -Uнас до +Uнас миттєво. Цей перехід відбувається за певний проміжок часу. По-друге, при нульовій диференційній вхідній напрузі Ед напруга Uвux не буде точно дорівнювати нулю. І нарешті, на виході ОП можуть постійно чи при підході Ед до 0 В виникати непередбачені коливання. Все це викликає необхідність глибше вивчити параметри ОП і те, яким чином можна звести до мінімуму розходження між їх ідеальними і реальними характеристиками.
Необхідність покращення схеми компаратора на ОП
На рис. 3.19 представлено графік напруги трикутної форми Евх, прикладеної до входу (-) операційного підсилювача. Вхід (+) з'єднаний із землею. Принцип аналізу схеми той же, що і викладений вище, а саме: коли Евх від'ємна, Uвих знаходиться на рівні +Uнас, при додатній Евх Uвих=-Uнac. У момент проходження Евх через 0 В в додатному напрямку Uвих переключається з +Uнас на рівень -Uнас, а при проходженні Евх через 0 В у від'ємному напрямку Uвих перекидається з -Uнac на рівень +Uнac (рис.3.19).
а – форма сигналу на виході схеми,
б – схема детектора нуля
Рисунок 3.19 - Детектор нуля з вхідним сигналом трикутної форми
В деяких практичних випадках Евх може дуже повільно наближатися до опорного рівня 0 В і, фактично, зупинятися поблизу нуля. При цьому напруга Uвих може або переключатися недостатньо швидко, або вона буде коливатися від одного рівня насичення до іншого. Такі коливання більш ніж ймовірні через неминучі завади, що наводяться на проводи, які підходять до вхідних контактів ОП. На рис. 3.20,а ця напруга шумів зображена для простоти у виді генератора синусоїдальних сигналів, включеного послідовно з генератором корисного сигналу Евх. На рис.3.36,б представлений графік накладених одна на одну напруга шумів і корисного сигналу, що дають у сумі напругу, прикладену до входу (-) операційного підсилювача. З цього графіка видно, як через наявність напруги шумів сумарна вхідна напруга перетинає опорний рівень 0 В в декількох точках. При кожному такому перетині Uвих змінюється, як показано на рис. 3.20, б. Таким чином, Uвих фіксує тепер проходження опорного нуля сумарною напругою, що включає в себе як Евх, так і напругу шумів. Хоч ми, імовірно, не зможемо виключити напругу шумів, однак повинні запобігти реакції вихідної напруги на помилкові перетини опорного нуля. Це досягається введенням додатного зворотного зв'язку.
а – схема детектора нуля,
б – форма сигналів на виході схеми
Рисунок 3.20 - Вплив шумів на роботу детектора нуля
Додатний зворотний зв'язок
Додатний зворотний зв'язок утворюється при подачі на неінвертуючий вхід деякої частини вихідної напруги Uвих. У схемі на рис. 3.21,а вихідна напруга Uвих поділяється між резисторами R1 і R2. Частина Uвих подається назад на вхід (+) і виконує роль змінюваної в процесі роботи опорної напруги. Напруга зворотного зв'язку буде мати різні значення, оскільки вона залежить від Uвих. Розглянемо докладно, що таке додатний зворотний зв'язок і як його можна використовувати для усунення викликаних наявністю шумів помилкових змін стану виходу схеми.
Верхня гранична напруга
У схемі рис. 3.21,а вихідна напруга Uвих поділяється між R1 і R2. Частина Uвих подається назад на вхід (+) і називається верхньою граничною чи пороговою напругою Unв. Ця напруга визначається за наступною формулою:
(3.21)
При Евх, що має значення нижче за Uпв, напруга на вході (+) буде вища, ніж напруга на вході (-). Отже, Uвих при цьому буде мати фіксоване значення + Uнac.
Якщо Евх стане більш додатною, ніж Unв, то полярність Ед, як було показано вище, зміниться і напруга Uвих почне знижуватися. Тепер величина частини Uвих, яка подається назад на вхід, буде меншою, так що Ед, стає більшою. Тому темп зменшення Uвих буде все зростати і зрештою Uвих стає рівною -Uнac (схема приходить у стійкий стан, показаний на рис. 3.21,б).
Нижня гранична напруга
Коли Uвих дорівнює -Uнас, напруга, що подається назад на вхід (+), називається нижньою граничною напругою Uпн величина якої визначається з виразу:
(3.22)
Слід звернути увагу на те, що Uпн має протилежну щодо землі полярність. Звідси випливає, що Uвих буде залишатися на рівні -Uнас доти, поки Евх буде вища чи більш додатна ніж Unн. Напруга Uвих переключиться назад у стан +Uнac, якщо Евх стане нижчою за Uпн.
а – робота схеми при +Uнас,
б - робота схеми при -Uнас
Рисунок 3.21 - Робота компаратора з додатнім зворотнім зв'язком
Ми встановили, що додатний зворотний зв'язок створює ефект спускового механізму, прискорюючи переключення Uвих з одного стану в інший. Як тільки Uвих починає змінюватися, виникає регенеративний зворотний зв'язок, що змушує Uвих змінюватися ще швидше. Якщо граничні напруги перевищують по величині амплітуду шумів, то додатний зворотний зв'язок не допустить помилкових спрацьовувань виходу схеми.