КОМПАРАТОРЫ. ТРИГГЕР ШМИТТА

ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ.

Интегральные операционные усилители находят широкое приме­нение в импульсной технике. Уровни входного сигнала ОУ в импульс­ном режиме работы превышают значения, соответствующие линейной области амплитудной характеристики (см. рис. 2.41). В связи с этим выходное напряжение ОУ в процессе работы определяется либо на­пряжением U⁺ _{вых max}, либо U^--- _{вых max.}

Работу ОУ в импульсном режиме рассмотрим на примере компа­ратора, осуществля-ющего сравнение измеряемого входного напря­жения (U _вх) с опорным напряжением (U _оп).

Опорное напряжение пред­ставляет собой неизменное по величине напряжение положитель-ной или отрицательной полярности, входное напряжение изменяется во времени. При достижении входным напряжением уровня опорного напряжения происходит изменение полярности напряжения на вы­ходе ОУ, например с U⁺ _вых.max на U^--- _вых.max. При U _оп = 0 компа-

ратор осуществляет фиксацию момента перехода входного напряже­ния через нуль. Компаратор часто называют нуль-органом, посколь­ку его переключение происходит при u_вх — U_оп ≈ 0.

Компараторы нашли применение в системах автоматического управ­ления и в измери-тельной технике, а также для построения различных узлов импульсного и цифрового действия (в частности, аналого-циф­ровых и цифро-аналоговых преобразователей).

 

 

Рис. 3.5. Схема компаратора на операционном усилителе (а), его передаточная характеристика (б), схема компара­тора с входными делителями напряжения (в)

Простейшая схема компаратора на операционном усилителе при­ведена на рис. 3.5, а. Ее характеризует симметричное подключение измеряемого и опорного напряжений ко входам ОУ. Разность напря­жений u_вх — U_оп является входным напряжением u₀ ОУ, что и опре­деляет передаточную характеристику компаратора (рис. 3.5, б). При u _вх< U _оп напряжение u ₀< 0, в связи с чем (см. рис. 2.41). При U_вх>U_оп напряжение u₀> 0 и .

Изменение полярности выходного напряжения происходит при переходе входного измеряемого напряжения через значение U_оп. Ввиду большого значения коэффициента усиления ОУ это изменение носит ступенчатый характер при u ₀ = u _вх — U _оп ≈ 0. Если источ­ники входного и опорного напряжений в схеме рис. 3.5, а поменять местами или изменить полярность их подключения, то произойдет инверсия передаточной характеристики компаратора. Условию u_вх< U_оп будет отвечать равенство , а условию .

Схема рис. 3.5, а применима тогда, когда измеряемое и опорное напряжения не превышают допустимых паспортных значений вход­ных напряжений ОУ. В противном случае они подключаются к ОУ с помощью делителей напряжения (рис. 3.5, в).

Широкое применение получил также компаратор, в котором ОУ охвачен положи-тельной обратной связью, осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторов R₁, R₂ (рис. 3.6, а). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистеризисом (рис. 3.6, б). Схема известна под названием триггера Шмитта или порогового устройства.

Рис. 3.6. Схема компаратора с положительной обратной связью (а) и его идеализированная передаточная харак­теристика (б)

Переключение схемы в состояние происходит при до­стижении u _вх напряжения (порога) срабатывания U _ср, а возвращение в исходное состояние u _вых = U ⁺_{вых max} — при сниже­нии u _вх до напряжения (порога) отпускания U _отп. Зна­чения пороговых напряжений находят по схеме, положив u ₀ = 0.

откуда ширина зоны гистерезиса

Схема рис. 3.7, а является частным случаем предыдущей схемы при U _оп = 0. Ее пороговые напряжения и зона гистерезиса (рис. 3.7, б) составляют U _ср = κU ⁺_{вых max}, и , где κ = R₁/(R₁ + R₂). Схема рис. 3.7, а служит основой при построении генераторов импульсов на ОУ (см. § 3.4, 3.5).

Важнейшим показателем операционных усилителей, работающих в импульсном режиме, является их быстродействие, которое оценивается задержкой срабатывания и време­нем нарастания выходного напряжения. За­держка срабатывания (время задержки выходного импульса) ОУ об­щего применения составляет единицы микросекунд, а время нараста­ния выходного напряжения — доли микросекунды.

Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, пред­назначенные непосредственно для импульсного режима работы и по­лучившие общее название «компараторы». Задержка срабатывания таких микросхем составляет менее 1 мкс, а время нарастания — сотые доли микросекунды. Более высокое быстродействие достигается, в частности, за счет уменьшения τ_β интегральных транзисторов и исклю­чения режима их насыщения в схеме ОУ.

 

Рис. 3.7. Схема компаратора с положительной обрат­ной связью и нулевым опорным напряжением (а), его передаточная характеристика (б)

МУЛЬТИВИБРАТОРЫ

 

Мультивибраторы относятся к классу узлов импульс­ной техники, предназначенных для генерирования периодической по­следовательности импульсов напряжения прямоугольной формы с требуемыми параметрами (амплитудой, длительностью, частотой сле­дования и др.). Подобно генераторам синусоидальных колебаний, мультивибраторы работают в режиме самовозбуждения: для форми­рования импульсного сигнала в мультивибраторах не требуется внеш­нее воздействие, например подача входных сигналов. Процесс получе­ния импульсного напряжения основывается на преобразовании энер­гии источника постоянного тока.

Мультивибратор в подавляющем большинстве случаев выполняет функцию задающего (ведущего) генератора, формирующего запускаю­щие входные импульсы для последующих узлов и блоков в системе импульсного или цифрового действия.

Существует большое разнообразие средств и методов построения схем мультивибраторов» В настоящее время для построения мульти­вибраторов наибольшее распространение получили операционные усилители в интегральном исполнении.

Возможность создания мультивибратора на операционном усили­теле основывается на использовании ОУ в качестве порогового узла (компаратора). Схема симметричного мультивибра­тора на ОУ приведена на рис. 3.8, а. Ее основой служит компара­тор на ОУ с положительной обратной связью (см. рис. 3.7, а), обладающий передаточной характеристикой вида рис. 3.7, б. Автоколеба­тельный режим работы создается благодаря подключению к инверти­рующему входу ОУ времязадающей цепи из конденсатора C и резистора R.

Принцип действия схемы иллюстрируют временные диаграм­мы, приведенные на рис. 3.8, б — г.

Предположим, что до момента времени t₁ напряжение между вхо­дами ОУ u₀ > 0. Это определяет напряжение на выходе ОУ и на его неинвертирующем входе (рис. 3.8, б, в), где κ = R₁/(R₁ + R ₂) коэффициент передачи цепи положительной обратной связи. Нали­чие на выходе схемы напряжения — U ^--- _{выx .max} обусловливает процесс заряда конденсатора C через резистор R с по­лярностью, указанной на рис. 3.8, а без скобок. В момент времени t ₁ экспонен­циально изменяющееся напряжение на инвертирующем входе ОУ (рис. 3.8, г) достигает напряжения на неинвертирую­щем входе . Напряжение u ₀ становится равным нулю, что вызывает изменение полярности напряжения на выходе ОУ: U _вых = U ⁺_вых.max (рис. 3.8, б). Напряжение изменяет знак и стано­вится равным κU⁺_{выx .max} (рис. 3.8, в), что соответствует u₀< 0 и U_вых = U⁺ _выx.max.

С момента времени t₁ начинается пе­резаряд конденсатора от уровня напря­жения — — κU^-_{выx .max}. Конденсатор стре­мится перезарядиться в цепи с резис­тором R до уровня U⁺ _выx.max. с полярностью напряжения, указанной на рис. 3.8, а в скобках. В момент времени t₂ напряжение на конденсаторе достигает значения κU⁺ _{вых max}. Напряжение u ₀ становится равным нулю, что вызывает переключение ОУ в противоположное состояние (рис. 3.8, б — г). Далее про­цессы в схеме протекают аналогично.

Рис. 3.8. Схема симметрично­го мультивибратора и а ОУ (а) и его временные диаграммы (б-г)

Частота следования импульсов сим­метричного мультивибратора

. (3.16)

Время t_и можно определить по длительности интервала t_и1 (рис. 3.8, б), характеризующего перезаряд конденсатора C в цепи с резистором R и напряжением U_вых.max от до (рис. 3.8, г). Процесс перезаряда описывается известным из ТОЭ уравнением

, (3.17)

где τ = CR.

Отсюда

. (3.18)

Положив в выражении (3.18) , находим:

(3.19)

(3.20)

Если принять для ОУ , то соотношения (3.19), (3.20) примут вид

, (3.21)

. (3.22)

На рис. 3.9, а приведена схема несимметричного мультивибратора на ОУ, для которого t _и1 ≠ t _и2. Несим­метричному режиму работы отвечают неодинаковые постоянные вре­мени времязадающих цепей мультивибратора по полупериодам. В схе­ме рис. 3.9, а это достигается включением вместо резистора R двух параллельных ветвей, состоящих из резистора и диода. Диод -Д₁ от­крыт при положительной полярности выходного напряжения, а диод Д₂ — при отрицательной. В первом случае τ₁= CR', во втором — τ₂ = CR'' Вид кривой выходного напряжения при R"> R' показан на рис. 3.9, б. Длительности импульсов t_и1, t_и2 несимметрично­го мультивибратора рассчитывают по формуле (3.21) с подстанов­кой соответствующего значения τ _1,2, а его частоту — по формуле

.

На выбор коэффициента передачи κ = R₁/(R₁ + R₂) и значений сопротивлений резисторов в обеих схемах накладываются условия ограничения по предельно допустимым режимам работы операцион­ного усилителя. Так, коэффициент передачи х задают с учетом

Рис. 3.9.Схема несимметричного мультивибратора на ОУ (а), кривая его выходного напряжения (б)

макси­мально допустимого значения напряжения U _0max по дифференциаль­ному входу ОУ. В то время как максимальные напряжения на неинвертирующем и инвертирующем входах ОУ в мультивибраторах со­ставляют κU^± _вых.max, максимальному напряжению на дифференци­аль-ном входе соответствует величина 2 κU^± _вых.max, воз­действующая в момент переключения схемы. Исходя из этого κ ≤ U _0max/(2 U^± _вых.max). Если напряжения питания ОУ E _к1 = E _к2 = E _к и U⁺_выхmax = U^--_выхmax ≈E_к, то коэффициент передачи κ выбирают из условия

(3.23)

Выбор значений сопротивлений R, R₁ R₂ в схемах осуществляют с учетом максимально допустимого тока I_выхmах операционного уси­лителя. Выходной ток ОУ образуется из трех составляющих: тока на­грузки u _вых/ R _н, тока обратной связи по неинвертирующему входу u_вых/(R₁ + R₂) и тока обратной связи (u_вых --- u_c)/R по инверти­рующему входу, максимального в момент переключения схемы. В пред­положении E _к1 = E _к2 = Е _к и U⁺ _{вых max} = U^-_{вых max} ≈ E_к имеем

. (3.24)

Для отдельных типов ОУ максимально допустимый ток зависит от полярности выходного напряжения (U⁺_{вых max}, U^--_вых.max). В этом случае в качестве тока I _вых.max выбирают наименьшее из его значе­ний.

В схеме рис. 3.9, а условие (3.24) должно выполняться для наи­меньшего из сопротив-лений R', R". Ограничение по максимуму со­противлений R, R₁ вводят для уменьшения влияния нестабильности входного сопротивления R _вх.ОУ на длительность выходных импуль­сов и частоту мультивибратора. Исходя из этого, сопротивления R и R ₁ выбирают в 3—5 раз (а иногда и более) меньшими входного сопро­тивления ОУ соответственно по инвертирующему и неинвертирующе­му входам.

Длительности фронтов генерируемых импульсов определяются временем переключения ОУ при управлении большим уровнем вход­ного сигнала. Достигаемые длительности фронтов зависят от типа ис­пользуемого ОУ и составляют не более 0,5 мкс.

Распространенной операцией преобразования импульсного сигна­ла прямоугольной формы, получаемой, в частности, от мультивибра­тора, является уменьшение длительности импульсов, осуществляемое с помощью так называемой укорачивающей или дифференцирующей цепи (рис. 3.10, а). Дифференцирующую цепь используют для формирования запускающих импульсов последующих узлов, например одновибратора (см. § 3.5), в момент начала или окончания импульса прямоугольной формы.

Принцип действия дифференцирующей цепи основывается на про­цессах перезаряда конденсатора C в цепи с резистором R под воздей­ствием входных импульсов.

Предположим, что на вход дифференцирующей цепи поступают двухполярные импульсы прямоугольной формы (рис. 3.10, б). На ин­тервале t₀ — t ₁ u_вх = —U_m и конден­сатор заряжен до напряжения — U _m с полярностью, указанной на рис. 3.10, а без скобок. Поскольку напряжение на конденсаторе не может измениться скач­ком, изменение полярности входного импульса в момент времени t ₁ вызывает на выходе цепи скачок напряжения 2 U _m положительной полярности (рис. 3.10, г).

После момента времени процесс в цепи обусловливается зарядом конденсатора C по экспоненциальному закону до на­пряжения U_m (рис. 3.10, в). Если при­нять внутреннее сопротивление источни­ка сигналов R _г = 0, то постоянная вре­мени τ = CR.

Характер изменения напряжения на конденсаторе с момента времени t ₁ на­ходим по формуле (3.17), где u_с(∞) = -- U_m, u_с(0) = --U_m:

Рис.3.10. Схема дифференцирующей цепи (а) и ее временные диаграммы (б —д)

(3.25)

Напряжение на выходе цепи u _вых= u_вх — u_C(t) изменяется согласно за­висимости

. (3.26)

Иными словами, с момента времени t ₁ дифференцирую-щая цепь формирует импульс экспоненциальной формы положительной полярности, длительность которого зависит от постоянной времени τ (рис. 3.10, г).

По окончании процесса заряда напряжение на конденсаторе равно U_m и имеет полярность, указанную на рис. 3.10, а в скобках.

Изменение полярности входного импульса в момент времени t ₂ вызывает обратный перезаряд конденсатора и аналогичное формиро­вание па выходе цепи импульса напряжения отрицательной поляр­ности (рис. 3.10, г).

Таким образом, на выходе цепи создается последовательность им­пульсов напряжения чередующейся полярности, совпадающих во 191 времени с началом действия входных импульсов. Требуемая длитель­ность выходных импульсов достигается с помощью соответствующей постоянной времени τ = CR, которую обычно выбирают много мень­шей длительности t _и входных импульсов. Для выделения выходных импульсов только одной полярности к выходу дифференцирующей це­пи подключают диод. На рис. 1.10, а пунктиром показан способ вклю­чения диода для получения выходных импульсов только положитель­ной полярности (рис. 3.10, д). Если требуются импульсы отрицатель­ной полярности, диод включают в противоположном направлении.

ОДНОВИБРАТОРЫ

Одновибраторы предназначены для формирования пря­моугольного импульса напряжения тре­буемой длительности при воздействии на входе короткого запускающего им­пульса.

Одновибраторы, так же как мульти­вибраторы и триггеры, относятся к классу схем, обладающих двумя состоя­ниями. Однако в отличие от мульти­вибраторов, в которых оба состояния являются неустойчивыми, в одновибраторах (часто называемых также ждущимимультивибраторами) одно состояние устойчивое, а другое — неустойчивое. Устойчивое состояние ха­рактеризует исходный режим работы (режиможидания)одновибратора. Неустойчивое состояние наступает с приходом входного запус­кающего импульса. Оно продолжается некоторое время, определяемое время- задающей цепью схемы, после чего одновибратор возвращается в исходное устойчивое состояние.

Выходной импульс формируется в результате следования одного за другим двух тактов переключения схемы.

В настоящее время для построения одновибраторов используют преимуще­ственно интегральные операционные усилители. Наибольшее распростране­ние получила схема одновибратора, приведенная на рис. 3.11, а.

Рис. 3.11. Схема одновиб-ратора (а) и его временные диаграммы (б — д)

Ее основой служит схема мультивиб­ратора рис. 3.8, а, в которой для созда­ния ждущего режима работы параллель­но конденсатору C включен диод D₁. При показанном на рис. 3.11, а направлении включения дио­да D₁ схема запускается входным импульсом напряжения положительной полярности. При обратном включении диода D₁ (а также D₂) требуется запускающий импульс отрицательной поляр­ности, чему соответствует также изменение полярности выходного импульса.

В исходном состоянии напряжение на выходе одновибратора рав­но U^--_{вых max}, что определяет напряжение на неинвертирующем вхо­де ОУ u ₍₊₎= κU^-- _выx.max (Рис. 3.11, б — г). Напряжение на инвер­тирующем входе ОУ u _(--) равное падению напряжения на диоде D ₁ от протекания тока по цепи с резистором R, близко к нулю (рис. 3.11, д).

Поступающий входной импульс в момент времени t ₁ переводит ОУ в состояние U⁺ _{вых max}. На неинвертирующий вход ОУ передается напряжение κU⁺ _вых.max (рис. 3.11, г), поддерживающее его изме­нившееся состояние. Воздействие напряжения положительной по­лярности на выходе ОУ вызывает процесс заряда конденсатора C в цепи с резистором R, в которой конденсатор стремится зарядиться до напряжения U⁺_{вых maх} (рис. 3.11, а). Характер процесса заряда на­ходят из уравнения (3,17), где u _c(∞) = U⁺ _{вых max}, u _C(0) = 0, τ = CR:

(3.27)

Однако в процессе заряда напряжение на конден-саторе не дости­гает значения U⁺_вых.max, так как в момент времени t ₂ при u _(--) = u_C = κU⁺ _вых.max происходит возвращение ОУ в исходное состояние (рис. 3.11, в, г). Положив в (3.27) u_c(t_и) = κU⁺ _вых.max, находим дли­тельность импульса, формируемого одновибратором:

. (3.28)

После момента времени t₂ в схеме наступает процесс восстановле­ния исходного напряжения на конденсаторе u _С =0 (рис. 3.11, 3), который обусловливается изменившейся полярностью напряжения на выходе ОУ. Процесс перезаряда конденсатора в цепи с резистором R определяется зависимостью (3.17), где u _C(∞) = — U^-- _вых.max, u_C(0) =

= κU⁺ _выхmax. отсюда

. (3.29)

Режим восстановления заканчивается тем, что напряжение на кон­денсаторе достигает напряжения отпирания диода D₁, которое можно принять равным нулю. Положив в формуле (3.29) u _C = 0 при t = t _восст, находим время восстановления:

(3.30)

При U⁺ _{вых max} = U^--_{вых max} имеем

. (3.31)

Поскольку коэффициент передачи κ < 1 и 1/(1 — κ) >1 + κ, длительность импульса t_и > t_восст.

Процесс восстановления исходного состояния схемы должен быть завершен к приходу очередного запускающего импульса. В тех случа­ях, когда длительность t _и соизмерима с периодом следования запус­кающих импульсов, возникает задача сокращения времени t _восст. С этой целью параллельно ре­зистору R включают ветвь из диода D ₂ и резистора R' умень­шающую постоянную времени этапа восстановления. При этом постоянная τ в выражении (3.31) составит C(R||R'), а для t_и она останется без изменения.

На выбор κ и сопротивлений резисторов накладываются те же ограничения, что и для схе­мы мультивибратора (см. рис. 3.8, а).