Схема двухтактного усилителя мощности.

Транзисторы VT1, VT2 образуют двухтактный выходной каскад. Они работают в режиме класса В. При нулевом входном сигнале оба они находятся в состоянии отсечки: i_K1=i_K2=0. При положительной полуволне в активном режиме А, VT2 остается в состоянии отсечки. i_K1 повторяет по форме входное напряжение. Во второй полу период VT1 в состоянии отсечки а VT2 в активном режиме. i_K2 повторяет форму входного напряжения (2-ой полу период). Токи i_K1, i_K2 в первичной обмотке трансформатора Тр2 протекают встречно друг другу, а потому на вторичной обмотке создают напряжение противоположного знака. В результате на выходе схемы возникает практически не искаженный входной сигнал, в то время как активные элементы работают в режиме класса В.

Достоинство схемы высокое КПД и малое нелинейное искажение. В двухтактном усилителе мощности режима класса В возникают специфические искажения типа «ступенька». Они связаны с особенностями входной ВАХ биполярного транзистора. Передаточная характеристика двухтактной схемы режима класса В имеет вид

Для устранения «ступеньки» транзисторы двухтактной схемы должны работать в режиме класса АВ, это достигается подбором резистора R₂ в предыдущей схеме.

Вопрос 67

Бестранзисторные усилители мощности

Они применяются наиболее широко, т.к. отсутствие трансформатора позволяет изготавливать их в виде интегральной схемы.

Бестранзисторные усилители должны иметь:

Малое выходное сопротивление, что необходимо для согласования с низкой нагрузкой.

Выходное напряжение равно нулю, когда входное равно нулю, т.е. усилитель должен быть сбалансированным.

Схема однотактного безтранзисторного усилителя режима класса А

В обоих случаях это усилительный каскад. В первой схеме U_ВЫХ получается после С_Р2, с помощью его мы изменяем постоянную составляющую .

Недостаток: сопротивление нагрузки бывает искаженным. Во второй схеме за счет двухполярного питающего напряжения устраняется разделительный конденсатор С_Р2.

 

Впорос 68

Схема двухтактного безтранзисторного усилителя на комплементарных транзисторах.

Транзисторы имеют одинаковые параметры, но разный тип проводимости называются комплементарными. В этой схеме транзистор VT1 n-p-n типа, VT2 p-n-p типа по отношению к нагрузке, каждый из них включен по схеме с общим коллектором. Транзисторы работают в режиме класса В.

Первый полу период входной сигнал создает ток через транзистор VT1, который на нагрузке создает напряжение. Второй полу период входной сигнал создает ток через транзистор VT2 и второй полу период выходного напряжения. Поскольку токи через нагрузку протекают в разных направлениях, то напряжение получается закономерным – гармоническим.

Вопрос 69

Усилители постоянного тока (УПТ)

 

Это усилители, которые предназначены для усиления, как переменных так и постоянных или изменяющихся в о времени сигналов.

АЧХ коэффициента усиления

В УПТ обычно используется непосредственная (гальваническая) связь между каскадами. Только она обеспечивает передачу от каскада к каскаду постоянного во времени сигнала. Такая связь приводит к двум особенностям таких усилителей.

Необходимость согласования каскадов по постоянной составляющей между собой.

В таких усилителях существенную роль играет «дрейф нуля». Под дрейфом нуля понимают изменение выходного напряжения, при постоянстве его на входе.

Причины дрейфа:

Температурная зависимость параметров элементов схемы. Она создает температурный дрейф. Он имеет наибольший вклад в общий дрейф усилителя.

Это зависимость параметров элементов от величин питающих напряжений.

Временная нестабильность параметров элементов, она создает временной дрейф, он связан со старением элементов.

Шумы элементов схемы.

Все эти причины приводящие к дрейфу являются медленно изменяющимися во времени, а потому в усилителях переменного тока не создают дрейфа. Поскольку у них на низких частотах коэффициент усиления стремится к нулю .

Количественно дрейф нуля оценивают:

Абсолютным дрейфом - это размах изменения выходного напряжения.

Дрейфом приводящего ко входу

На рисунке абсолютный дрейф.

 

 

По принципу действия усилители УПТ бывают следующие: прямого усиления и балансные усилители.

Для уменьшения дрейфа нуля применяют следующие меры:

Используют стабилизирующее питающее напряжение.

Применяют отрицательные обратные связи.

Применяют термокомпенсацию параметров активных элементов.

Применяют термостабилизацию устройства в целом или наиболее ответственных его частей.

Применяют специальные схемотехнические решения. К ним относят: так называемый усилительный дифференцирующий каскад; усилитель с преобразованием частоты входного сигнала.

Вопрос 70

Дифференцирующий усилительный каскад.

Для нормальной работы эта схема должна быть симметрична относительно средней оси, т.е. .

Схема имеет два входа: , на которые можно подать два сигнала.

- дифференцирующий входной сигнал или дифференцирующая составляющая входных сигналов. - синфазный входной сигнал или синфазная составляющая входных сигналов.

Выходным сигналом усилителя может являться:

1) или , такой сигнал называется несимметрично выходным. Напряжение отсчитывается относительно общей точки схем.

2) Такой сигнал используется наиболее часто , такой выходной сигнал называют симметричным.

Подсчитаем выходное напряжение

 

Учитывая, что схема симметрична относительно средней оси , при нулевом входном сигнале , получаем

Если входные напряжения изменяются одинаково, то из-за симметрии схемы получаем, что . Это означает, что такой усилитель не усиливает синфазный сигнал. Поскольку температура одинаково воздействует на обе половины схемы, то ее влияние можно считать синфазным сигналом, а на синфазный сигнал схема не реагирует .

Если входные сигналы изменяются в противоположных направлениях, то также будут изменяться в противоположных направлениях, что приведет к появлению выходного сигнала неравным нулю.

Основные параметры дифференциального каскада

1) , где - сопротивление эммитерного перехода биполярного транзистора.

2) , где -сопротивление эммитерной цепи.

Обычно стремятся чтобы , это достигается , но увеличение означает уменьшение тока . На практике вместо ставят источник тока.

3) Коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС).

 

Вопрос 71

Операционные усилители

Операционные усилители - это УПТ с дифференциальным входом и общим несимметричным выходом, которые имеют большой коэффициент усиления и обычно используются с различными обратными связями. Название этих усилителей связано с тем, что первоначально предполагалось их применять для выполнения различных математических операций над аналоговыми сигналами таких как . Однако после того, как такие усилители были изготовлены в виде интегральных схем они оказались чрезвычайно дешевыми и применяются для выполнения любых операций где требуется усиление электрического сигнала. Это наиболее распространенная аналоговая интегральная схема.

9.1. Условное обозначение и схема включения ОУ по постоянному току

В учебной и научной литературе ОУ обозначают треугольником с пятью, как минимум, выводами.

Выводы ОУ имеют следующие названия:

Он имеет два входа:

1 – инвертирующий вход (обозначен знаком «-» или «о»), U^–_вх - напряжение на инвертирующем входе. Сигнал на этом входе и выходе находятся в противофазе.

2 - неинвертирующий вход (обозначен знаком «+»), U⁺_вх - напряжение на неинвертирующем входе. Сигнал на этом входе и выходе находятся в одной фазе.

Выводы 3, 4, обозначенные , предназначены для подключения питающего напряжения. Обычно ОУ требует двуполярного напряжения питания.

5 – выход, к нему подключается сопротивление нагрузки.

Основное уравнение ОУ, которое показывает связь между входными и выходным напряжениями записывается так

U_вых =К_оу(U⁺_вх–U^–_вх),

где К_оу–коэффициент усиления ОУ.

В технической литературе ОУ обозначается в виде прямоугольника. При этом назначение выводов следующее:

1, 2 – входы ОУ.

3, 4 – для подключения питающего напряжения.

5 – вывод соединен с корпусом ОУ, его обозначается как заземление.

6 – выход ОУ.

7, 8 - выводы для подключения элементов частотной коррекции. Обычно ОУ имеет большой коэффициент усиления и работает в схемах с отрицательной обратной связью, а поэтому возможно его самовозбуждение. Для устранения самовозбуждения между выводами 7, 8 подключают корректирующий конденсатор С_к, который так корректирует ЧХ коэффициента усиления, что при введении отрицательной обратной связи схема на ОУ не возбудится, т.е. не превратится в генератор. Конкретные значение емкости С_к указывают в справочниках для ОУ.

Многие ОУ не имеют внешнего конденсатора, он встроен в схему ОУ, такие ОУ называют с внутренней коррекцией.

9, 10 – предназначены для подключения элементов балансировки ОУ. ОУ считается сбалансированным, если U_вых =0, когда U⁺_вх=U^–_вх=0,, однако это не всегда выполняется из-за технологического разброса параметров элементов схемы ОУ. Для устранения разбаланса, между выводами 9, 10, 4, включают переменный резистор R_бал с помощью которого и достигается условие балансировки.

11 – общая точка схемы ОУ.

9.2. Структурная схема ОУ

ОУ представляет собой многокаскадное устройство и состоит из следующих блоков:

ДУ – дифференциальный усилитель, предназначен для усиления дифференциальной и подавления синфазной составляющих входных сигналов.

УН – усилитель напряжения, обеспечивает основное усиление сигнала по напряжению.

КСУ – каскад сдвига уровня. Обеспечивает сдвиг усиленного входного сигнала по постоянной составляющей, что необходимо для нормальной работы усилителя мощности. На рис. показан сдвиг сигнала U₂ по постоянной составляющей на величину U₀.

УМ – усилитель мощности, он служит для увеличения нагрузочной способности ОУ, создавая на нагрузке сигнал необходимой мощности. Обычно он выполнен по двухтактной схеме с защитой от короткого замыкания.

9.4. Классификация ОУ по назначению

ОУ общего или широкого применения. Применяются наиболее часто, имеют средние значения своих параметров среди ОУ.

Быстродействующие ОУ. Их применяют для усиления импульсных и широкополосных сигналов. Для них характерно высокое значение скорости нарастания выходного напряжения

Прецизионные ОУ. Это точно выполняющие преобразования над аналоговыми сигналами. Для них характерно следующее:

1. ; 2. малый дрейф выходного напряжения.

Микромощные ОУ. Они имеют малую потребляемую мощность и малое питающее напряжение . Используются в автономных устройствах, т.е. где существует ограничение по питанию (радиоприемники, слуховые аппараты и т.д.).

Программируемые ОУ. Они имеют добавочный вывод напряжение, на котором позволяет управлять коэффициентом усиления, частотой единичного усиления , или потребляемой мощностью .

Вопрос 72

9.3. Основные параметры и характеристики ОУ

ОУ имеет большое число параметров, которые можно разделить на следующие группы:

передаточные; 4) частотные;

входные; 5) динамические;

выходные; 6) дрейфовые;

1. Передаточные параметры.

Основными среди этих характеристик являются следующие:

1). Передаточная или амплитудная характеристика (АХ) - это зависимость U_вых =F(U⁺_вх, U^–_вх). Эту функцию двух переменных обычно упрощают и рассматривают так как показано на рис. где,

1. U_вых =F(U⁺_вх), при U^–_вх=0,

2. U_вых =F(U^–_вх), при U⁺_вх =0.

Линейная зависимость между и входными сигналами наблюдается лишь при малых значениях , когда вблизи нуля. При больших значения ОУ переходит в состояние насыщения, т.е. его выходной сигнал принимает напряжение близкое к напряжению питания

Для сбалансированного ОУ АХ проходит через ноль. Реально ОУ разбалансирован, т.е. его АХ смещена относительно нуля.

Разбаланс ОУ характеризуется параметрами:

2) Напряжение сдвига – это

3) напряжение смещения нуля - . Это такое входное напряжение, которое надо подать на вход, чтобы устранить разбаланс ОУ.

К передаточным параметрам относят также:

4). - коэффициент усиления дифференцирующего сигнала.

5). - коэффициент усиления синфазного сигнала.

6). - коэффициент ослабления синфазного сигнала.

Входные параметры ОУ.

1). Величины входных токов . Они зависят от транзисторов входного каскада

Входные токи создают на резисторах напряжения (рис.9), если не одинаковы, то на входе возникает дифференцирующая составляющая входного напряжения, которая будет усилена ОУ, что приведет к его разбалансу. Для устранения разбаланса ОУ за счет входных токов резисторы должны выбираться одинаково.

2). Разность входных токов

3). - максимальное значение входного синфазного напряжения.

4). Величина входного сопротивления: различают входное дифференциальное и входное синфазное сопротивление .

3. Выходные параметры.

1). Выходное сопротивление ОУ R_вых. Обычно R_вых=(10² – 10³)Ом. Однако, благодаря обратным связям R_вых оказывается значительно меньше.

2). - максимальная амплитуда выходного напряжения. .

3). Максимальая величина выходного тока ( - для ОУ широкого применения).

4). Наличие защиты от КЗ.

5. Частотные параметры ОУ.

Их оценивают по графику зависимости коэффициента усиления от частоты. Эту зависимость обычно строят в логарифмическом масштабе и основные частотные параметры следующие:

1). - граничная частота - это частота, на которой коэффициент усиления уменьшается в корень из двух раз, если график построен в линейном масштабе,

или на 3дБ, если график построен в логарифмическом масштабе К(f_гр)=К⁰-3дБ.

2). - частота единичного усиления, это частота где или К_(f1)[дБ]=0 дБ

Частотные параметры ОУ связаны соотношением .

5. Динамические параметры ОУ.

Они характеризуют быстродействие переключения ОУ и количественно оцениваются следующими параметрами.

Скорость нарастания выходного сигнала ,

где t_0.1 и t_0.9 время достижения уровня U_ВЫХ.0,1 и U_ВЫХ.0,9 от стационарного значения принятого за единицу;

2. - время установления выходного напряжения своего стационарного значения с заданной точностью.

6. Дрейфовые параметры.

Они характеризуют зависимость перечисленных параметров от температуры окружающей среды и от изменения напряжения питания.

 

Ворпрос 73

9.5. Понятие об идеальном ОУ. операционном усилителе

Анализ устройств, содержащих операционный усилитель, значительно упрощается, если операционный усилитель считать идеальным. Под идеальным операционным усилителем понимают усилитель со следующими параметрами:

1.

2.

3.

Входы идеального операционного усилителя можно считать виртуально коротко замкнутыми.

В электротехнике вводятся такие определения:

1. Две точки электрической цепи, потенциалы которых равны и сопротивление между которыми равно нулю(рис..) называются короткозамкнутыми (КЗ).

2. Две точки электрической цепи, потенциалы которых равны и сопротивление между которыми равно бесконечности (рис..), называются виртуально короткозамкнутыми (ВКЗ).

Вторым свойством обладают входы ОУ. Это следует, из соотношения что

Последние означает, что входы ОУ виртуально замкнуты т.е. , а Rвх=∞ или Iвх оу=0.

9.6. Анализ устройств содержащих ОУ

В большинстве случаев ОУ используется с обратными связями, которые определяют функциональное назначение устройства и его основные параметры.

 

Вопрос 74

9.6.2. Неинвертирующий усилитель.

Его условное обозначение и принципиальная схема приведены на рис., где K >1. В этой схеме резисторы R₁, R₂ образуют последовательно-параллельную отрицательную обратную связь.

Установим связь между входным и выходным напряжениями. Поскольку входы идеального ОУ виртуально замкнуты, то, запишем

U⁺_вх=U^–_вх.

Здесь U^–_вх= R₁U_вых/(R₁+R₂), а U⁺_вх =U_вх. Подставим записанное в исходное уравнение и, разрешив это уравнение относительно U_вых, получим

U_вых = U_вх (R₁+ R₂)/R₁.

Отсюда К= (R₁+ R₂)/R₁= 1+R₂/R₁.

Если R₁ =∞ (рис.9), то K_и =1, и такой усилитель называется повторителем напряжения. Благодаря последовательной обратной связи по входу он имеет практически R_вх →∞, а благодаря параллельной обратной связи по выходу он имеет R_вых →0.

 

Вопрос 77

.6.5. Усилитель разности напряжения

Это усилитель, в котором выходное напряжение пропорционально разности входных сигналов U_вх2 и U_вх1 (рис.6).). Его условное обозначение и принципиальная схема на ОУ приведены на рис..:

Установим связь между выходным и входными сигналами этой схемы. Для узла «а» по первому закону Кирхгоффа можно записать, что

I_вх = I_ос + I_оу

Если считать, что ОУ идеальный т.е. I_оу=0 и U⁺_вх=U^–_вх = U_вх+ = U_вх2 R₂/(R₁+R₂), то записав токи по закону Ома (I_вх= (U_вх1- U^–_вх)/R₁ а I_ос= (U^–_вх - U_вых)/R₂) получим выражение связывающее выходное и входное напряжения примет вид

U_вых=R₂/R₁(U_вх2-U_вх1).

Идеальный разностный усилитель при подаче на оба входа одинаковых напряжений, т.е. U_вх1 = U_вх2, имеет на выходе напряжение равное нулю. Такие входные напряжения называются синфазными U_cc. В общем случае синфазный сигнал представляет собой среднее значение двух входных напряжений, т.е. U_cc= (U_вх1 + U_вх2)/2. Если U_вх1=-U_вх2, то U_cc= 0.

Разность двух входных напряжений называется дифференциальным сигналом U_дс=U_вх2-U_вх1. Поскольку усилитель разности усиливает только разностный (дифференциальный) сигнал, то такой усилитель часто называют дифференциальным усилителем.

 

Вопрос 76

9.6.4.. Инвертирующий сумматор

Это устройство, у которого выходное напряжение равно алгебраической сумме входных напряжений, взятой с противоположным знаком (рис.5). Его условное обозначение и принципиальная схема на ОУ приведены на рис..:

Установим связь между выходным и входными сигналами этой схемы. Если считать, что ОУ идеальный т.е. I_оу=0 и U⁺_вх=U^–_вх=0, то при подаче на его входы напряжения U₁, U₂,..., U_n, для узла «а» по первому закону Кирхгоффа можно записать, что

I_вх = I₁ + I₂ +...+ I_n = I_ос,

Расписав каждый из токов по закону Ома: I₁ = U₁/ R₁, I₂ = U₂/ R₂,..., I_n = U_n/R_n, I_ос =-U_вых/R_ос , получим выражение связывающее входные и выходное напряжения

U_вых=- (U₁R_ос/R₁+ U₂R_ос/R₂+...+ U_nR_ос/R_n)

 

Вопрос 75

9.6.1.Инвертирующий усилитель. Его обозначение на функциональных схемах приведено на рис.9..

Знак “-” означает, что выходной сигнал находится в противофазе с входным. При этом K >1.

Принципиальная схема инвертирующего усилителя на ОУ приведена на рис.9.. В ней R₁, R₂ – резисторы образуют цепь параллельно-параллельной отрицательной обратной связи.

R₃ – служит для устранения разбаланса ОУ за счет входных токов и выбирается из условия

Установим связь между выходным и входным напряжениями.

Для узла «а» по 1-му закону Кирхгофа запишем соотношение:

Учтем, что для идеального ОУ Iоу=0 и распишем токи I_вх и I_ос используя закон Ома (рис.), т.е.:

Учитывая, что входы ОУ виртуально замкнуты ; получим

; отсюда .

Для того, чтобы реальный усилитель можно было считать близким к идеальному, должно быть выполнено несколько условий:

1. , где K - коэффициент усиления, который должен иметь усилитель.

2. I_ос – ток обратной связи.

3. К выходу усилителя подключается сопротивление нагрузки: .

Порядок расчета усилителя на заданный коэффициент усиления К:

По справочнику выбирается ОУ и определяем его I_оу и R_вх.оу.

Выбираем R₂ из условия: .

3. Рассчитываем R₁=R₂/K.

Если R₁ ≥1кОм, то выбранный ОУ удовлетворяет требованиям, а если R₁ ≤1кОм, то выбираем другой ОУ с большим R_вх и все расчеты проводим заново.

4. Рассчитываем R₃ из соотношения: .

 

Вопрос 78

9.6.6. Дифференцирующий усилитель

Дифференцирующий усилитель, это устройство, в котором входное и выходное напряжение связано соотношением (рис.)

U_вых=KdU_вх/dt. (7)

Простейшие дифференцирующие цепи (например RC - цепь) выполняют эту операцию со значительными погрешностями, причем с повышением точности дифференцирования существенно уменьшается уровень выходного сигнала.

Схема дифференцирующего усилителя на ОУ приведена на рис.7. Установим связь между выходным и входным напряжениями этой схемы. Для узла «а» по первому закону Кирхгоффа можно записать, что

I_вх = I_ос + I_оу

Если считать, что ОУ идеальный, т.е. I_оу=0 и U⁺_вх=U^–_вх = 0, то записав токи по закону Ома (I_вх= I_с = Сd(U_вх- U^–_вх)/dt, а I_ос= (U^–_вх - U_вых)/R₂) получим выражение связывающее выходное и входное напряжения

U_вых=-R_осCdU_вх/dt, (8)

где R_осС= t - постоянная времени дифференцирующего усилителя.

Коэффициент передачи дифференцирующего усилителя определяется выражением

К_(jw) = U_вых/ U_вх = jwt =K_(w)e ^jj(w) , (9)

где K_(w) = wt - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); j_(w) = p/2 - фазово- частотная характеристика (ФЧХ) коэффициента передачи.

Вопрос 79

9.6.7. Интегрирующий усилитель

Это устройство, в котором входное и выходное напряжение связано соотношением

.

Простейшим интегрирующим цепям (например RC - цепям) аналогичны недостатки предыдущего устройства.

Схема интегрирующего усилителя на ОУ приведена на рис.8. Установим связь между выходным и входным напряжениями этой схемы. Для узла «а» по первому закону Кирхгоффа можно записать, что

I_вх = I_ос + I_оу

Если считать, что ОУ идеальный, т.е. I_оу=0 и U⁺_вх=U^–_вх = 0, то, записав токи по закону Ома (I_вх=(U_вх -U^–_вх)/R₂, а I_ос= I_с = Сd(U^–_вх - U_вых)/dt) получим выражение связывающее выходное и входное напряжения

,

где RС= t - постоянная времени интегрирующего усилителя.

Коэффициент передачи интегрирующего усилителя определяется выражением

К_(jw) = U_вых/ U_вх = (jwt)^-1 =K_(w) e ^jj(w),

где K_(w) =(wt)^-1 - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ); j(w) =- p/2 - фазово-частотная характеристика (ФЧХ) коэффициента передачи интегрирующего усилителя.

Вопрос 80

Компараторы напряжения

Компараторы напряжений это устройства, которые предназначены для сравнения двух сигналов. Они имеют два входы. Один из входов предназначен для подачи исследуемого сигнала U_x, а другой для подачи опорного напряжения U_оп.

В момент времени, когда исследуемый сигнал U_x сравнивается с пороговым напряжением U_пор, который зависит от величины опорного напряжения U_оп=F(U_пор), компаратор изменяет свое состояние. Состояние компаратора определяется величиной выходного напряжения, которое может принимать два значения: U_вых=U⁰_вых или U¹_вых.

Работу компаратора обычно характеризуют аналитически, в виде неравенств или амплитудной характеристикой. Компаратор с такой характеристикой называется неинвертирующим.

На рис. приведен инвертирующий компаратор.

В качестве компараторов обычно используют операционные усилители.

Входные (U_вх+, U_вх-) и выходное (U_вых) напряжения ОУ связаны соотношением:

U_вых = К_оу (U_вх+ - U_вх-), (1)

где К_оу - коэффициент усиления операционного усилителя.

В связи с тем, что К_оудостаточно велик (10⁵ — 10⁶),. линейный режим имеет место только при малых входных сигналах, когда диапазон входных не превышает долей или единиц милливольта.

При отсутствии отрицательной обратной связи или при введении положительной обратной связи схемы на ОУ обладают нелинейными свойствами и выполняют функции компараторов, генераторов сигналов и т. п.

При достаточно больших значениях входного дифференциального напряжения имеет место режим ограничения выходного напряжения, т.е:

Uвых = U¹_вых ≈ Е_п⁺ sign U_вх+, при U_вх+ > U_вх-, (1.1)

U⁰ _вых ≈ Е_п^¯ sign U_вх+, при U_вх+ < U_вх-,

Итак, благодаря большому коэффициенту усиления ОУ имеют амплитудную характеристику аналогичную характеристике компаратора.

Недостатком ОУ при использовании их в качестве компараторов является невысокое быстродействие переключения (из-за сложности схемы и большого числа активных элементов).

В тех случаях, когда требуется высокое быстродействие применяют специализированные схемы компараторов. По структуре они аналогичны ОУ, но имеют более простую схему с меньшим числом активных элементов.

Основные параметры компаратора аналогичны параметрам ОУ, но имеются и специфические: зона неопределенности 2ΔЕ=Е_п/К_оу - это такое изменение исследуемого напряжения вблизи порога срабатывания, при котором компаратор не принимает ни одного из своих стационарных состояний.

Параметры, характеризующие качество компараторов, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.

Компаратор характеризуется теми же точностными параметрами, что и ОУ.

Основным динамическим параметром компаратора является время переключения t_п. Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение компаратора достигает противоположного логического уровня. Время переключения замеряется при постоянном опорном напряжении, подаваемом на один из входов компаратора и скачке входного напряжения U_вх, подаваемого на другой вход. Это время зависит от величины превышения U_вх над опорным напряжением. На рис. 8 приведены переходные характеристики компаратора mА710 для различных значений дифференциального входного напряжения U_д при общем скачке входного напряжения в 100 мВ. Время переключения компаратора t_п можно разбить на две составляющие: время задержки t_з и время нарастания до порога срабатывания логической схемы t_н. В справочниках обычно приводится время переключения для значения дифференциального напряжения, равного 5 мВ после скачка.

Рис. 8. Переходная характеристика компаратора А710 при различных превышениях скачка входного напряжения U_д над опорным: 1 - на 2 мВ; 2 - на 5 мВ; 3 - на 10 мВ; 4 - на 20 мВ.

Выходные каскады компараторов обычно обладают большей гибкостью, чем выходные каскады операционных усилителей. В обычном ОУ используют двухтактный выходной каскад, который обеспечивает размах напряжения в пределах между значениями напряжения питания (например, +/-13 В для ОУ типа 140УД7, работающего от источников +/-15 В). В выходном каскаде компаратора эмиттер, как правило, заземлен, и выходной сигнал снимается с "открытого коллектора". Выходные транзисторы некоторых типов компараторов, например, 521СА3 или LM311 имеют открытые, т.е. неподключенные, и коллектор и эмиттер. Две основные схемы включения компараторов такого типа приведены на рис. 5.На рис. 5а выходной транзистор компаратора включен по схеме с общим эмиттером. При потенциале на верхнем выводе резистора равном +5 В к выходу можно подключать входы ТТL, nМОП- и КМОП-логику с питанием от источника 5 В. Для управления КМОП-логикой с более высоким напряжением питания следует верхний вывод резистора подключить к источнику питания данной цифровой микросхемы.

Если требуется изменение выходного напряжения компаратора в пределах от U⁺_пит до U^-_пит, выходной каскад включается по схеме эмиттерного повторителя (рис. 5б). При этом заметно снижается быстродействие компаратора и происходит инверсия его входов.

Рис. 5. Схемы включения выходного каскада компаратора 521СА3.

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор - это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.

Вопрос 81

Разновидности схем компараторов

Компараторы без положительной обратной связи

двухвходовые (для сравнения однополярных входных сигналов)

одновходовые (для сравнения разнополярных входных сигналов)

Компараторы с положительной обратной связью

Двухвходовый инвертирующий компаратор

Схема двухвходового компаратора приведена на рис..

Определим величину порогового напряжения Uпор. Компаратор срабатывает, когда Uх= U_вх- = U_вх+=U_оп. Отсюда следует, что U_пор=U_оп. На рис. приведена амплитудная характеристика, а на рис. временные диаграммы работы схемы, когда входной сигнал гармонический.

Двухвходовый неинвертирующий компаратор.

Схема двухвходового компаратора приведена на рис..