6.1.4 Компаратор напряжения на основе операционного усилителя
Компаратор – это устройство для сравнения напряжений по уровню. Промышленность выпускает специализированные микросхемы компараторов. Однако во многих случаях в качестве компаратора возможно применение ОУ.
Наиболее часто используется схема на рис. 6.6, а. В схеме нет обратной связи, на входах ОУ установлены резисторы, которые выполняют защитную функцию, ограничивая входной ток при больших входных напряжениях.
На входы компаратора подаются два сравниваемые по уровню напряжения, одно из которых называется входным , а другое опорным . Опорное напряжение обычно задается постоянным (положительным или отрицательным), например, с помощью стабилизатора напряжения, а входное изменяется во времени.
|
|
|
а) |
б) |
в)
|
Рисунок 6.6 – Компаратор напряжения |
||
На входы компаратора подаются два сравниваемые по уровню напряжения, одно из которых называется входным , а другое опорным . Опорное напряжение обычно задается постоянным (положительным или отрицательным), например, с помощью стабилизатора напряжения, а входное изменяется во времени.
Возможны два варианта подачи входного и опорного напряжений. Так, на рис. 6.6, а входное напряжение подается на неинвертирующий, опорное на инвертирующий входы компаратора. В другом случае наоборот – входное напряжение подается на инвертирующий, а опорное на неинвертирующий входы.
Рассмотрим работу
схемы на рис. 6.6, а, которая поясняется
диаграммой – амплитудной передаточной
характеристикой (АПХ), изображенной на
рис. 6.6, б. Пока входное напряжение
меньше опорного, разность напряжений
на входах ОУ
имеет отрицательный знак. За счет
большого коэффициента усиления
ОУ находится в насыщении при отрицательном
уровне напряжения на выходе, который
на АПХ обозначен как
.
При превышении входным напряжением уровня опорного напряжения разность напряжений становится положительной, поэтому выходное напряжение ОУ также положительно, и уже при небольшом значении ОУ насыщается. Выходное напряжение принимает постоянное значение . Уровни и соответственно называются низким и высоким. Они близки по значению к отрицательному и положительному напряжениям питания ОУ.
На рис. 6.6, в изображена АПХ при другом варианте подачи входного и опорного напряжений на входы компаратора.
Компараторы напряжения, работая по входу с аналоговыми, а по выходу с цифровыми сигналами, широко используются в аналого-цифровой схемотехнике в качестве устройств связи между аналоговыми и цифровыми схемами.
6.1.5 Релаксационный генератор (мультивибратор) на основе компаратора напряжения
Схема генератора представлена на рис. 6.7, а, временные диаграммы, поясняющие работу – на рис. 6.7, б.
|
|
а) |
б) |
Рисунок 6.7 – Релаксационный генератор |
|
Генератор
содержит компаратор на ОУ
,
времязадающую цепь ООС на элементах
,
и цепь ПОС на резисторах
,
,
которая служит для формирования опорного
напряжения, пропорционального выходному.
Пусть в первый момент после включения питания конденсатор разряжен, и за счет дестабилизирующих факторов на выходе компаратора сразу же устанавливается высокий уровень напряжения . На неинвертирующий вход подается положительное опорное напряжение
,
(6.1.10)
что обеспечивает устойчивое статическое состояние компаратора.
Конденсатор выходным током компаратора через резистор начинает заряжаться. Напряжение на инвертирующем входе компаратора растет по закону экспоненты
(6.1.11)
с постоянной времени,
определяющей длительность переходного
процесса,
.
В
момент
напряжение
достигает опорного
,
и компаратор переключается. На выходе
устанавливается отрицательный низкий
уровень напряжения
,
и вместе с ним резко понижается опорное
напряжение до значения
.
(6.1.12)
Начинается разряд и далее перезаряд конденсатора через резистор . Напряжение на нем, то есть на инвертирующем входе компаратора, понижается по закону
,
(6.1.13)
и в момент
вновь достигает уровня опорного (
).
Компаратор вновь переключается, на
выходе устанавливается высокий уровень
,
а опорное напряжение принимает значение
.
Начинается очередной этап перезаряда
конденсатора; напряжение на конденсаторе
растет:
.
(6.1.14)
Этап завершается в момент , когда напряжение достигает . Далее процессы перезаряда конденсатора и переключения компаратора циклически повторяются.
Как видно, полупериоды
выходного импульсного напряжения в
схеме определяются длительностью этапов
перезаряда конденсатора
.
Для того, чтобы рассчитать длительность
отрицательного импульса на выходе,
подставим в формуле (6.1.13) вместо
величину напряжения, при котором
завершается интервал, и вместо
укажем длительность интервала
.
Тогда, разрешив полученное уравнение
относительно времени, найдем
.
(6.1.15)
Таким же образом, подставляя в левую часть формулы (6.1.14) конкретное достигаемое напряжение в потенциально нулевой точке схемы , найдем длительность положительного импульса на выходе схемы:
.
(6.1.16)
Можно показать, что
схема генерирует импульсные сигналы
со скважностью 2, то есть
.
Для того, чтобы изменить соотношение
между длительностями отрицательного
и положительного импульсов, необходимо
обеспечить разные пути заряда и разряда
конденсатора. Для этого вместо одного
резистора
параллельно устанавливают два и
последовательно с каждым включают диоды
в противоположных направлениях.