А. Красько - Схемотехника аналоговых электронных устройств

Компаратором называется устройство, позволяющее осуществить сравнение измеряемого входного напряжения U вх с опорным напряжением U оп . Алгоритм работы компаратора описывается выражениями:

U вых = U 1, если U вх < U оп ,

U вых = U 0, если U вх > U оп .

Простейшая схема компаратора и его передаточная характеристика представлены на рисунке 7.26.

Рисунок 7.26. Простейший компаратор

Вследствие большого коэффициента усиления ОУ на его выходе получается последовательность практически прямоугольных импульсов, причем положение моментов переключения соответствует равенству U вх = U оп . Если входы ОУ поменять местами, то U вых поменяет знак. Входные диоды служат для защиты ОУ от большого дифференциального входного напряжения. Выходное напряжение компаратора может быть использовано для управления каким-либо устройством, например, широтно-импульсным модулятором. При U оп =0 получим так называемый нуль-индикатор или детектор нулевого уровня.

Из-за конечного значения коэффициента усиления компаратора возможно плавное нарастание U вых (рисунок 7.27а).

Рисунок 7.27. Компаратор с ПОС

Если плавное срабатывание нежелательно, то применяют компаратор на основе ОУ с цепью ПОС (рисунок 7.27б). Если опорное напряжение не подается, то такой компаратор называют еще триггером Шмитта. Как видно из рисунка 7.27в, такой компаратор обладает гистерезисом, что объясняется наличием цепи ПОС. Переключение схемы в состояние U 2 происходит при достижении входным напряжением уровня срабатывания U ср , а возвращение в исходное состояние U вых = U 1 — при снижении входного напряжения до уровня отпускания U отп . Значения входных пороговых напряжений и ширина зоны гистерезиса определяются по формулам:

U ср = U 2 R 1/( R 1+ R 2),

U отп = U 2 R 1/( R 1+ R 2),

U гис = U ср – U отп = R 1( U 2– U 1)/( R 1+ R 2).

Пороги срабатывания делают схему нечувствительной к шумам, которые всегда присутствуют во входном сигнале, и тем самым исключают ненужные переключения под действием шумов, т.е. устраняют так называемый "дребезг" контактов.

Важнейшим показателем ОУ в случае его использования в качестве компаратора является быстродействие, оцениваемое задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Лучшим быстродействием обладают специальные ИМС компараторов. Повышенное быстродействие в них достигается использованием СВЧ-транзисторов и исключением режима их насыщения. Более подробно компараторы описаны в [12,14].

Генератором называется автоколебательная структура, в которой энергия источника питания преобразуется в энергию электрических автоколебаний. Различают генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и генераторы сигналов специальной формы (прямоугольной, треугольной и т.д.)

Обобщенная макромодель генератора приведена на рисунке 7.28 и представляет собой усилительный каскад, охваченный цепью ПОС.

Рисунок 7.28. Макромодель генератора

Для возникновения колебаний в данной системе необходимо выполнение условия баланса амплитуд и баланса фаз:

| Kβ |≥1,

φ = φ у + φ ос = 2 n π,

где φ у и φ ос — фазовые сдвиги, вносимые усилителем и цепью ОС соответственно, n — целое число.

Для получения на выходе генератора синусоидального напряжения достаточно, чтобы данные условия выполнялись только на одной частоте.

Существует большое количество схемных реализаций генераторов, поэтому ограничимся рассмотрением генераторов на основе ОУ, как наиболее соответствующим содержанию курса АЭУ. На рисунке 7.29 приведены различные варианты схем генераторов гармонических колебаний на ОУ.

Рисунок 7.29. Автогенераторы на основе ОУ

В схеме LC-автогенератора (рисунок 7.29а) баланс фаз обеспечивается наличием ПОС, вводимой с помощью резисторов R 2 и R 3, баланс амплитуд достигается выбором номиналов резисторов R 2 и R 3 по условию