Импульсный режим операционных усилителей. Компараторы. Триггеры Шмитта.

В импульсном режиме входной сигнал ОУ имеет амплитуду, выводящую ОУ из линейной области амплитудной характеристики. Выходное напряжение ОУ определяется предельным значением выходного напряжения + U_вых.max или – U_вых.max = U_вых.min. Рассмотрим некоторые схемы импульсных устройств на ОУ.

Компаратор представляет собой устройство для сравнения двух напряжений, одно из которых подается на инвертирующий, а другое — на неинвертирующий вход усилителя — рис. 4.10. Как правило, одно из напряжений является опорным, а второе — измеряемым. Благодаря большому усилению, компаратор переключается при очень малой разности входных напряжений:

при

при

Входные сигналы подаются на входы ОУ непосредственно, если значение U_вх не превышает номинальных значений допустимого напряжения на входе данного ОУ (рис.4.10 б), в противном случае входные сигналы подаются через делители напряжения (рис.4.10 в). В компараторах ОУ используются без образования обратных связей, поэтому коэффициенты усиления достигают очень больших значений: 10⁵–10⁶.

В том случае, когда необходимо сравнить два напряжения различной полярности, используется схема по рис. 4.11. В этой схеме оба напряжения подаются на один вход ОУ. Компаратор срабатывает при равенстве нулю потенциала точки А. При этом . Благодаря включению диодов, потенциал точки A не превышает ±0,6 В (падение напряжения на диоде в прямом направлении), чем обеспечивается защита входных цепей ОУ от перегрузки при сравнении высоких напряжений.

Компараторы выпускаются в виде специализированных интегральных микросхем, например. К597СА1; 531СА1, СА2, САЗ; К554СА1–СА4.

Триггер Шмитта. Вообще — триггер — это устройство, с двумя устойчивыми состояниями. Триггер Шмитта представляет собой компаратор, уровни включения и выключения, которого не совпадают. Разницу в уровнях называют гистерезисом. Триггер Шмитта строится на двух транзисторных каскадах усиления, охваченных положительной обратной связью или на ОУ, охваченного положительной обратной связью. На рис.4.12 показано общее условное обозначение триггера Шмитта.

Инвертирующий триггер Шмитта на ОУ реализуется по схеме рис.4.13. Если к инвертирующему входу приложено достаточно большое входное напряжение отрицательной полярности, то . При этом напряжение прямого (неинвертирующего) входа будет равно:

Если увеличивать U_вх, то U_вых, не изменит свое значение до тех пор, пока U_вх не станет меньше величины напряжения выключения. При , выходное напряжение за счет положительной обратной связи скачком изменится на – U_вых.max. На прямом входе напряжение станет равным величине

Гистерезис триггера Шмитта определяется разностью U_выкл и U_вкл:

Для того чтобы триггер имел два устойчивых состояния, необходимо выполнить условие

Неинвертирующий триггер Шмитта на ОУ показан на рис. 4.14. В этом триггере входной сигнал и сигнал положительной обратной связи подаются на неинвертирующий вход. Значения уровней включения и выключения:

Уровни срабатывания триггера Шмитта можно сделать регулируемыми, например, включив в схеме рис.4.13 последовательно с резистором регулируемый источник напряжения U_оп.

Важным показателем триггера Шмитта является его быстродействие. Обычно оно мало ввиду большого усиления ОУ. Лучшим быстродействием обладают специализированные микросхемы триггеров Шмитта, имеющиеся в целом ряде серий аналоговых и цифровых интегральных схем: не более 1 мкс. Поэтому основная область применения триггеров Шмитта — формирование прямоугольных сигналов из входных сигналов не прямоугольной формы — рис. 4.15.