Компараторы

Компаратор – это электронная схема, которая сравнивает два входных напряжения и вырабатывает выходной сигнал, зависящий от состояния входов. Базовая принципиальная схема компаратора показана на рис. 3.3,а. Как видим, здесь ОУ работает с разомкнутой петлёй обратной связи. На один из входов подаётся опорное напряжение Vоп, на другой – неизвестное (сравниваемое) напряжение Vвх. Выходной сигнал компаратора указывает, выше или ниже уровня опорного напряжения находится уровень неизвестного сигнала.

В схеме на рис. 3.3,а опорное напряжение Vоп подаётся на неинвертирующий вход, а на инвертирующий вход подаётся неизвестный входной сигнал Vвх. При Vвх > Vоп на выходе компаратора устанавливается напряжение V_вых = –V_s (отрицательное напряжение насыщения). В противоположном случае (Vвх < <Vоп) получаем Vвых = + Vs . Можно поменять местами входы – это приведёт к инверсии выходного сигнала. На рис. 3.3,б представлена передаточная характеристика рассмотренного компаратора.

Если напряжение Vвх на входе компаратора содержит шумовую составляющую, то выходное напряжение Vвых будет очень быстро флуктуировать ме-

жду уровнями + Vs и - Vs . Исключить такие флуктуации можно путём создания в компараторе цепи положительной обратной связи, при которой часть выходного напряжения подаётся на неинвертирующий вход. Принципиальная схема компаратора с гистерезисом показана на рис. 3.4,а. Делитель напряжения на резисторах R1 , R2 обеспечивает создание положительной обратной связи, напряжение которой снимается с R1 и подаётся на неинвертирующий вход ОУ. Сопротивление резистора R3 равняется параллельно соединённым резисторам R1 и R2. При высоком уровне выходного напряжения резистор R2 передаёт с выхода на вход напряжение, которое суммируется с опорным. В этом случае опорное напряжение возрастает на величину Vоп = ( Vs – Vоп ) R1 / ( R1 + R2 ).

Таким образом, получаем новое (большее) значение опорного напряжения Vоп+ = Vоп + Vоп. В результате компаратор будет переключаться (из состояния с высоким уровнем выходного напряжения) при новом значении Vвх, превышающем Vоп на величину положительного напряжения обратной связи, поступающего с выхода компаратора. Как только входное напряжение Vвх превысит новое опорное напряжение Vоп + Vоп, выходное напряжение компаратора начнёт уменьшаться. Это уменьшение через резистор R2 передастся на неинвертирующий вход, и напряжение на нём также уменьшится, стимулируя дальнейшее падение выходного напряжения. За счёт положительной обратной связи этот процесс происходит лавинообразно, и компаратор быстро переключается в противоположное состояние. Поскольку на выходе компаратора действует теперь напряжение Vвых = - Vs, то на его вход по цепи обратной связи передаётся напряжение

Vоп = (-Vs – Vоп ) R1 / (R1 + R2 ) . (3.3)

В этом случае устанавливается новое опорное напряжение для состояния с низким выходным уровнем:

Vоп- = Vоп - Vоп . (3.4)

Передаточная характеристика, изображённая на рис. 3.4,б, иллюстрирует эффект петли гистерезиса. При введении петли положительной обратной связи составляющие шума во входном напряжении Vвх уже не могут вызвать перебросы выходного сигнала Vвых от +Vs к - Vs и обратно. Например, если Vвх превысит уровень Vоп + Vоп и Vвых сразу же примет значение - Vs , то для переключения компаратора обратно в исходное состояние необходимо, чтобы Vвх снизилось до значения, меньшего, чем Vоп - Vоп. Ширину петли гистерезиса можно изменять, используя вместо постоянного резистора R1 потенциометр.