Исследование компараторов

Цель работы – изучить принцип работы, схемотехнику и основные характеристики аналоговых компараторов на операционных усилителях.

1.1. Краткие теоретические сведения

Аналоговый компаратор (компаратор) – это устройство осуществляющее сравнение измеряемого входного напряжения (u_вх) с опорным напряжением (U_ОП), подаваемых одновременно на его входы. Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение изменяется во времени. При достижении входным напряжением уровня опорного напряжения происходит переключение выходного напряжения компаратора с одного уровня на другой. Компаратор часто называют нуль – органом, поскольку его переключение происходит при

Компараторы нашли применение в системах автоматического управления, в измерительной технике, а также для построения различных устройств импульсного и цифрового действия (в частности, аналогово-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей)

Простейшая схема компаратора может быть построена на ОУ (рис. 1.1а).

Импульсный режим работы операционного усилителя.

Интегральные операционные усилители (ОУ) находят широкое применение в импульсной технике. Уровни входного сигнала ОУ в импульсном режиме работы превышают значения, соответствующие линейной области А0В амплитудной характеристики (см. рис. 1.1б). В связи с этим выходное напряжение ОУ в процессе работы определяется либо напряжением U⁺_{вых max}, либо U^-_{вых max}.

Рис. 1.1. Схематическое изображение операционного усилителя (а) и его передаточная характеристика (б).

При рассмотрении линейных устройств на ОУ мы ранее ограничивались рассмотрением линейного участка передаточной характеристики при (- входное напряжение, при которомU_ВЫХ достигает максимального значения). При выходное напряжение ОУ ограничено значениямиU⁺_{вых max}, либо U^-_{вых max} так как транзисторы выходных каскадов при больших сигналах работают в ключевом режиме (U_{вых max} несколько меньше U_П).

Таким образом, получаем, что при U_ВХ2 – U_ВХ1 > 0 (т. е. U_ВХ2 > U_ВХ1) U_вых = U⁺_{вых max}, а при U_ВХ2 – U_ВХ1 < 0 U_вых = U^- _{вых max}. Полярность выходного напряжения ОУ при зависит от того какое из двух входных напряжений больше. Или, иными словами, ОУ является в этом случае схемой сравнения (компаратором). Если положить, чтоU_ВХ2 = const, то при достижении напряжением U_ВХ1 уровня напряжения U_ВХ2 происходит изменение полярности напряжения на выходе ОУ, например с U⁺_{вых max} на

U^- _{вых max}. При U_ВХ2 = 0 схема осуществляет фиксацию момента перехода напряжения U_ВХ1 через ноль.

Так как коэффициент усиления по напряжению ОУ К_U весьма велик, то

весьма мало. Реально у операционных усилителей U_ВХН не превышает нескольких милливольт, поэтому ОУ можно применять для сравнения двух напряжений с высокой точностью.

Простейшая схема компаратора на ОУ приведена на рис. 1.2 а. Её характеризует симметричное подключение измеряемого и опорного напряжений ко входам ОУ. Разность напряжений u_ВХ – U_ОП является входным напряжением u₀ ОУ, что и определяет передаточную характеристику компаратора (рис. 1.2 б). При u_ВХ < U_ОП напряжение u₀ < 0, в связи с чем u_вых = U⁺_{вых max}. При u_ВХ > U_ОП напряжение u₀ > 0 и u_вых = U_{вых max}.

Изменение полярности выходного напряжения происходит при переходе входного измеряемого напряжения через значение U_ОП. Ввиду большого значения коэффициента усиления ОУ это изменение носит ступенчатый характер при u₀ = u_ВХ – U_ОП 0. Если источники входного и опорного напряжений в схеме рис. 1.2 а поменять местами или изменить полярность их подключения, то произойдёт инверсия передаточной характеристики компаратора. Условиюu_ВХ < U_ОП будет отвечать равенство u_вых = U^-_{вых max}, а условию u_ВХ > U_ОП - u_вых = U⁺_{вых max}.

Схема рис. 1.2 а применима тогда, когда измеряемое и опорное напряжения не превышают допустимых паспортных значений входных напряжений ОУ. В противном случае они подключаются к ОУ с помощью делителей напряжения (рис.1.2 в).

Операционный усилитель не может мгновенно перейти от одного уровня насыщения выходного каскада к другому, поэтому переключение с уровня напряжения U⁺_{вых max} на уровень U^-_{вых max} происходит с некоторой задержкой _зад (рис. 1.3).

Рис. 1.2. Схема компаратора на операционном усилителе (а), его передаточная характеристика (б), схема компаратора с входными делителями напряжения (в).

Важнейшим показателем ОУ, работающих в импульсном режиме, является их быстродействие , которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Задержка срабатывания (время задержки выходного импульса) ОУ общего применения составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения - доли микросекунды.

Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, предназначенные для импульсного режима работы и получившие общее название «компараторы».

Рис. 1.3. Временная зависимость напряжения на выходе компаратора при линейно нарастающем входном сигнале.

Регенеративный компаратор (триггер Шмитта).

Ввиду большого значения коэффициента усиления ОУ и, как следствие, малой величины , при наличии зашумленности (флюктуации уровня сигнала) сигналов, подаваемых на входы компаратора, в момент равенства входного и опорного сигналов компаратор может многократно изменять своё состояние (переключаться). Это явление называют «дребезгом» компаратора. Для исключения этого явления ОУ компаратора охватывают положительной обратной связью, осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторовR₁ и R₂ (рис. 1.4 а).

Рис. 1.4. Схема компаратора с положительной обратной связью (а) и его идеализированная передаточная характеристика. (б).

Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом (рис. 1.4 б). Переключение схемы в состояние U^-_{вых max} происходит при достижении u_вх напряжения (порога) срабатывания U_СР, а возвращение в исходное состояние u_вых = U⁺_выхmax – при снижении u_вх до напряжения (порога) отпускания U_ОТП. Значения пороговых напряжений находят положив u₀ = 0; схема, очевидно, обладает передаточной характеристикой с гистерезисом. Переход из одного состояния в другое происходит скачкообразно под действием положительной обратной связи (ПОС). Действительно при превышении напряжением u_вх напряжения срабатывания U_ср выходное напряжение начнёт уменьшаться, так как u_вх подается по инверсному входу ОУ. Отрицательное приращение u_вых по цепи ПОС R₂, R₁ поступит на неинвертирующий вход ОУ, который его усилит, что приведёт к дополнительному уменьшению u_вых, т. е. появиться дополнительное отрицательное приращение u_вых, которое вновь уменьшит напряжение на неинвертирующем входе ОУ. Процесс идёт лавинообразно. Значения пороговых напряжений U_ср и U_отп находят по схеме, положив u₀ = 0:

(1.1)

, (1.2)

Откуда ширина зоны гистерезиса

. (1.3)

Таким образом, U_ср и U_отп различны. Ширина гистерезиса U_Г растет с ростом отношения R₁/R₂. ПОС, как было показано, приводит к регенеративным процессам, тем самым ускоряет процессы переключения.

Возможна работа компаратора с ПОС при U_ОП = 0 (рис. 1.5 а). Данная схема является частным случаем предыдущей схемы (рис. 1.4 а). Передаточная характеристика такого компаратора становиться симметричной относительно оси ординат, т. е. смещается влево так, что

U_ОП = 0 (рис. 1.5 б).

Рис. 1.5. Схема компаратора с положительной обратной связью и нулевым опорным напряжением (а), его передаточная характеристика (б).

Её пороговые напряжения и зона гистерезиса (рис. 1.5 б) составляют:

U_СР = ,и, где.

Схема рис. 1.5 а служит основой при построении генератора импульсов на ОУ.