Компаратор (схема порівняння)

Компаратор – це елемент порівняння, який широко застосовується в системах контролю та автоматичного керування і відноситься до елементів імпульсної техніки. Компаратор, виконаний на базі ОП (рис. 6.5.а), порівнює змінну напругу , яка подається на один із входів (переважно на інвертуючий) із опорною напругою (наперед заданою) , яка подана на інший вхід. Опорна напруга є незмінною в часі, додатної чи від’ємної полярності. Коли вихідна напруга ОП змінює свій знак на протилежний. Тому компаратор ще має назву "нуль-орган", оскільки зміна полярності вихідної напруги відбувається в момент коли .

а) б)

Рис. 6.5. Схема компаратора (а) та його часові діаграми (б)

Оскільки вхідна напруга подається на інвертуючий вхід, то полярність вихідної напруги буде протилежною до полярності напруги на вході ОП.

Напруга на інвертуючому вході ОП для випадку сигналів, наведених на рис. 6.5.б, визначається наступним чином:

.

До моменту часу від 0 до (рис. 6.5.б) (оскільки ), тому вихідна напруга компаратора . В проміжку часу від до вхідна напруга компаратора , тому .

В реальних пристроях для того, щоб перевести ОП з одного насиченого стану в протилежний, при якому вихідна напруга зміниться на , різниця вхідних напруг повинна рівнятися . Нехай , . Отже має бути . Таким чином, як тільки різниця між вхідними напругами і стане більшою за 2 мВ, ОП перемкнеться з одного насиченого стану в протилежний. Перемикання компаратора буде сигналом того, що напруги, які подаються на вхід, рівні між собою з точністю . Чим більший коефіцієнт ОП, тим більш чутливим (прецизійним) буде компаратор. Таким чином, компаратор застосовується для порівняння напруг, що подаються на його входи.

Інвертуючий та неінвертуючий підсилювач

В схемах інвертуючих підсилювачів від’ємний зворотний зв’язок реалізується через опір з виходу на інвертуючий вхід ОП (рис. 6.6.а). Наявність такого зв’язку призводить до того, що завжди у стані рівноваги . Тоді, за другим законом Кірхгофа,

, . (1)

а) б)

Рис. 6.6. Схеми інвертуючого (а) та неінвертуючого (б) підсилювачів

Оскільки вхідний опір операційного підсилювача дуже великий, струм I_ОП=0, а отже і напруга на вході операційного підсилювача . Враховуючи це, з рівняння (1) виводимо співвідношення для струмів:

, .

За першим законом Кірхгофа запишемо для струмів:

.

Враховуючи, що , вхідний струм буде визначатися як , а отже

.

З останнього виразу знаходимо коефіцієнт підсилення за напругою інвертуючого підсилювача

,

де – коефіцієнт передачі кола зворотного зв’язку інвертуючого підсилювача. Необхідно відзначити, що коефіцієнт підсилення ОП зі зворотним зв’язком не залежить від частоти вхідного сигналу.

В схемах неінвертуючих підсилювачів вхідний сигнал подається на неінвертуючий вхід ОП, вихідна напруга має той же знак, що і вхідна, а зворотний зв’язок забезпечується через елемент з виходу на інвертуючий вхід ОП (рис. 6.6.б).

В цьому випадку другий закон Кірхгофа має вигляд

.

Тоді, враховуючи, що , а отже напруга , отримаємо наступне співвідношення для напруг

.

Коефіцієнт передачі ланки зворотного зв’язку неінвертуючого ОП:

.

Коефіцієнт підсилення неінвертуючого підсилювача буде визначатись як

.

Таким чином, коефіцієнти підсилення масштабного інвертуючого та неінвертуючого підсилювачів не залежать від частоти вхідного сигналу, а визначаються лише параметрами елементів ланки зворотного зв’язку.