2.2. Однопороговый компаратор

2.2.1. Назначение элементов в схеме

Схема компаратора (К) содержит ОУ на интегральной микросхеме DA1 и внешние дополнительные резисторы и диоды (рисунок 2.2). Входное напряжение U_вх и опорное напряжение U_оп подается на разные входы ОУ через резисторы R1 и R3, которые предназначены для выравнивания входных токов ОУ и уменьшения смещения нулевого уро­вня ОУ. Диод VD1 исключает отрицательное напряжение на выхо­де К, а стабилитрон VD2 нормирует единичный уровень U¹_вых выходного напряжения. Резистор R4 ограничивает ток стабилитрона VD2, a R5 обеспечивает согласование К по сопротивлению с логи­ческими элементами ТТЛ при нулевом уровне U⁰_вых. Изменение заданного значения опорного напряжения обеспечивается потенциометром R2.

2.2.2. Принцип действия

В исходном состоянии при U_вх= 0 на выходе ОУ создается максимальное положительное напряжение U_ОУ = + U_max за счет опорного напряжения U_оп = + U_зад, поданного на неинвертирующий вход ОУ. На выходе К в этом случае единичный уровень U¹_вых = U_ст.

При увеличении U_вх до значения U_вх  U_оп происходит переключение К, напряжение на выходе ОУ меняет знак U_ОУ = - U_max, напряжение на выходе К становится близким к нулю U⁰_вых  0. Статическая характеристика компаратора U_вых = f (U_вх) приведена на рисунке 2.3.

В общем случае переключение К происходит при входном напряжении переключения U_п, отличающемся от опорного U_п = U_оп  U₀, где U₀ – порог чувствительности К.

2.2.3. Точность срабатывания

Для повышения точности срабатывания К необходимо увеличить коэффициент усиления k_u ОУ и уменьшить напряжение смещения нуля U_см ОУ, например, путем предварительной настройки ОУ. Практически U₀ = 10  30 мВ.

2.2.4. Быстродействие

Так как переключение компаратора происходит в линейной зоне ОУ, то время переключения будет зависеть от скорости изменения входного напряжения.

2.3. Регенеративный компаратор

2.3.1. Назначение элементов в схеме

Схема регенеративного компаратора отличается введением цепи положительной обратной связи (ПОС) R6 – VD3 (рисунок 2.4.). За счет этой цепи обеспечивается лавинообразный процесс переключения К и существенно повышает его быстродействие. При этом время переключения t_п не зависит от скорости изменения входного напряжения.

2.3.2. Принцип действия

В исходном состоянии (при U_вх= 0) на неинвертирующий вход ОУ подается с выхода К сигнал U_ос ПОС, к который суммируется с U_оп. В связи с этим при увеличении U_вх переключение К произойдет при верхнем пороге U_в, когда U_вх превысит не только U_оп, и сигнал U_ос:

(2.1.)

После переключения компаратора сигнал обратной связи исчезает, так как U_вых = U⁰_вых = 0.

При уменьшении входного сигнала обратное переключение К происходит при нижнем пороге U_н, близком к опорному напряжению:

( 2.2)

Таким образом, статическая характеристика регенеративного компаратора (рисунок 2.5.) имеет гистерезис или зону переключения, которая определяется выражением:

(2.3)

2.3.3. Зона переключения компаратора

Эта зона при перестройке компаратора на различные уровни срабатывания не остается постоянной, а уменьшается с увеличением U_оп, что является недостатком схемы. Для сохранения зоны переключения при изменении настройки К требуется регулировка сопротивления R6 и коррекция U_оп.

2.3.4. Применение

Регенеративный компаратор применяется при малых скоростях изменения входного сигнала и в условиях действия помех, влияние которых уменьшается за счет гистерезиса характеристики компаратора.

1. Двухпороговый компаратор

2.4.1. Назначение элементов в схеме

Состояние двухпорогового компаратора изменяется два раза при увеличении входного сигнала. Схема такого компаратора на основе одного ОУ содержит цепь отрицательной обратной связи (ООС) в виде диодного моста VD1 – VD4 с источниками напряжения смещения E (рисунок 2.6.). Резисторы R5 и R6 ограничивают ток смещения. Входной сигнал U_вх и опорное напряжение U_оп подаются на один инвертирующий вход ОУ через резисторы R1 и R3. При этом для вычитания сигналов знак U_оп должен быть противоположен знаку U_вх. Для индикации состояния К используются светодиоды VD7, VD8, включенные через R7, VD5, VD6.

2.4.2. Принцип действия

В исходном состоянии (при U_вх= 0) напряжение U_вых = + U_max, так как на инвертирующем входе ОУ имеется - U_оп. При увеличении U_вх первое переключение К происходит при нижнем пороге U_вх = U_н, когда входной ток I₁ превысит ток I₂, отдаваемый в мост цепью смещения. Диоды в цепи ООС открываются, эквивалентное сопротивление этой цепи становится малым, а коэффициент передачи k_u = R_ос /R₁  0, в связи с чем U_вых = 0. При дальнейшем увеличении U_вх это состояние К сохраняется, а затем при верхнем пороге переключения U_вх = U_в происходит второе переключение К, тогда U_вых = U_ОУ = - U_max.

2.4.3. Зона переключения

Пороги срабатывания U_н, U_в и зона переключения U компаратора при RI = R3, R5 = R6 определяются выражениями :

, (2.4.)

, (2.5.)

, (2.6.)

где U_д = 0,65 - 0,7 В - падение напряжения на открытом диоде. Как видно из этих выражений и статической характеристики (рисунок 2.7), зона переключения двухпорогового К не зависит от уровня срабаты­вания и опорного напряжения U_оп, что является благоприятным фа­ктором при перестройке компаратора.

2.4.4. Применение

Двухпороговые компараторы могут применяться в схемах трехпозиционных регуляторов, для сигнализации технологических параметров и сортировки деталей по трем признакам "норма", "меньше", "больше".