Компаратор на оу – . —

5.Компаратор на оу

При построении импульсных устройств электронной техники широкое применение нашли операционные усилители (ОУ). В таких устройствах, в отличие от аналоговых устройств, ОУ в основном работает в режиме насыщения, и выходное напряжение может принимать одно из двух значений: либо +Uвых max либо –Uвых max. В связи с высоким значением коэффициента усиления в линейном режиме переход ОУ из режима насыщения с выходным напряжением +Uвых max в режим с напряжением –Uвых max и наоборот, при изменении входного напряжения происходит практически «скачком».

Такой ход передаточной характеристики ОУ, а также зависимость ее смещения от величины напряжения, подаваемого на один из его входов, позволяет использовать этот элемент в качестве устройства сравнения измеряемого напряжения аналогового сигнала с опорным напряжением, которое называется компаратором. Критерием сравнения двух уровней напряжения является полярность напряжения на выходеОУ.

Рисунок 5.1. Компаратор при подаче опорного напряжения

положительной полярности на неинвертирующий вход ОУ:

а – схема компаратора, б – его передаточная характеристика

Простейшая схема компаратора на ОУ приведена на рис. 5.1,а. Опорное напряжение, величина которого постоянна, подается на один из входов ОУ, а измеряемое – на другой. Пусть измеряемое напряжение изменяется во времени. Тогда при достижении этим напряжением уровня опорного произойдет изменение полярности выходного напряжения. Например, опорное напряжение Uположительной полярности подается на неинвертирующий вход ОУ, а измеряемое u— на инвертирующий вход, как показано на рис. 5.1,а. Тогда при u

< Uна выходе ОУ напряжение будет положительное, а при u> U— отрицательным (см. рис. 5.1,б). Видно, что изменение полярности выходного напряжения происходит тогда, когда входное напряжение проходит значение U.

Если в схеме компаратора измеряемое напряжение подавать на неинвертирующий вход ОУ, а опорное – на инвертирующий, как показано на рис. 5.2,а, то произойдет изменение передаточной характеристики: при u< Uна выходе напряжение будет отрицательным, а при u> U

— положительным (см. рис. 5.2,б).

Рисунок 5.2. Компаратор при подаче опорного напряжения

положительной полярности на инвертирующий вход ОУ:

а – схема компаратора, б – его передаточная характеристика

Компаратор на ОУ используется в системах автоматического регулирования и защиты в качестве элемента измерительного органа, вырабатывающего выходной сигнал при достижении контролируемым напряжением определенного значения. По выходному сигналу затем происходит срабатывание исполнительного органа системы автоматического управления или защиты, осуществляющей изменение режима работы соответствующей аппаратуры или ее отключение.

Компараторы также применяются для преобразования сигналов. В качестве примера на рис. 5.3 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие преобразование синусоидального напряжения в ряд прямоугольных импульсов с использованием компаратора, схема которого приведена на рис. 5.1,а. Импульс положительной полярности в данном случае вырабатывается, когда мгновенное значение синусоидального напряжения превосходит опорное U

. Длительность импульса может изменяться изменением величины опорного напряжения.

Рисунок 5.3. Временные диаграммы, иллюстрирующие преобразование

синусоидального напряжения в ряд прямоугольных импульсов

с использованием компаратора

Особенность работы ОУ как компаратора заключается в резком изменении полярности выходного напряжения при изменении уровня входного сигнала. Сам процесс такого изменения получил наименование «опрокидывания». Из проведенного анализа следует, что условием опрокидывания ОУ, а, следовательно, и схемы, в которой он используется, является равенство напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах ОУ. Данное условие реализуется в импульсных устройствах на ОУ.

studfiles.net

3.3 Импульсный режим работы оу. Компараторы на оу

Режим работы ОУ импульсный, если его рабочая точка выходит на участки насыщения передаточной характеристики. При этом транзисторы выходного каскада ОУ работают в ключевом режиме.

Условие работы ОУ в импульсном режиме вытекает из его передаточной характеристики:

Uвх = Uвх1 — Uвх2 > Uвх.нас

Для идеального ОУ:

Uвх.нас = Uвых.maxu= 0.

Для реального ОУ:

Uвх.нас = несколько мВ.

Таким образом ОУ будет переключаться, переходя из положительного насыщения в отрицательное насыщение и обратно при равенстве напряжений на прямом и инверторном входах.

Это свойство ОУ позволяет ему осуществлять сравнение двух напряжений:

если Uвх1 — Uвх2 > 0, т.е. Uвх1 > Uвх2, то Uвых = Uвых.max,

если Uвх1 — Uвх2 < 0, т.е. Uвх1 < Uвх2, то Uвых

= — Uвых.max.

Устройство, предназначенное для сравнения двух напряжений, называется компаратором (от англ. compare – сравнивать).

Компаратор (К) – один из основных элементов ИУ.

Схема простейшего компаратора на ОУ для сравнения напряжений одного знака и его передаточная характеристика приведены на рис. 3.3. Здесь:

  1. если Uвх1 < Uвх2, то Uвых = — Uвых.max

если Uвх1 > Uвх2, то Uвых = Uвых.max

  1. Uср = Uв = Uвх2

УГО компаратора представлено на рис. 3.3 в.

Наряду с простейшими схемами К на ОУ находят широкое применение схемы К с ПОС, называемые пороговыми элементами или триггерами Шмитта. Характерной особенностью триггера Шмитта является неравенство напряжений срабатывания и возврата и большее быстродействие.

Триггеры Шмитта (тш) на оу

  1. Инвертирующий ТШ. Электрическая схема, передаточная характеристика и условно-графическое обозначение (УГО) представлены на рис. 3.4а.

ПОС осуществляется путем подачи Uос на прямой вход. В результате К сравнивает Uвх с Uос. При равенстве этих напряжений он переключается.

Передаточная характеристика. При большом по модулю отрицательном Uвх напряжение Uвых = Uвых.max. При этом

.

Напряжение Uос является напряжением срабатывания Uср = Uос. Как только Uвх превысит Uср ТШ переключается и его выходное напряжение скачком изменяется до -Uвых.

max, а напряжение Uос до –КосUвых.max, которое является напряжением возврата Uв. При дальнейшем увеличении Uвх напряжение Uвых = -Uвых.max= const. Если теперь снизить Uвх, то при Uвх = Uв ТШ вернется в исходное положение.

Ширина петли передаточной характеристики:

Ширина петли регулируется изменением Кос.

Передаточную характеристику можно сместить вдоль оси абсцисс влево или вправо, включив в цепь прямого входа напряжение смещения Uсм.

ДЗ №15. Построить передаточную характеристику ТШ с напряжением Uсм, полярность которого указана на рисунке. Определить Uср и Uв.

Таким образом первая особенность ТШ (Uср ≠ Uв) обусловлена тем, что напряжение переключения равное Uпр= Uос скачком меняется при срабатывании ОУ ( а в К без ОС напряжение переключения Uпр= const).

Вторая особенность ТШ (быстродействие) обусловлена ПОС, которая ускоряет переходной процесс в любом устройстве, в том числе и в ОУ. Процесс переключения развивается под действием ПОС лавинообразно. Такой ускоряющийся процесс переключения какого-либо устройства под действием ПОС называется регенеративным (восстанавливающимся).

  1. Неинвертирующий ТШ. Электрическая схема, передаточная характеристика и УГО представлены на рис. 3.4б.

Этот ТШ переключается, когда потенциал точки «а» станет равным 0.

Передаточная характеристика. При большом положительном U

вх выходное напряжение Uвых= +Uвых.max. Этому состоянию схемы соответствует направления напряжений и токов, указанных на рисунке. При уменьшении Uвх напряжение Uвых = Uвых.max пока потенциал точки «а» не станет равным 0. В момент возврата, когда потенциал точки «а» равен 0, имеет место равенство

.

Отсюда .

При больших отрицательных UВХ выходн. напряжен.

При увеличении до , когда потенциал т. «а» станет равным нулю, ТШ срабатывает, переходя в состояние положит. Насыщения. В момент срабатывания имеет место равенство:

.

Отсюда: .

Ширина петли передат. хар-ки

Регулирование ΔUвх, Uср, Uв в ТШ осуществляется изменением сопротивлений резисторов R1 и R2.

studfiles.net

Компараторы сигналов на оу.

Компаратором называют устройство для сравнения двух сигналов. При этом выходной сигнал компаратора характеризует факт превышения одного сигнала над другим и имеет смысл логического сигнала.

Всхемах компараторов можно использовать как один вход ОУ, так и оба. Петля ООС обычно не замыкается. Если в схеме компаратора ОУ охватить слабой положительной ОС, то передаточная характеристика компаратора приобретает гистерезисные свойства.

В момент равенства входных сигналов на абсолютной величине входное напряжение компаратора Uвых переключается в другое предельное состояние.

До момента времени  напряжение Uс меньше по модулю, чем опорное напряжение Е оп, поэтому последнее определяет состояние выхода.

В данном случае Е оп > 0, поэтому Uвых  – Е.

После достижения входным сигналом Uc порогового значения , выходное напряжение определяется входным напряжениемUc, при этом Uвых+Е.

В момент точного равенства , усилитель компаратора находится в неустойчивом линейном режиме. Переключение состояния выхода происходит с некоторой задержкой, которая определяется временем перезарядки паразитных ёмкостей схемы ОУ.

Одноходовой компаратор имеет ограниченное входное сопротивление, однако позволяет сравнивать большие по амплитуде сигналы без появления ошибок синфазной составляющей Uсинф.

Амплитуда сигналов между входами ОУ не должна превышать допустимого уровня входных дифференциальных сигналов, однако точность сравнения сигналов тем выше, чем больше амплитуда.

Резистор R3 необходимо включать равным .

Двухвходовой компаратор позволяет сравнивать сигналы одинаковой полярности.

Уровень этих сигналов должен находиться в пределах допустимого для данного ОУ симфазного входного напряжения. Когда сигналы, подаваемые на разные входы, уравниваются, выходной сигнал компаратора должен быть равен нулю.

Компаратор, уровни включения и выключения которого не совпадают, называют триггером Шмидта.

Разница в уровнях называется гистерезисом переключения.

Триггер Шмидта может быть построен на двух транзисторных каскадах усиления, охваченных ПОС, или на компараторе с ПОС.

Если к инвертирующему входу приложено достаточно большое отрицательное напряжение Uвх, то выходное напряжение компаратора Uвых = Uвых max. При этом напряжение прямого входа .

Если увеличить Uвх, то U вых не изменится до тех пор, пока Uвх < U+max.

При Uвх = U+max выходное напряжение за счёт действия ПОС изменяется скачком до Uвыхmin, а напряжение прямого входа — до .

При дальнейшем увеличении Uвх выходное напряжение не изменяется.

Если теперь уменьшить Uвх, то Uвых изменится только при Uвх = U+max, скачком возрастая до Uвых mах.

Гистерезис переключения.

для того чтобы триггер имел два устойчивых состояния, необходимо выполнить условие К > 1, где К — коэффициент усиления ОУ;

—коэффициент ОС.

В основном применяют триггер Шмидта для формирования напряжения прямоугольной формы из входного напряжения произвольной формы.

Также компараторы применяются в качестве порогового устройства для регистрации превышения входным напряжением порогового напряжения или для восстановления искажённых сигналов.

studfiles.net

3.3 Импульсный режим работы оу. Компараторы на оу

Режим работы ОУ импульсный, если его рабочая точка выходит на участки насыщения передаточной характеристики. При этом транзисторы выходного каскада ОУ работают в ключевом режиме.

Условие работы ОУ в импульсном режиме вытекает из его передаточной характеристики:

Uвх = Uвх1 — Uвх2 > Uвх.нас

Для идеального ОУ:

Uвх.нас = Uвых.maxu= 0.

Для реального ОУ:

Uвх.нас = несколько мВ.

Таким образом ОУ будет переключаться, переходя из положительного насыщения в отрицательное насыщение и обратно при равенстве напряжений на прямом и инвертирующем входах.

Это свойство ОУ позволяет ему осуществлять сравнение двух напряжений:

если Uвх1 — Uвх2 > 0, т.е. Uвх1 > Uвх2, то Uвых = Uвых.max,

если Uвх1 — Uвх2 < 0, т.е. Uвх1 < Uвх2, то Uвых = — Uвых.max.

Устройство, предназначенное для сравнения двух напряжений, называется компаратором (от англ. compare – сравнивать).

Компаратор (К) – один из основных элементов ИУ.

Схема простейшего компаратора на ОУ для сравнения напряжений одного знака и его передаточная характеристика приведены на рис. 3.3. Здесь:

  1. если Uвх1 < Uвх2, то Uвых = — Uвых.max

если Uвх1 > Uвх2, то Uвых = Uвых.max

  1. Uср = Uв = Uвх2

УГО компаратора представлено на рис. 3.3 в.

Наряду с простейшими схемами К на ОУ находят широкое применение схемы К с ПОС, называемые пороговыми элементами или триггерами Шмитта. Характерной особенностью триггера Шмитта является неравенство напряжений срабатывания и возврата и большее быстродействие.

Триггеры Шмитта (тш) на оу

  1. Инвертирующий ТШ. Электрическая схема, передаточная характеристика и условно-графическое обозначение (УГО) представлены на рис. 3.4а.

ПОС осуществляется путем подачи Uос на прямой вход. В результате К сравнивает Uвх с Uос. При равенстве этих напряжений он переключается.

Передаточная характеристика. При большом по модулю отрицательном Uвх напряжение Uвых = Uвых.max. При этом

Напряжение Uос является напряжением срабатывания Uср = Uос. Как только Uвх превысит Uср ТШ переключается и его выходное напряжение скачком изменяется до -Uвых.max, а напряжение Uос до –КосUвых.max, которое является напряжением возврата Uв. При дальнейшем увеличении Uвх напряжение Uвых = -Uвых.max= const. Если теперь снизить Uвх, то при Uвх = Uв ТШ вернется в исходное положение.

Ширина петли передаточной характеристики:

Ширина петли регулируется изменением Кос.

Передаточную характеристику можно сместить вдоль оси абсцисс влево или вправо, включив в цепь прямого входа напряжение смещения Uсм.

ДЗ №15. Построить передаточную характеристику ТШ с напряжением Uсм, полярность которого указана на рисунке. Определить Uср и Uв.

Таким образом первая особенность ТШ (Uср ≠ Uв) обусловлена тем, что напряжение переключения равное Uпр= Uос скачком меняется при срабатывании ОУ ( а в К без ОС напряжение переключения Uпр= const).

Вторая особенность ТШ (быстродействие) обусловлена ПОС, которая ускоряет переходной процесс в любом устройстве, в том числе и в ОУ. Процесс переключения развивается под действием ПОС лавинообразно. Такой ускоряющийся процесс переключения какого-либо устройства под действием ПОС называется регенеративным (восстанавливающимся).

  1. Неинвертирующий ТШ. Электрическая схема, передаточная характеристика и УГО представлены на рис. 3.4б.

Этот ТШ переключается, когда потенциал точки «а» станет равным 0.

Передаточная характеристика. При большом положительном Uвх выходное напряжение Uвых= +Uвых.max. Этому состоянию схемы соответствует направления напряжений и токов, указанных на рисунке. При уменьшении Uвх напряжение Uвых = Uвых.max пока потенциал точки «а» не станет равным 0. В момент возврата, когда потенциал точки «а» равен 0, имеет место равенство

Отсюда

При больших отрицательных UВХ выходн. напряжен.

При увеличении до , когда потенциал т. «а» станет снова равным нулю, ТШ срабатывает, переходя в состояние положит. Насыщения. В момент срабатывания имеет место равенство:

Отсюда:

Ширина петли передат. хар-ки

Регулирование ΔUвх, Uср, Uв в ТШ осуществляется изменением сопротивлений резисторов R1 и R2.

studfiles.net

базовые схемы включения операционных усилителей; амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) ОУ; компараторы на ОУ.

 

5.4.1. Общие сведения об операционных усилителях

В классической электронике операционным усилителем принято называть линейный преобразователь, при помощи которого можно осуществлять различные математические операции – суммирование, вычитание, интегрирование, дифференцирование и др. Это и определило название таких усилителей – операционные (решающие), на основе которых путем введения обратных связей можно проводить математические операции. Интегральные ОУ предназначены не только для выполнения математических операций, но и для осуществления преобразования сигналов (усиления, обработки, формирования сигналов).

Условное графическое изображение и функциональное обозначение ОУ приведено на рис. 5.5.

Современные ОУ строятся по схеме прямого усиления с дифференциальными равноправными по электрическим параметрам входами (инверсный вход «○» или «−» и неинверсный вход – без обозначения или «+») и двухтактным двухполярным (по амплитуде сигнала) выходом. Основным элементом ОУ является входной каскад, построенный по схеме дифференциального усилителя (ДУ), назначение которого – усиление разности сигналов, наблюдаемой между его входами (рис. 5.6,а). ДУ имеет два транзистора VT1 и VT2 с коллекторными нагрузочными резисторами RК . Эмиттерные токи этих транзисторов формируются с помощью генератора стабильного тока (ГСТ) I0 , выполненного на транзисторах VT3 и VT4. При идентичности параметров транзисторов VT1 и VT2, равенстве коллекторных резисторов и условии, что входные сигналы U = U+ = 0, разность выходных сигналов ДУ будет равна нулю, поскольку для идеального ДУ эмиттерный ток I0 делится пополам между транзисторами VT1 и VT2.



 

И

 

Из теории дифференциальных усилителей известно, что в режиме баланса потенциал каждого выхода имеет относительно земли синфазный уровень напряжения: .

Режиму баланса соответствует диаграмма (рис. 5.6, б) до момента времени t1. При появлении в момент t1 сигнала U транзистор VT1 получает больший ток смещения и его коллекторный ток IK1 увеличивается, а ток транзистора VT2 уменьшается, так как

IK1 + IK2 = I0 . Таким образом, с увеличением входного напряжения U , выходное напряжение на выходе первого транзистора уменьшается (приращение сигнала инвертировано по фазе). На другом выходе ДУ напряжение будет увеличиваться (приращение сигнала не инвертировано по фазе). Полный дифференциальный выходной сигнал между выходами ДУ определяется соотношением:

Изменение выходных сигналов прекращается, когда весь ток I0 начинает течь через транзистор VT1. В момент времени t2 транзистор VT2 переходит в режим отсечки. Поскольку входное сопротивление ДУ обратно пропорционально величине его рабочего тока I0 , то этот ток задается обычно небольшим (десятки микроампер), а это в свою очередь определяет низкий коэффициент усиления ДУ:

,

где — крутизна биполярного транзистора. В связи с этим, в интегральных ОУ используются последующие каскады усиления для получения большой величины коэффициента усиления по напряжению. В общем виде коэффициент усиления по напряжению ОУ равен произведению коэффициентов усиления всех его каскадов: .

Абсолютные значения входных напряжений U, U+и UВЫХ ограничены напряжением питания операционного усилителя +Uпит и −Uпит − (≤ ± 15 В). Типичным свойством передаточной характеристики ОУ является то, что она чувствительна к разности входных напряжений и не зависит от их абсолютных значений. Из этого свойства вытекает введение двух понятий: синфазного входного напряжения UСИНФ для общей составляющей напряжений на обоих их входах, которая должна быть подавлена усилителем, и дифференциального входного напряжения UД , на которое усилитель реагирует:

, ,

где К = 1/2 или 0.

Для упрощения определения параметров ОУ обычно полагают К = 0, тогда UСИНФ =U+ .

Интегральные ОУ обычно состоят из входного дифференциального каскада, каскадов усиления, каскада, преобразующего двухфазный выход дифференциального усилителя в однофазный и каскада для сдвига уровня. На выходе усилителя используется эмиттерный повторитель на комплементарных транзисторах, обеспечивающий передачу сигналов как положительной, так и отрицательной полярности. В современных ОУ К0 достигает величины порядка 1*105 и более.

При рассмотрении и анализе схемных решений на основе операционных усилителей и выводе основных соотношений, часто используется понятие идеального операционного усилителя. В идеальном ОУ принято считать:

· операционный усилитель обладает бесконечно большим входным и нулевым выходным сопротивлением;

· входы ОУ симметричны и не потребляют ток;

· напряжение между входами ОУ равно нулю;

· коэффициент усиления по напряжению ОУ стремится к бесконечности, а напряжение на выходе равно нулю при отсутствии входных сигналов.

5.4.2. Амплитудно-частотная характеристика операционного усилителя

 

 

 
 

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) ОУ – зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты. Любой многоканальный усилитель на высоких частотах может быть представлен схемой замещения (рис. 5.7), в которой генератор сигнала К0 UВХ нагружен на ряд интегрирующих RC цепочек, число которых равно числу каскадов ОУ (R и C — соответственно собственная передаточная проводимость и емкость нагрузки каскада).

Коэффициент передачи по напряжению одной RC цепочки:

, (5.1)

где — круговая частота среза.

Соответственно частота среза . Модуль АЧХ RC цепочки определяется соотношением:

. (5.2)

 

 
 

Вид АЧХ для двухкаскадного ОУ в соответствии со схемой замещения представлен на рис. 5.8 (кривая 1), где частота и коэффициент усиления отложены в логарифмическом масштабе. Коэффициент усиления измеряется в децибелах (1 дБ = 20lg K). Изменяя частоту в десять раз (на декаду), получаем уменьшение коэффициента усиления так же в десять раз (падение усиления на 20 дБ). Как видно из рисунка, на низких частотах К асимптотически приближается к величине коэффициента усиления без обратной связи К0 . С ростом частоты за частотой среза fср1 , на которой К снижается до значения 0,707 К0 (на 3 дБ), скорость высокочастотного спада равномерна и составляет 20 дБ / дек. В многокаскадном усилителе каждый каскад имеет собственную передаточную проводимость и емкость нагрузки, поэтому на частоте fср2 для второго каскада скорость высокочастотного спада будет составлять уже 40 дБ / дек. Современные операционные усилители имеют скорректированную АЧХ [8], которая для ОУ без обратной связи имеет вид кривой 2. Сростом частоты усиление падает и график пересекает линию ноль децибел на частоте единичного усиления ft . Эта частота определяет активную полосу частот ОУ, в которой коэффициент усиления К≥ 1. Произведение частоты входного сигнала на коэффициент усиления без обратной связи К равно полосе единичного усиления ft = К fВХ. Для исключения амплитудно-фазовых искажений в заданной полосе частот необходимо в этой полосе обеспечить равномерность амплитудной характеристики. Это достигается введением в ОУ отрицательной обратной связи (ООС). При увеличении глубины ООС (уменьшении коэффициента усиления ОУ) расширяется полоса частот равномерной амплитудной характеристики (кривая 3). Диапазон частот от нуля до верхней предельной частоты fb носит название полосы пропускания на малом сигнале, которая связана с полосой единичного усиления ОУ с ООС соотношением fb = ft КОС , где КОС — коэффициент усиления с обратной связью.

5.4.3. Схемы включения операционных усилителей

Число схем на ОУ непрерывно увеличивается по мере развития элементной базы и появления новых ОУ, поэтому особенно важным является знание принципов построения и анализа так называемых типовых (базовых) схем включения ОУ. Существует три базовые схемы включения операционных усилителей:

— инвертирующее включение ОУ;

— неинвертирующее включение ОУ;

— дифференциальное включение ОУ.

Эти схемы являются основой для построения других схем на операционных усилителях и расчета их параметров. При анализе базовых схем и упрощении расчета их параметров часто используется понятие идеального операционного усилителя. Рассмотрим базовые схемы включения ОУ.

5.5.3.1. Инвертирующее включение ОУ

Эквивалентная схема инвертирующего включения ОУ приведена на рис. 5.9. В этой схеме входной сигнал и сигнал обратной связи поступают на инверсный вход ОУ. Введение ООС приводит к тому, что теперь схема обладает коэффициентом усиления с обратной связью КОС . Определим значение КОС исходя из свойств идеального ОУ.

 

Считаем напряжение между входами равным нулю. Тогда потенциал неинверсного входа и потенциал инверсного входа, а следовательно и потенциал точки А (точка суммирования токов) также равен нулю. При условии, что входное сопротивление ОУ RВХ достаточно велико, можно считать, что ток от источника сигнала iC = UC / R1 протекает только по резистору обратной связи RОС , создавая на нем падение напряжения:

. (5.3)

Падение напряжения на резисторе RОС с большой точностью равно напряжению выхода UВЫХ , так как потенциал левого выхода резистора RОС (точка А) равен нулю (искусственный нуль-потенциал схемы). Следовательно, можно записать:

.

Коэффициент усиления по напряжению с обратной связью:

(5.4)

Знак минус в выражении (4.4) показывает, что напряжение на выходе ОУ находится в противофазе с входным напряжением. В реальном ОУ с учетом ограниченного значения коэффициента усиления К0 выражение для КОС имеет вид:

. (5.5)

Входное сопротивление при инвертирующем включении ОУ можно считать приближенно RВХ ≈ R1. Выходное сопротивление

где RВЫХ.0 — выходное сопротивление ОУ без обратной связи.

Примечание. Сопротивление RC в этой схеме и далее служит для уменьшения токов смещения ICM в схемах на операционных усилителях.

5.4.3.2. Неинвертирующее включение ОУ


Эквивалентная схема неинвертирующего включения ОУ приведена на рис. 5.10.

 

 

В этой схеме напряжение обратной связи создается делителем R1 – RОС :

. Считая, что напряжение между входами ОУ близко к нулю, можно записать, что UOC= UC, откуда коэффициент усиления по напряжению:

. (5.6)

Входное сопротивление при неинвертирующем включении ОУ велико и определяется приближенно соотношением:

. (5.7)

Выходное сопротивление где β =R1/ROC .

5.4.3.3. Дифференциальное включение ОУ

Эквивалентная схема дифференциального включения ОУ приведена на рис. 5.11. Она представляет собой сочетание инвертирующей и неинвертирующей схем включения и дает возможность получить разность двух входных сигналов с заданным коэффициентом усиления.

 

 

Для получения коэффициента усиления по напряжению данной схемы по-прежнему считаем, что разность напряжений на входах ОУ равна нулю, а токи сигналов не ответвляются на его входы. Составим систему уравнений для напряжений на инверсном и неинверсном входах:

— инверсный вход:


,откуда напряжение на инверсном входе ; (5.8)

— неинверсный вход:

(5.9)

Учитывая, что для идеального ОУ напряжение между входами равно нулю , решая совместно (9.7) и (9.8) получим выражение для

выходного напряжения:

(5.10)

где n =ROC /RВХ = nR/R – коэффициент усиления усилителя с обратной связью. Если сопротивления в схеме отличаются, тогда выходное напряжение может быть определено:

. (5.11)

5.4.3.4. Сумматор

 
 

По аналогии со схемами включения ОУ различают инвертирующий и неинвертирующий сумматоры. Схема инвертирующего сумматора приведена на рис. 5.12. Исходя из принципа суперпозиции, напряжение на выходе инвертирующего сумматора может быть определено соотношением:

, где KOCi =ROC /Ri– коэффициент передачи i – го входного сигнала по инвертирующему входу. В схеме неинвертирующего сумматора входные напряжения подаются на неинверсный вход, а все резисторы, за исключением сопротивления обратной связи ROC , делают одинаковыми. Напряжение на выходе такого сумматора определяется соотношением:

5.4.3.5. Компараторы

Компаратор (от английского Compare) – это устройство, сравнивающее напряжение сигнала на одном из входов с опорным напряжением на другом входе. При использовании в качестве компаратора ОУ, на его выходе будет устанавливаться положительное или отрицательное напряжение насыщения ±Uнас . Обычно в ОУ напряжение насыщения и напряжение питания связаны соотношением: ±Uнас = ± 0,9 Uпит . Компараторы применяют во многих устройствах и схемах, например:

— в триггере Шмитта или схеме, преобразующей сигнал произвольной формы в прямоугольный или импульсный сигнал;

— в детекторе нуля – схеме, индицирующей момент и направление прохождения входного сигнала через 0 В;

— в детекторе уровня — схеме, индицирующей момент достижения входным напряжением данного уровня опорного напряжения,

— в генераторе сигналов треугольной или прямоугольной формы и т.п.

Отличительной особенностью компараторов является отсутствие ООС, т.е. коэффициент усиления по напряжению определяется собственным коэффициентом усиления К0 ОУ.

На рис. 5.13. изображена схема компаратора, чувствительная к напряжению на входе (−). В этой схеме входной сигнал подается на инверсный вход, а неинверсный вход служит для задания опорного напряжения Uоп . Поскольку в схеме компаратора задействованы оба входа, то для анализа его работы и поведения выходного напряжения следует использо-


 

вать третью базовую схему включения – дифференциальное включение ОУ и соотношение (5.10).

В случае когда Uоп = 0, схема компаратора работает как детектор нуля (рис.5.13.б). В том случае, когда UВХ положительно (в течение первого полупериода), UВЫХ равняется − UНАС , поскольку потенциал входа (+) меньше потенциала входа (−) (см. рис. 5.13. б). Во второй полупериод, когда UВХ отрицательно, UВЫХ будетравно +UНАС , так как потенциал входа (+) больше потенциала входа (−). Таким образом, UВЫХ показывает, когда UВХ положительно или отрицательно по отношению к нулевому опорному напряжению.

Когда Uоп > 0 схема компаратора работает как детектор уровня (рис. 5.13. в). На интервале M – N UВЫХ равно − UНАС , поскольку потенциал входа (+) меньше потенциала входа (−) (Uоп < UВХ ). При UВХ < Uоп (интервал N – K) UВЫХ равно +UНАС .

Если поменять местами входы подачи входного напряжения и формирования опорного, то можно получить схему компаратора, чувствительную к напряжению на входе (+).

На практике в некоторых случаях напряжение входа может колебаться относительно опорного уровня. Такие колебания более чем вероятны из-за неизбежных наводок на провода, подходящие к входным зажимам ОУ (напряжение шумов). В этом случае напряжение UВЫХ будет колебаться от одного уровня насыщения к другому, что может приводить к ложным срабатываниям устройств сигнализации, измерения или исполнительных механизмов. С целью предотвращения реакции выходного напряжения на ложные пересечения опорного уровня, в компараторы вводят положительную обратную связь (ПОС). Такие компараторы носят название компараторы с ПОС или регенеративные компараторы, триггеры Шмитта. ПОС осуществляется путем подачи на неинверсный вход некоторой части выходного напряжения UВЫХ с помощью резистивного делителя R3 — R4 (рис. 5.14). Напряжение, формируемое резистивным делителем, будет иметь различные значения, поскольку оно зависит от знака UВЫХ . Оно называется верхним или нижним пороговым напряжением и в компараторах с ПОС устанавливается автоматически:

. (5.12)

 

Положительная обратная связь создает эффект спускового механизма, ускоряя переключение UВЫХ из одного состояния в другое. Как только

UВЫХ начинает изменяться, возникает регенеративная обратная связь, заставляющая UВЫХ изменяться ещё быстрее. В момент времени равный нулю (рис. 5.14. а, б), UВХ отрицательно, поэтому выходное напряжение равно +UНАС и на неинверсном входе будет установлен порог UП.В. . В момент времени t1 напряжение UВХ > +UНАС и компаратор переключается по выходу в напряжение − UНАС . При этом на неинверсном входе установится порог UП.Н.. Очередное переключение компаратора произойдет в момент t2, когда UВХ станет более отрицательным чем напряжение − UНАС .Если пороговые напряжения превышают по величине амплитуду шумов, то ПОС не допустит ложных срабатываний на выходе (рис. 5.14. а, б). Диапазон напряжений − UНАС ≤ U ≤ +UНАС носит название «Гистерезис» или «Зона нечувствительности».

 

 
 

 

 


Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

zdamsam.ru

Применение компаратора в качестве ОУ — Мегаобучалка

Компараторы, не имеющие внутреннего гистерезиса, в принципе могут использоваться в качестве операционных усилителей в низкочастотных схемах. Это удобно при применении многоканальных компараторов, таких, как LM139, в тех случаях, когда схема содержит несколько компараторов и один усилитель. Можно также использовать один из компараторов микросхемы в качестве ОУ для реализации источника опорного напряжения.

Применение компараторов в качестве ОУ ограничено в основном двумя обстоятельствами: сложностью обеспечения устойчивости при наличии отрицательной обратной связи и асимметрией выхода. Для устойчивой работы приходится ограничивать полосу пропускания компаратора (с помощью внешних корректирующих цепей) несколькими килогерцами, что чрезвычайно снижает скорость нарастания выходного напряжения. Компараторы не имеют внутренней частотной коррекции или выводов для подключения внешних корректирующих элементов, хотя часто содержат три каскада усиления напряжения (а это сильно ухудшает условия устойчивости. Поэтому частотная коррекция должна осуществляться внешними цепями. На Рис. 11 показана наиболее простая схема коррекции для компаратора LM139, при которой параллельно выходу компаратора включается конденсатор довольно большой емкости.

Рис. 11. Схема усилителя на компараторе LM139 Рис. 12. Частотные характеристики усилителей на основе компаратора LM139

 

 

Рис. 13. Усилитель на интегральном компараторе с внешним

умощняющим транзистором и фазоопережающей коррекцией

 

Видно, что полоса пропускания усилителя ограничена частотой 100 Гц. Цепь обратной связи Rx и R2 определяет коэффициент усиления, равный 101. Схема имеет малую нагрузочную способность из-за большого сопротивления резистора Rq. В ы х о дможет быть умощнен внешним транзистором VT, включенным по схеме с общим коллектором. Полоса пропускания усилителя, выполненного по этой схеме, может быть расширена до 20 кГц применением более сложной схемы коррекции с фазоопережением (Рис. 13).



 

Логические элементы

Многие компараторы представляют собой логические схемы с широким диапазоном легко настраиваемых уровней. Это позволяет обеспечить более высокую помехоустойчивость по сравнению с обычными логическими элементами. Кроме того, разработчик может оказаться в ситуации, когда в корпусе многоканальной ИМС может остаться неиспользуемый компаратор, который можно включить как логический элемент с тем, чтобы не вводить дополнительную логическую микросхему.

 

Логические элементы

Элемент И/И-НЕ

Трехвходовая схема И представлена на Рис. 14.

Рис. 14. Схема И(ИЛИ) на компараторе

Делитель на резисторах R1 и R2 устанавливает опорное напряжение на инвертирующем входе компаратора

(4.21)

На неинвертирующий вход поступает сумма напряжений на логических входах Х1 Х2, Х3, поделенная делителями напряжения на резисторах R3, R4, R5 и Аб. При равенстве сопротивлений входных резисторов /? 3 = Л4= Л5= R напряжение на неинвертирующем входе КР равно

— (4.22)

Если высокий уровень входных сигналов совпадает с напряжением питания схемы Г8, а низкий — с нулем, то (при наличии на входе двух сигналов высокого уровня из трех) необходимая величина опорного напряжения определяется неравенством

(4.23 )

Если требуются равные запасы помехозащищенности «сверху» и «снизу», то

из (4.23) с учетом (4.21) получим

(4 24)

С увеличением числа входов помехозащищенность схемы уменьшается, поэтомувместо резистивной входной цепи лучше включить обычную диоднуюсхему И. В таком случае следует установить опорное напряжение равным половине Vs. Для преобразования этой схемы в И-НЕ достаточно поменять местами подключение входов компаратора. Для ускорения переключения можно ввести небольшой гистерезис.

 

megaobuchalka.ru

12. Компараторы на основе оу, основные свойства и структуры. Отличия

При работе ОУ в качестве компаратора имеются следующие особенности:

  • ОУ работает с сигналами большого уровня (синфазный сигнал), что предполагает резкую несимметричность характеристик по отдельным входам.

  • Обратная связь чаще всего разомкнута и ОУ работает как регенеративное устройство. При этом его выходной каскад находится в насыщении, что резко снижает быстродействие. Кроме того, полоса пропускания ОУ при этом наиболее широкая и он, как правило, сильно «шумит».

  • Выходное напряжение такого компаратора несимметрично и при смещении в соответствующий логический уровень работа компаратора может ухудшаться (резко отличается время переключения из лог. 0 в лог.1 и наоборот). Заметно будет усиление влияния нагрузок.

Типовая схема включения ОУ компаратором с низким быстродействием приведена.

В этой схеме любое из входных напряжений Uвх1 , Uвх2 может быть опорным.

Рассмотрим два случая работы (для случая, когда входные сигналы положительны):

  • Если Uвх1 < Uвх2 ОУ насыщен по положительной полярности, диод VD1 будет открыт, при этом стабилитрон VD2 пробивается и на выходе схемы Uвых = Uоп VD2 .

  • Если Uвх1 > Uвх2 , то на выходе ОУ устанавливается отрицательное напряжение, диод VD1 – запирается, стабилитрон VD2 выходит из пробоя и на выходе схемы Uвых = IобрVD2×R4 , т.к. IобрVD2→ 0 то и Uвых→ 0.

Резистор R3 задает ток стабилизации Iст стабилитрона VD2 в режиме пробоя. Резистор R4 повышает нагрузочную способность компаратора и фиксирует его внутреннее выходное сопротивление. Ширина петли гистерезиса определяется резисторами R2 и R2’.Значение порогов срабатывания компаратора определяется:

пусть Uоп = Uвх2 , тогда нижний порог срабатывания

верхний порог

Статическая характеристика такого компаратора имеет вид:

Перепад выходного напряжения в этой схеме =3,3 В, что при коэффициенте усиления ОУ≈50∙103 (140УД6) дает разрешающую способность

Реально допустимая разрешающая способность в 0,2…0,3 мВ.

Специализированные интегральные схемы компараторов обладают существенно лучшими характеристиками, чем универсальные операционные усилители, используемые в качестве компараторов. Эти преимущества (малые задержки, высокая скорость нарастания выходного напряжения и сравнительно высокая устойчивость к большим перегрузкам, некритичность в отношении к напряжению источника питания) достигаются ценой полезных для операционных усилителей свойств (в частности ценой точного управления фазовым сдвигом по частоте). Компараторы не имеют частотной компенсации и не могут использоваться в качестве операционных усилителей.

13. Аналоговые делители напряжения и тока. Основные типы резистивных делителей и их основ­ные характеристики

Пред-ют собой сетку рез-в, переключ-е к-х происходит в зав-ти от кода. Питание осущ-ся стабилизированным ист-ком оп-го U E0, c дост-но малым внут-м сопр-ем. Сущ-ет 2 осн-е разновидности дискр-х делителей: послед-ные (напряжения) и ║ (тока). Разница в подсоединение резисторов и определят основные сравнительные св-ва этих дел-ей:

а) Послед-ные делители имеют большое и постоянное входное сопр-ние Rвх, что сущ-но облегчает режим работы оп-го источника U. В параллельных делителях Rвх изменяется в широких пределах, что тре6ует применения опорного источника, допускающего значительные изменения тока нагрузки (например, компенсационного ста6илизатора на транзисторах). Вых-е сопр-е Rвых у послед-х делителей изменяется в широких пределах — от 0 до макс-го значения, что усложняет режим ра6оты сравнивающего устройства. В //-х делителях Rвых=const, что позв-т также легко изменять коэфф-т передачи простым шунтир-м Rвых.

б) В послед-х делителях значение коэфф-та передачи близко к 1, что обесп-ет хороший коэфф-т использ-я Е0. В //-х дел-х это нё всегда удается.

в) В параллельных делителях разрядные резисторы параллельно друг другу, т. е. в отличие от последовательных влияние наводок в них сказывается меньше, так как их общее выходное сопротивление меньше.

г) Суммарные остаточные напряжения всех переключателей и погрешности разрядных резисторов в параллельных делителях не превосходят по значению остаточных напряжений и погрешностей резисторов одного разряда. В последовательных делителях они могут суммироваться. Значит требования к допускам на разрядные резисторы в параллельных делителях менее жесткие.

д) В ║ делителях в отличие от последовательных можно использовать бесконтактные ключи и переключатели.

studfiles.net