8.3. Підсилювачі-обмежувачі

Розглянуті детектори рівнів на АК є перетворювачами вхідної аналогової напруги у вихідні прямокутні імпульси. Проте за використання в них ОП загального призначення з розщепленим живленням вихідна напруга має фіксовані значення +U_н та -U_н, які не узгоджується з логічними рівнями цифрових ІС. Для усунення цього недоліку застосовують підсилювачі з негативним зворотним зв’язком (НЗЗ), в яких вводять обмеження меж змінювання вихідної напруги з метою прив’язки її до потрібних логічних рівнів.

Рис. 3. Підсилювач-обмежувач (а), ВАХ стабілітрона (б) та часові діаграми (в)

Підсилювач-обмежувач зі стабілітроном VD в колі НЗЗ (рис. 3,а) є інвертуючим, бо вхідний сигнал подається на інверсний вхід ОП. З надходженням від'ємної півхвилі вхідної напруги e(t) < 0 діод VD зачинений, тому коло НЗЗ розірване і ОП підсилює диференційну напругу u_д = u⁺ – u^⎺ = -e(t). Внаслідок цього вихідна напруга u = Кu_д = -Кe(t) стрімко зростає і, коли вона досягає величини зенерівського пробою стабілітрона, наприклад, U_ст = +5 В, через стабілітрон начинає протікати струм I_ст, що замикається через вхідний резистор R1, позаяк вхідний опір ОП наближається до нескінченності. З подальшим зростанням величини від'ємної вхідної напруги зростає спад напруги на резисторі R1 і струм I_ст, а напруга на стабілітроні залишається майже незмінною, на рівні U_ст (рис. 3,б). З огляду на те, що диференційна напруга u_д = -U_ст / К ≈ -100 мкВ ≈ 0, потенціал інверсного входу можна вважати рівним потенціалу прямого входу, тобто нульовим, отже, вихідна напруга обмежується на постійному рівні U_ст (рис. 3,в).

З надходженням додатної півхвилі вхідної напруги e(t) > 0 діод VD відчиняється, струм через нього протікає тепер у прямому напрямку, і на виході встановлюється напруга прямого зміщення -U_пр ≈ -0,6 В.

Таким чином, якщо напруга стабілізації стабілітрона менше напруги живлення, вихідна напруга обмежується на рівні U_ст, причому струм навантаження замикається через вихідний опір ОП, тобто навантаження не споживає струм від стабілітрона.

8.4. Аналоговий компаратор з позитивним зворотним зв’язком

На роботу АК неминуче впливають внутрішні шуми і зовнішні завади, зокрема, наводки на провідники, по яких до схеми надходять сигнали. Їх вплив проявляється під час перемикання АК, наприклад, детектора рівня (рис. 4,а). Коли вхідний сигнал e(t) перевищує рівень опорної напруги U_оп (тут U_оп = 0 В), на виході діє напруга u = -U_н, а коли e(t) < U_оп, встановлюється напруга u = +U_н. Для наочності на рис. 4,б у збільшеному масштабі зображено ділянку спадання вхідної напруги e(t), що є сумішшю корисного сигналу з шумами і наводками, під час перетинання нульового рівня в точці А. Як добре видно, вплив завад призводить до хибних спрацьовувань АК внаслідок неодноразового перетинання вхідним сигналом рівня опорної напруги. Це може спричиняти збої в роботі пристроїв, що використовують вихідний сигнал АК.

Усунути цей недолік можна за допомогою позитивного зворотного зв’язку (ПЗЗ) шляхом подачі на прямий вхід ОП частини вихідного сигналу від подільника напруги (рис. 4,в). Як і в схемі на рис. 2,б, коли e(t) < U_оп, на виході діє напруга u = +U_н (рис. 4,г), тільки тепер опорна напруга U_оп не є фіксованою, а залежить від вихідної напруги і на цій ділянці називається верхнім порогом спрацьовування: U_оп = U_п.в = +kU_н, де k = R₂ / (R₁ + R₂). Коли, в міру зростання вхідна напруга сягає величини e(t) = +kU_н, диференційна напруга стає від'ємною, тому на виході встановлюється напруга u = -U_н і опорна напруга змінюється до нижнього порогу спрацьовування: U_оп = U_п.н = -kU_н. Так само на ділянці спадання, коли вхідна напруга зменшиться до нижнього порогу спрацьовування -kU_н (точка А), відбувається перемикання вихідної і опорної напруг відповідно до +U_н та +kU_н.

Рис. 4. Вплив шуму на перемикання детектора рівня (а, б), тригер Шмітта

і його часові діаграми (в, г), петля гістерезису (д) та усунення впливу шуму (е)

Схема АК з ПЗЗ має два стійкі стани, в яких вихідна напруга залишається на рівнях -U_н та +U_н і не залежить від вхідної на ділянках між пороговими рівнями, тому в цих станах коефіцієнт К підсилення ОП дорівнює нулю. Коли ж вхідна напруга зміниться до одного з порогів спрацьовування, то диференційна напруга наблизиться до нуля, де ОП переходить на лінійну ділянку ПХ, отже, коефіцієнт підсилення ОП стає великим. При цьому виконуються умови самозбудження: баланс амплітуд (добуток K·k > 1) та баланс фаз (сума фазових зсувів у замкненому колі ПЗЗ дорівнює нулю), внаслідок чого схема тимчасово стає генератором, у ній відбувається регенеративний процес перемикання.

Розглянемо цей процес, наприклад, на ділянці спадання вхідної напруги e(t) у точці А (див. рис. 4,г). Коли, в міру зменшення величина e(t) переходить поріг біля -kU_н, потенціал прямого входу u⁺ стає спочатку менш від'ємним відносно потенціалу інверсного входу u^⎺, а відтак різниця цих потенціалів переходить через нуль і стає додатною, тобто диференційна напруга u_д = u⁺ – u^⎺ збільшується на ділянці ПХ u_д = -△u_д, 0, +△u_д (див. рис. 1,б), внаслідок чого вихідна напруга u = Кu_д змінюється від -U_н до +U_н. Проте, на відміну від звичайної схеми, в АК з ПЗЗ цей перехід від -U_н до +U_н пришвидшується стрибкоподібним регенеративним процесом перемикання: зростання диференційної напруги u_д спричиняє збільшення вихідної напруги u = Кu_д, отже, і напруги u⁺ = ku на прямому вході ОП, що у свою чергу спричиняє ще стрімкіше зростання диференційної напруги u_д і т.д. аж допоки схема не перейде до стійкого стану з вихідною напругою +U_н. При цьому коефіцієнт підсилення ОП стає рівним нулю, тому умови самозбудження вже не виконуються, схема переходить до стійкого стану.

Так само спрацьовує спусковий механізм регенеративного процесу зворотного перемикання до протилежного стійкого стану з вихідною напругою -U_н на ділянках зростання вхідної напруги до порогу +kU_н. Пристрій з двома стійкими станами є тригером, а якщо спусковий механізм його лавиноподібного перемикання спрацьовує під час проходження вхідної напруги через порогові рівні, такий пристрій називається тригером Шмітта. АК типу тригера Шмітта застосовується для перетворення вхідного аналогового сигналу у вихідні прямокутні імпульси.

Схема, яка переходить з одного стійкого стану до іншого під дією вхідного сигналу однієї величини, а повертається до попереднього стану під дією цього сигналу іншої величини, має гістерезис. Петлю гістерезису зручно відображати характеристикою залежності вихідної величини від вхідної (рис. 4,д). Стрілками показано, що під час зростання вхідної напруги перемикання відбувається при верхньому порозі спрацьовування U_п.в = +kU_н, а під час її спадання – при нижньому порозі спрацьовування U_п.н = -kU_н. Ширина петлі гістерезису, що визначається різницею між порогами, становить напругу гістерезису U_гіст = 2kU_н. Якщо напруга гістерезису перевищує розмах шумів і наводок, то завдяки ПЗЗ усуваються хибні спрацьовування АК. Дійсно, під час перетинання сумішшю корисного сигналу з шумами опорної напруги в точці А (на рис. 4,е зображено у збільшеному масштабі) одночасно з перемиканням вихідної напруги змінюється також і опорна напруга, рівень якої віддаляється від вхідного сигналу, тому повторного перемикання в околиці точки А не відбувається.