Компараторы

Широкое применение для построения релейных (пороговых) усилителей нашли операционные усилители (ОУ), которые в этих устройствах работает на нелинейных участках характеристики (участках насыщения). Выходное напряжение ОУ может принимать одно из двух значений: U⁺_вых.max или U^-_вых.max. Это связано с тем, что уровни входных напряжений релейных усилителей намного превышают максимальное входное напряжение, при котором ОУ может работать в режиме усиления.

Напомним, что максимальное входное напряжение (разность между напряжением на прямом входе U_пр и на инвертирующем входе U_инв), при котором ОУ может работать в режиме усиления, составляет сотые доли милливольт, поэтому при анализе схем, построенных на ОУ, работающем в линейном режиме, входное напряжение ОУ считают равным нулю.

Если напряжение на входе ОУ выходит за пределы максимального (которое можно считать равным нулю), то ОУ переходит в режим насыщения и выходное напряжение принимает одно из двух значений: U⁺_вых.max или U^-_вых.max, - величина которых определяется величиной напряжений источников питания +Е_п и –Е_п. Таким образом, напряжение на выходе ОУ будет равно U⁺_вых.max, если U_пр - U_инв > 0 и U^-_вых.max, если U_пр - U_инв < 0.

На рис. 9.1 представлены типовые схемы применения ОУ в качестве порогового усилителя (компаратора). На рис. 9.1, а показан инвертирующий компаратор, на прямой вход которого подано опорное напряжение U_оп, а на инвертирующий вход – входное напряжение U_вх. Пока напряжение на инвертирующем входе U_вх меньше, чем на прямом входе U_оп (U_пр - U_инв > 0), на выходе ОУ сохраняется максимальное положительное напряжение U⁺_вых.max. Когда напряжение на инвертирующем входе U_вх сравняется с опорным и станет чуть больше (U_пр - U_инв < 0), выходное напряжение ОУ изменит знак и станет равным U^-_вых.max. Дальнейшее увеличение входного напряжения не изменит состояния ОУ. Таким образом, состояние ОУ зависит от соотношения входного и опорного напряжений. Изменяя опорное напряжение можно менять порог срабатывания компаратора.

На рис. 9.1, б показаны схема и передаточная характеристика неинвертирующего компаратора. Здесь соотношению U_вх – U_оп < 0 соответствует соотношение U_пр - U_инв < 0 и в этом случае выходное напряжение ОУ равно U^-_вых.max. При увеличении входного напряжения сверх U_оп соотношение между U_пр и U_инв ОУ меняется на противоположное U_пр - U_инв > 0 и выходное напряжение становится равным U⁺_вых.max.

Широкое применение получили также компараторы, в которых ОУ охвачен положительной обратной связью (рис. 9.2, а). Такой компаратор обладает характеристикой с гистерезисом (рис. 9.2, б). Схема известна под названием триггер Шмитта.

Переключение схемы в состояние U^-_вых.max происходит при достижении входным напряжениемU_вх напряжения порога срабатывания U_ср, а возвращается в исходное состояние U⁺_вых.max – при снижении U_вх до напряжения порога отпускания U_отп.

Значения пороговых напряжений найдем, учитывая, что переключение схемы происходит, когда U_пр - U_инв = 0

откуда ширина зоны гистерезиса

.

Важнейшим показателем операционных усилителей, работающих в импульсном режиме, является их быстродействие, которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Задержка срабатывания (время задержки выходного импульса) ОУ общего применения составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения – доли микросекунды.

Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, предназначенные непосредственно для импульсного режима работы и получившие общее название “компараторы”.