Лекция 10 Импульсные схемы на операционных усилителях

Операционный усилитель - универсальный элемент, он может использоваться как в линейном, так и в импульсном режиме. В этом случае усилитель работает в режиме насыщения, и в соответствии с амплитудной характеристикой напряжение на выходе может иметь одно из двух значений или. На основе операционного усилителя строятся ряд импульсных схем: компараторы, триггеры Шмидта, мультивибраторы, одновибраторы, генераторы линейно изменяющихся напряжений (ГЛИН).

10.1 Компараторы

Компаратор в общем случае служит для сравнения двух сигналов: токов или напряжений. Наибольшее распространение получили компараторы напряжения. Они применяются в измерительной технике, в системах автоматического контроля и управления, в аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях.

Компаратор - это простейшая схема, состоит только из операционного усилителя без цепей обратной связи (рисунок 10.1).

Рисунок 10.1 - Схема компаратора на операционном усилителе

Компаратор может находиться в двух устойчивых состояниях:

I - если мгновенное значение напряжений то,

II - если мгновенное значение напряжений то,.

Рассмотрим случай, когда - постоянное напряжение, а(рисунок 10.2).

На интервале времени 0-1 выполняется второе неравенство, и напряжение на выходе принимает положительное максимальное значение. Левее точки 1 выполняется первое неравенство, и напряжение на выходе принимает отрицательное максимальное значение, которое сохраняется на временном интервале 2-3. Диаграмма построена для идеального случая: коэффициент усиления ОУ равен бесконечности, переключение (переход из одного устойчивого состояния в другое) происходит мгновенно, отсутствуют помехи в сравниваемых напряжениях.

Рисунок 10.2 -. Диаграмма сравнения напряжений

Реальный ОУ имеет конечное значение коэффициента усиления, поэтому передаточная характеристика компаратора имеет вид (рисунок 10.3,b) и отличается от идеальной (рисунок 10.3,а) наличием зоны нечувствительности

Рисунок 10.3 -. Передаточные характеристики идеального (а)

и реального (b) компараторов

Пороговое напряжение - это такое напряжение между входами, при котором напряжение на выходе достигает максимального значения. Интервал напряжений отдоназывают зоной нечувствительности, в этой зоне состояние компаратора считается неопределенным. Пороговое напряжение можно определить как

, (10.1)

что составляет обычно порядка 0.1 мВ.

Переключение компаратора не может происходить мгновенно, время переключения определяется максимальной скоростью нарастания выходного напряжения

. (10.2)

Напряжение на выходе компаратора принимает трапециевидную форму (рисунок 10.4).

Рисунок 10.4 - Временная диаграмма напряжения на выходе компаратора

В компараторах обычно применяют быстродействующие ОУ, что позволяет получить время переключения менее 1 мкс.

Наличие помех влияет на работу компаратора. Это влияние показано на рисунке 10.5.

Рисунок 10.5 - Влияние помехи на момент срабатывания компаратора

Если напряжение кроме постоянной имеет переменную составляющую помехи, то срабатывание компаратора происходит многократно в точках 1, 2, 3 . Это явление называется «дребезгом» по аналогии с дребезгом электромеханических контактов.

Для устранения вышеперечисленных недостатков в компаратор вводят положительную обратную связь, которая позволяет существенно уменьшить зону нечувствительности, уменьшить время переключения и освободиться от влияния помех. Компаратор с положительной обратной связью называется триггером Шмидта.