Лекция 10

10.1. Компараторы и триггер Шмитта

10.1.1. Простейший компаратор

Компаратор – устройство, определяющее момент равенства двух входных напряжений:

.

На временных диаграммах (рис. 10.1) приведены варианты сравнения входных сигналов. В первом случае опорное напряжение, с которым сравнивается изменяющийся во времени сигнал, постоянно: U₀ = const. Во втором случае для измерения величины U_ВХ в качестве опорного используется линейно возрастающее напряжение U₀ и в момент равенства производится считывание его значения.

Рис. 10.1. Примеры сравнения двух сигналов на компараторе

Простейшим компаратором является дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления, построенный на основе транзисторов или операционных усилителей. За счет большого коэффициента усиления такой дифференциальный усилитель при равенстве двух входных сигналов практически мгновенно переходит либо в режим насыщения (на выходе высокий потенциал ), либо в режим отсечки (на выходе высокий потенциал ). Переход в тот или иной режим определяется знаком разности входных напряжений.

Компараторы обладают малым временем задержки, высокой скоростью нарастания выходного напряжения и сравнительно высокой устойчивостью к большим перегрузкам. Ниже, на рис. 10.2, а, приведена схема простейшего компаратора с опорным напряжением U₀ = 0. Для задания 0  U₀  U используют делитель напряжения, который может быть регулируемым (рис. 10.2, б).

а б в

Рис. 10.2. Схемы (а), (б) и временные диаграммы работы простейшего компаратора (в)

Недостатком простейшего компаратора является так называемый «дребезг» (многократные переключения) из-за наличия шума в реальном входном сигнале. Избавиться от «дребезга» позволяет триггер Шмитта.

Рис. 10.3. Иллюстрация «дребезга» в простейшем компараторе

10.1.2. Триггер Шмитта

Триггер Шмитта выполняется на ОУ с положительной обратной связью (ПОС). ПОС обеспечивает быстрое однократное переключение ОУ. «Нечувствительность» схемы к шумовым выбросам достигается за счет так называемого эффекта гистерезиса, при котором состояние выхода зависит не только от входа, но и от предыдущего состояния схемы. Зона «нечувствительности» соответствует напряжению (cм. рис. 10.4) и определяется разностью между верхним и нижним порогами срабатывания триггера.

Рис. 10.4. Иллюстрация гистерезиса в триггере Шмитта

Рассмотрим схему триггера Шмитта и оценим величину . Цепью ПОС является делитель . Опорный уровень обычно задается от источника питания +U через делитель .

Рис. 10.5. Схема триггера Шмитта

Так как , а и , то .

Таким образом, определяется параметрами цепи ПОС, а также напряжением питания, от которого зависит значение . При этом, как правило, .

10.1.3. Дискретная схема компаратора

Рассматриваемая схема (рис. 10.6) – одна из простых дискретных схем компаратора, где нет жестких требований по быстродействию. Здесь Т₁ и Т₄ – эмиттерные повторители, нагрузкой которых являются Т₂ и Т₃ – транзисторы дифференциальной пары, активной нагрузкой которой служит токовое зеркало Т₅, Т₆, обеспечивающее большой коэффициент усиления дифференциального сигнала.

Рис. 10.6. Дискретная схема компаратора

Высокое значение КОСС обеспечивается источником тока в цепи питания эмиттеров дифференциального усилителя. Выходной сигнал с Т₆ усиливается усилителем с заземленным эмиттером на Т₇, нагрузкой которого служит источник тока. Компаратор имеет выход с открытым коллектором на Т₈, к которому необходимо подключать R_Н.