3.8 Гістерезис
Існує стандартний спосіб зображення характеристик компаратора на одному графіку. Відкладаючи Евх по осі абсцис, a Uвих по осі ординат, ми одержимо характеристику вхід - вихід по напрузі (рис. 3.22). При Евх меншій, ніж Uпв, Uвих=+Uнac. Вертикальна лінія а показує зміну Uвих від +Uнac до -Uнac при збільшенні Евх понад Unв. Вертикальна лінія б показує, як Uвих змінюється від -Uнac до +Uнac, коли Евх стає меншою за напругу Unв. Різниця між напругами Unв і Unн називається напругою гістерезису Uгіст [11].
Рисунок 3.22 - Графік залежності Uвих від Евх в схемі компаратора, що ілюструє утворення гістерезису
В усіх випадках, коли яка-небудь схема переходить з одного стану в інший під впливом вхідного сигналу однієї величини, а повертається в попередній стан під впливом сигналу іншої величини, про схему говорять, що вона володіє гістерезисом. Для компаратора з ДЗЗ ця різниця вхідних сигналів становить:
(3.23)
Оскільки компаратор перетворює вхідний сигнал синусоїдальної чи трикутної форми у вихідний прямокутний сигнал, його називають схемою формування (прямокутних імпульсів). Схеми з тригерною зміною вихідної напруги при проходженні Евх через граничні рівні називаються схемами типу тригера Шміта.
Обмеження вихідної напруги з одним стабілітроном
На рис. 3.23 між виходом і входом (-) ОП включений стабілітрон. Якщо Евх збуджує вхід (-) від'ємною напругою, змушуючи Uвих змінюватися в додатному напрямку, то, коли Uвих досягне напруги пробою стабілітрона Uct, стабілітрон починає проводити струм. При цьому напруга на контактах стабілітрона залишається незмінно рівною номінальному значенню Uct. На рис. 3.23 напруга пробою стабілітрона Uct = 5 В (використовується стабілітрон типу 1N5231). Диференційна вхідна напруга Ед дорівнює 0 В, так що потенціал на контакті 2 дорівнює потенціалу землі. Звідси випливає, що струм через Rвх і стабілітрон визначається значенням Евх і номіналом Rвx (оскільки струм, що споживається входом (-), є дуже малий). Контакт 2 підключений до одного з контактів стабілітрона, надаючи йому потенціал землі; інший контакт стабілітрона з'єднаний з вихідним контактом ОП, на якому при цьому підтримується напруга Uct = 5B.
Рисунок 3.23 - Схема обмеження рівня Uвих за допомогою стабілітрона
Якщо Евх змінює свою величину, то при цьому змінюється і струм через стабілітрон. Однак, як видно з рис. 3.23, стабілітрон утримує на своїх контактах майже незмінну напругу незалежно від того, якої величини струм протікає через нього. Таким чином, Ucm, а отже, і Uвих не залежать від Евх. Звідси можна зробити висновок, що при будь-яких від'ємних значеннях Евх від декількох мілівольтів до напруги від'ємного джерела живлення Uвих буде обмежено рівнем (чи прив'язано до рівня) Uct=5 В, а не +Uнac.
Напруга стабілізації стабілітрона повинна бути меншою за напругу живлення. Схема, показана на рис. 3.23, - хороше джерело опорної напруги. Будь-яке навантаження, що підключається до контакту 6 операційного підсилювача, споживає струм від ОП, а не від стабілітрона; при цьому на навантаженні буде спадати незмінна за величиною напруга.
Обмеження вихідної напруги від'ємної полярності
Якщо ми змінимо на рис. 3.23 полярність Евх на зворотну, то напрямок струму через Rвx зміниться на протилежний, як показано на рис. 3.24. При цьому стабілітрон буде зміщений у прямому напрямку і працюватиме як будь-який інший кремнієвий випростовуючий діод. Тобто, напруга на діоді залишається приблизно рівною 0,6 В незалежно від того, якої величини струм проходить через діод. Величина цього струму задається Евх/Rвх. Вхід (-) ОП підтримує один контакт цього діода під потенціалом землі, а дія діода приводить до того, що Uвих, яка знімається з іншого виходу стабілітрона, обмежена на рівні - 0.6 В, а не нарівні -Uнac.
Рисунок 3.24 - Обмеження від'ємного рівня Uвих в схемі зі стабілітроном в ланці зворотного зв'язку
Симетричне обмеження вихідної напруги
Елементи VD1 і VD2 на рис. 3.25,а — однакові за параметрами стабілітрони. Коли Евх стає додатньою, Uвих стає від'ємною. При досягненні напругою Uвих рівня - 5.3 В діод VD1 проводить у прямому напрямку, а діод VD2 зміщений у зворотному напрямку і входить у стан пробою. Оскільки контакт 2 знаходиться під потенціалом землі, сумарний спад напруги на обох стабілітронах, а отже і Uвих, обмежено рівнем -5.3 В, а не -Uнac. На рис. 3.25,б цьому стану схеми відповідає часовий інтервал від 0 до 5 мс. Коли Евх стає від'мною (інтервал від 5 до 10 мс), напруга Uвих прив'язана до рівня +5,3 В. Діод VD1 при цьому одержує від'ємний зсув, і на ньому падає напруга до 4,7 В, а діод VD2 зміщений у прямому напрямку, і спад напруги на ньому дорівнює 0.6 В.
а – схема компаратора,
б – карта сигналів схеми
Рисунок 3.25 - Симетричне обмеження виходу компаратора на рівні +5.3В
Зі сказаного випливає, що Uвих симетрично обмежена на рівнях -5.3 В і +5.3 В при додатній і від'ємній полярності напруги на вході відповідно.
Ще один спосіб обмеження вихідної напруги представлено на рис. 3.26.
а – схема компаратора,
б – карта сигналів схеми
Рисунок 3.26 - Компаратор сигналів на ОП
Контрольні запитання до теми «Операційні підсилювачі»
1. Що таке операційний підсилювач?
2. Основні функції операційного підсилювача.
3. Основні характеристики операційних підсилювачів.
4. Класифікація операційних підсилювачів.
5. Типи зворотніх зв’язків, що використовуються у схемах з ОП.
6. Для чого призначений і як працює інвертуючий підсилювач на ОП?
7. Для чого призначений і як працює неінвертуючий підсилювач на ОП?
8. Для чого призначений і як працює різницевий підсилювач на ОП?
9. Для чого призначений і як працює інструментальний підсилювач на ОП?
10. Який тип зворотного зв'язку утвориться при підключенні зовнішнього елемента між виходом та інвертуючим входом ОП?
11. Чим визначається коефіцієнт підсилення зі зворотним зв'язком — зовнішніми елементами чи операційним підсилювачем, якщо коефіцієнт підсилення ОП без 33 дуже великий?
12. Які два припущення прийняті в даному розділі при аналізі схем?
13. Що таке «Ідеальний ОП»?
14. Поясніть призначення основних контактів ОП і намалюйте його умовне позначення.
15. Які три типи корпусів використовуються зазвичай для герметизації ОП?
16. Вхід ОП диференційний чи несиметричний?
17. Чому дорівнює максимальна напруга живлення більшості ОП?
18. Який максимальний струм можна одержати з виходу ОП, не досягаючи при цьому стану його насичення?
Л Е К Ц І Я № 8
Т Е М А 4: ГЕНЕРАТОРИ СИГНАЛІВ
Генератори – це схеми, за допомогою яких енергія джерела живлення перетворюється в енергію змінних електричних коливань при відсутності зовнішнього сигналу.
Коливання на виході генератора можна отримати, охопивши звичайний підсилювач ланко позитивного зоротного зв’язку при умові балансу амплітуд та балансу фаз. У підсилювачі з додатнім зворотнім зв’язком виникають незатухаючі коливання, оскільки початкова зміна напруги на виході схеми, яка виникає за рахунок випадкових коливань на вході підсилювача, передається по ланці зворотного зв’язку на вхід, підсилюється і викликає ще більшу зміну вихідного сигналу. З наростанням амплітуди вихідних коливань робоча точка каскадів, які входять до складу підсилювачів, заходить в нелінійну область динамічних характеристик транзисторів і коефіцієнтів підсилення Ku зменшується до значення, при якому Ku·β = 1, після чого амплітуда коливань на виході схеми стає стаціонарною. Тобто, при генерації підсилювач підсилює сигнал у стільки разів, в скільки разів послаблює його ланка зворотнього зв’язку, це називається умовою балансу амплітуд.
При балансі амплітуд енергія джерела живлення через ланку додатного зворотного зв’язку компенсує втрати енергії у схемі.
У залежності від виду фазочастотної характеристики підсилювача і ланки ЗЗ умови балансу амплітуд і фаз можуть виконуватись для цілого спектру частот або для однієї частоти. У першому випадку на виході генератора будемо мати коливання складної форми, в другому - схема генеруватиме коливання синусоїдальної форми.
Виконання умов балансу фаз і амплітуд на одній частоті (частоті генерації) досягається застосуванням частотно-вибіркових елементів в схемі підсилювача або в ланці ЗЗ.
Додатній ЗЗ в генераторах буває зовнішнім і внутрішнім. Зовнішній додатній ЗЗ створюється за допомогою частотно-залежних ланок, а внутрішній виникає при роботі деяких електронних приладів у певних режимах [14].
За формою сигналів, що спостерігається на екрані осцилографа, можна виділити чотири типи найбільш відомих і використовуваних на практиці сигналів: прямокутної, трикутної, пилкоподібної і синусоїдальної форми. Генератори сигналів класифікуються відповідно до форми генерованих ними сигналів.