10.7. Компараторы

Компаратор является одним из важнейших элементов преобразовательной техники, в частности, аналого-цифровых преобразователей, систем предельного контроля и т.п.

Простейший компаратор (рис. 10.28) состоит из ОУ без обратной связи; опорное напряжение Un подается на неинвертирующий вход ОУ. а на инвертирующий вход поступает суммарный входной сигнал Ui' от источников Ui, Up (источник Up имитирует напряжение источника помехи, о чем более подробно сказано ниже). При Ui'>Un на выходе компаратора устанавливается напряжение Uo=-Us (отрицательное напряжение насыщения). В противоположном случае (Ui'< Un) получаем Uo=+Us. Если поменять местами входы, это приведет к инверсии выходного сигнала.

Рис. 10.28. Компаратор напряжения

На рис. 10.29, 10.30 показаны передаточная характеристика компаратора и осциллограммы напряжений.

Компаратор должен переключаться из одного состояния в другое с максимально возможной скоростью. В рассматриваемом компараторе ОУ используется с разомкнутой петлей обратной связи, поэтому отпадает необходимость в частотной коррекции, которая приводит к увеличению времени срабатывания. Время срабатывания — это время, необходимое для переключения компаратора из одного состояния в другое (из точки А в точку В передаточной характеристики на рис. 10.29). Максимальная скорость нарастания выходного напряжения показывает, насколько быстро изменяется выходной сигнал в процессе переключения.

Рис. 10.29. Передаточная характеристика компаратора

Ряс. 10.31. Компаратор с гистерезисом

Если напряжение Ui', поступающее на вход компаратора, содержит помеху Up, то, как видно из осциллограмм на рис. 10.30, это приводит к ложным срабатываниям. Для их предотвращения применяют цепь положительной обратной связи, за счет которой часть выходного напряжения подается на неинвертирующий вход. Та-- кой компаратор называется компаратором с гистерезисом, его принципиальная схема показана на рис. 10.31, а передаточная характеристика и осциллограммы сигналов — на рис. 10.32 и 10.33.

При введении в схему элементов положительной обратной связи (делитель на резисторах Rl, R2) изменяется опорное напряжение. При высоком уровне выходного напряжения +Us опорное напряжение Un возрастает на величину

В результате компаратор будет переключаться из состояния с высоким уровнем выходного напряжения при новом значении

Как только входное напряжение Ui превысит опорное напряжение Un' (точка В на рис. 10.32), выходное напря жение компаратора начнет уменьшаться и через резистор R2 передаваться на неинвертирующий вход, стимулируя дальнейшее падение выходного напряжения. За счет положительной обратной связи этот процесс происходит лавинообразно, и компаратор быстро переключается в противоположное состояние (точка С на рис. 10.32). Поскольку на выходе компаратора действует теперь напряжение Uo=-Us, на его вход по цепи обратной связи передается напряжение

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

(точка D на рис. 10.32):

Как видно из осциллограммы на рис. 10.33, после введения положительной обратной связи составляющие помех во входном напряжении уже не вызывают ложных срабатываний компаратора. Ширина петли гистерезиса изменяется варьированием коэффициента передачи делителя на резисторах R1, R2.

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое компаратор, в каких устройствах его применяют?

2. Проведите моделирование компаратора на рис. 10.28 при опорном напряжении Un=50 и 200 мВ.

3. Для компаратора на рис. 10.31 проведите моделирование при Un=0,5,0,6 и 0,7 В. Используйте полученные данные при проверке формулы для определения ширины гистерезиса

при напряжении насыщения ОУ 5 В [24].

4. Какие преимущества имеет компаратор с гистерезисом?