Импульсные схемы на операционных усилителях

Кроме аналоговых устройств, рассмотренных в главе (ФФФ), на операционном усилителе (ОУ) можно построить и целый ряд импульсных схем. Рассмотрим наиболее известные из них.

6.4.1. Компаратор напряжения.Компаратором называется устройство, предназначенное для сравнения напряжений нескольких уровней и формирование на выходе сигнала двух уровней, отвечающих условиям или . Наиболее просто такое устройство построить на основе ОУ.

Допустим, что в ОУ выполняется условие: . Рассмотрим для этого случая работу ОУ при значениях входного сигнала, превышающего величину , где - коэффициент усиления усилителя. Предположим, что на входе усилителя действует напряжение

а)	б)
в)

Рис.6.14. Схема безгистерезисного инвертирующего компаратора а), его передаточная характеристика б) и временные диаграммы, поясняющие его работу в).

Согласно передаточной характеристике выходное напряжение ОУ не может превышать значения . Поэтому на интервалах, когда входное напряжение ОУ не превышает значение (интервалы и т.д.), он работает как инвертирующий усилитель. В противном случае :

(6.16)

его выходное напряжение остается постоянным, равным своему максимальному значению. Чем больше амплитуда входного сигнала , тем меньше интервалы и выходное напряжение ближе к прямоугольному. Можно полагать, что если выходное напряжение положительно, то входное отрицательно и наоборот. Такую схему принято называть детектором нуля, так как она осуществляет сравнение входного напряжения с уровнем нуля.

Если на вход схемы подать сумму нескольких сигналов, то результат будет отвечать условиям или . Если же неинвертирующий вход усилителя подключить к общей шине через дополнительный источник эталонного напряжения (рис.6.15), выходной сигнал устройства будет отвечать условиям или , то есть схемы будет сравнивать входные напряжения с напряжением . Такой компаратор называется однопороговым.

Рис.6.15. Схема однопорогового компаратора напряжения а) и его передаточная характеристика б).

Следует отметить, что работа устройства не изменится, если входы усилителя поменять местами. В этом случае передаточная характеристика ОУ переместится в 1 и 3 квадранты, и мы будем иметь неинвертирующий компаратор напряжения.

Недостатком рассмотренного устройства является наличие некоторых зон неоднозначности (интервалы и т.д.), на которых выходной сигнал устройства не определен. Это накладывает ограничение на соотношение собственного коэффициента усиления усилителя и амплитуду входного сигнала (условие 6.16). К тому же если на входе компаратора кроме основного напряжения действует некоторая высокочастотная помеха, появляется неоднозначность в определении уровней напряжения. На выходе компаратора формируются последовательности импульсов (рис.6.16), что в ряде случаев недопустимо.

Рис.6.16. Временные диаграммы работы неинвертирующего однопорогового компаратора.

От данных недостатков свободны, так называемые, гистерезисные (регенеративные) компараторы, содержащие цепь ПОС (рис 6.17).

а)	б)
в)

Рис.6.17. Схема гистерезисного компаратора а), его передаточная характеристика б) и временные диаграммы, поясняющие его работу в).

Допустим, что в некоторый момент времени выходное напряжение усилителя положительно ( ). Тогда на неинвертирующем входе ОУ так же присутствует положительное напряжение, формируемое делителем, образованным резисторами цепи ПОС . Фактически получаем схему однопорогового компаратора при положительном напряжении источника (см. рис.6.15). Если входное напряжение превышает этот уровень, на выходе ОУ формируется отрицательное напряжение ( ). Одновременно изменяется полярность напряжения и на неинвертирующем входе ОУ и схема превращается в однопороговый компаратор с отрицательным эталонным источником . Для обратного переключения входное напряжение должно упасть ниже этого уровня. Таким образом, ведение цепи ПОС позволяет изменять полярность эталонного источника в зависимости от выходного напряжения ОУ. То есть имеем различные уровни напряжений срабатывания и отпускания компаратора. Передаточная характеристика становится не однозначной (гистерезисной).

Заметим, что в схеме гистерезисного компаратора так же можно использовать дополнительные источники эталонного напряжения, что, как и в случае однопороговых компараторов, позволяет сместить его передаточную характеристику (рис.6.18).

а)

б)

Рис.6.18.Схема гистерезисного компаратора напряжения с дополнительным источником эталонного напряжения а) и его передаточная характеристика б).