Простейшие компараторы на операционных усилителях

В описанных выше схемах в зависимости от характера управляющего сигнала осуществлялась коммутация входного сигнала или запоминание последнего. Еще одну разновидность аналоговых коммутаторов представляют компараторы. Они осуществляют переключение уровня выходного напряжения, когда непрерывно изменяющийся во времени входной сигнал становится выше или ниже определенного уровня.

Рис. 14.5. Простейшая схема компаратора

Если включить операционный усилитель без обратной связи, как показано на рис. 14.5, то он будет представлять собой компаратор. Его выходное напряжение составляет:

(14.1)

Передаточная характеристика такого компаратора изображена на рис. 14.6. Благодаря высокому коэффициенту усиления схема переключается при очень малой величине разности напряжений U₁ – U₂, поэтому она пригодна для сравнения двух напряжений с высокой точностью.

Рис. 14.6. Передаточная характеристика компаратора

При смене знака разности входных потенциалов выходное напряжение не может мгновенно перейти из одного уровня насыщения к другому, так как величина скорости нарастания операционного усилителя ограничена. Для стандартного частотно-скорректированного операционного усилителя она составляет около 1 В/мкс. Переход с уровня –12 В на уровень + 12В длится, таким образом, 24 мкс. Вследствие конечного времени восстановления операционного усилителя при его выходе из состояния насыщения задержка переключения компаратора еще увеличивается.

Так как в рассматриваемой схеме операционный усилитель не охвачен обратной связью и не нуждается в частотной коррекции, скорость нарастания увеличивается, и время восстановления уменьшается, по меньшей мере, в 20 раз.

Описанный компаратор имеет ограниченный диапазон входных напряжений. Если требуется сравнивать большие величины входных напряжений, можно воспользоваться схемой, приведенной на рис. 14.7.

Рис. 14.7. Суммирующий компаратор

Компаратор срабатывает при переходе величины U_P через нуль. При этом U₁ / R₁ = –U₂ / R₂ .

Таким образом, сравниваемые напряжения должны иметь противоположные знаки. Эту схему можно функционально расширить, если к неинвертирующему входу компаратора подключить еще несколько резисторов. При этом компаратор будет срабатывать, когда приведенная к неинвертирующему входу алгебраическая сумма входных напряжений будет больше или меньше нуля. Благодаря включению диодов напряжение на неинвертирующем входе компаратора не может превысить ± 0,6 В.

Компаратор с прецизионным входным напряжением. Для многих случаев применения необходимы компараторы, выходное напряжение которых принимает два фиксированных с высокой точностью значения U_МИН и.U_МАКС Наиболее точный и простой способ выполнения этого условия состоит в применении аналогового коммутатора, управляемого входным напряжением обычного компаратора.

При низких частотах переключения эта задача может быть также решена соответствующим включением частотно-скорректированного операционного усилителя (рис. 14.8).

Рис. 14.8. ОУ в качестве компаратора с прецизионным выходным напряжением

Схема представляет собой разновидность компаратора, изображенного на рис. 14.5. Когда выходное напряжение достигает значения ±(U_Z + 0,6В), операционный усилитель оказывается охваченным отрицательной обратной связью через цепочку стабилитронов. При этом дальнейший рост выходного напряжения прекращается. Кроме того, так как операционный усилитель не насыщается, из общего времени задержки срабатывания исключается время восстановления усилителя.

Двухпороговый компаратор фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя заданными пороговыми напряжениями или вне этого диапазона. Для реализации такой функции выходные сигналы двух компараторов необходимо подвергнуть, как показано на рис. 14.9, операции логического умножения.

Для такой цели лучше всего подходит компаратор типа IС NE 521, так как эта ИС имеет в одном корпусе кроме двух идентичных компараторов с преобразователями уровня сигнала еще два логических элемента И-НЕ. Как показано на рис. 14.10, на выходе логического элемента единичный уровень сигнала будет иметь место тогда, когда выполняется условие: U₁<U_ВХ<U₂, так как в этом случае на выходах обоих компараторов будут единичные логические уровни.

Рис. 14.10. Двухпороговый компаратор

Рис. 14.10 - Временные диаграммы работы двухпорогового компаратора

Триггер Шмитта

Триггер Шмитта функционально является компаратором, уровни включения и выключения которого не совпадают, как у обычного компаратора, а различаются на величину, называемую гистерезисом переключения U_Г. В данном разделе рассматривается несколько примеров использования интегральных компараторов в качестве триггера Шмитта. Простейшая схема компаратора, представленная на рис. 14.5, имеет два недостатка. При медленно изменяющемся входном сигнале напряжение на выходе также может изменяться достаточно медленно. Более того, если во входном сигнале присутствует шум, то на выходе может происходить дребезг в те моменты, когда напряжение на входе проходит через точку переключения (рис. 14.11). Оба недостатка позволяет устранить положительная обратная связь (рис. 14.12).

Рис. 14.11. Переключение компаратора без обратной связи

Инвертирующий триггер Шмита. В схеме триггера Шмитта, представленной на рис. 14.12, гистерезис переключения достигается тем, что компаратор охватывается положительной обратной связью через делитель напряжения R₁R₂. Если к инвертирующему входу приложено большое отрицательное напряжение – U_ВХ, то выходное напряжение компаратора составит U_ВЫХ=U_{ВЫХмакс}. На неинвертирующем входе потенциал будет составлять:

U_{Н макс} = U_{ВЫХ макс} ·R₁ / (R₁ + R₂).

Рисунок 14.12 - Инвертирующий триггер Шмита

При повышении входного напряжения U_ВХ, величина выходного напряжения U_ВЫХ сначала не меняется. Но как только U_ВХ достигает значения U_Нмакс, выходное напряжение начинает падать, а вместе с ним снижается и потенциал на неинвертирующем входе U_Н. Благодаря действию этой положительной обратной связи U_ВЫХ скачком падает до величины U_ВЫХмин, а потенциал U_Н будет достаточно большой отрицательной величиной, и достигнутое состояние – стабильным. Теперь выходное напряжение изменится опять до значения U_{ВЫХмакс} только тогда, когда входное напряжение U_ВХ достигнет значения U_Нмакс. Передаточная характеристика и временные диаграммы, соответствующая такой схеме триггера Шмитта, представлены на рис. 14.13 и 14.14.