Импульсный режим работы операционных усилителей. Компараторы. Триггер Шмитта

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

Работу ОУ в импульсном режиме рассмотрим на примере компаратора, осуществляющего сравнение измеряемого входного напряжения u_вх с опорным напряжением U_оп. Опорное напряжение представляет собой неизменное (заданное) по величине напряжение положительной 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 mах} на U ^-_{вых mах}. При U_оп = 0 компаратор осуществляет фиксацию момента перехода входного напряжения через нуль. Компаратор часто называют нуль-органом, поскольку его переключение происходит при u_вх − U_оп ≈ 0. Решающее влияние на точность сравнения оказывает параметр ОУ – напряжение смещения. Полагают, что точность сравнения равна напряжению смещения ОУ.

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

Простейшая схема компаратора на операционном усилителе приведена на рисунке 4.5, 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 (рисунок 4.5, б). При u_вх < U_оп напряжение u₀ < 0, в связи с чем u_вых = U ⁺_{вых mах}(см. рисунок 4.5). При u_вх > U_оп напряжение u₀ > 0 и u_вых = U ^-_{вых mах}.

Рисунок 4.5 - Схема компаратора на операционном усилителе, его передаточная характеристика и схема компаратора с входными делителями напряжения

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 u₀ = u_вх – U_оп ≈ 0. Если источники входного и опорного напряжений в схеме рисунка 4.5, а поменять местами или изменить полярность их подключения, то произойдет инверсия передаточной характеристики компаратора. Условию u_вх < U_оп будет отвечать равенство u_вых = U ^-_{вых mах} , а условию u_вх > U_оп − u_вых = U ⁺_{вых mах}.

Схема рисунка 4.5, 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 (рисунок 4.5, в).

Рисунок 4.6 - Схема компаратора с положительной обратной связью и его
идеализированная передаточная характеристика

Широкое применение получил также компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью, осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторов R₁, R₂ (рисунок 4.6, а). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистеризисом (рисунок 4.6, б) и исключает "дребезг" фронта сигнала при переключении ОУ в момент сравнения. Схема известна под названием триггера Шмитта или порогового устройства.

Переключение схемы в состояние U ^-_{вых mах} происходит при достижении u_вх напряжения (порога) срабатывания U_cp, а возвращение в исходное состояние u_вых = U ⁺_{вых mах}- при снижении u_вх до напряжения (порога) отпускания U_отп. Значения пороговых напряжений находят по схеме, указав u_о = 0:

,

.

Схема рисунка 4.7, а является частным случаем предыдущей схемы при U_oп = 0. Ее пороговые напряжения и зона гистерезиса (рисунок 4.7, б) составляют U_cp = χ U ⁺_{вых mах} , U_отп = − χ U ^-_{вых mах} и U_г = χ (U ⁺_{вых mах} +U ^-_{вых mах}), где χ = R₁ /(R₁ + R₂). Схема рисунка 4.7, а служит основой при построении генераторов импульсов на ОУ.

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) операционных усилителей общего применения составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения - доли микросекунды.

Рисунок 4.7 - Схема компаратора с положительной обратной связью и нулевым
опорным напряжением и его передаточная характеристика

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.