Релаксационные схемы на компараторах

Операционный усилитель, работающий без отрицательной обратной связи представляет собой компаратор.

4.3.1 Компараторы

Выходное напряжение компаратора составляет:

Соответствующая передаточная характеристика приведена на рис. 4.8. Благодаря высокому усилению схема реагирует на весьма малое разностное напряжение U₁ – U₂ и потому хорошо подходит для высокоточного сравнения двух напряжений.

 

Рис. 4.8. Компаратор с логическим выходом y = 1 при U₁ > U₂.

При отклонении разности входных напряжений от нуля изменение выходного напряжения от одной границы рабочего участка переходной характеристики до другой происходит постепенно (не мгновенно) в силу того, что скорость нарастания сигнала ограничена. У стандартных операционных усилителей с частотной коррекцией она равна всего 1В/мкс, так что переход от –12 до +12В длится 24мкс. Время восстановления усилителя после перегрузки увеличивает задержку.

Поскольку усилитель не охвачен отрицательной обратной связью, отпадает надобность в частотной коррекции. Отказ от нее намного улучшает скорость нарастания сигнала и сокращает время восстановления усилителя. Существенное сокращение задержки обеспечивается специальными компараторными усилителями. Они конструируются для работы без обратной связи и отличаются особенно малым временем восстановления. Однако усиление, а следовательно, и точность порога переключения у них несколько хуже, чем у операционных усилителей. Как правило, выход усилителя прямо подключается к схеме сдвига уровня, позволяющей непосредственно управлять цифровыми микросхемами.

4.3.2 Триггер Шмитта

Триггер Шмитта представляет собой компаратор, у которого пороги включения и выключения не совпадают, различаясь на величину гистерезиса срабатывания ∆U_e

В (инвертирующем) триггере Шмитта (рис. 4.9) гистерезис срабатывания образуется благодаря положительной обратной связи, охватывающей компаратор через делитель напряжения R₁, R₂. Если приложено большое отрицательное напряжение U_e, имеет место U_a = U_{a max}. Поэтому на неинвертирующем входе возникает потенциал

Выходное напряжение U_a, а вместе с ним и V_P изменяются только после того, как U_e сравняется с V_{P max}. Разность U_D = V_P – V_N становится отрицательной. Благодаря положительной обратной связи U_a скачком достигает значения U_{a min}. Потенциал V_P принимает значение

U_D становится большим и отрицательным. Такое состояние нестабильно. Выходное напряжениие вновь скачком принимает значение U_{a max}, когда входное напряжение достигает значения V_{P min}

.

Рис. 4.9. Инвертирующий триггер Шмита и его передаточная характеристика.

Гистерезис срабатывания такой схемы

Схема бистабильна, только если петлевое усиление

Реакция триггера Шмитта на синусоидальное входное напряжение показана на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Диаграмма напряжений в инвертирующем триггере Шмита.

4.3.3 Мультивибраторы

Если инвертирующий триггер Шмитта включить так, чтобы выходной сигнал попадал на вход с задержкой, получится мультивибратор (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Мультивибратор с компаратором и временная диаграмма

Как только потенциал на инвертирующем входе превышает порог срабатывания, схема опрокидывается и выходное напряжение оказывается равным противоположному пределу рабочего участка переходной характеристики. Благодаря этому потенциал на указанном входе изменяется в обратную сторону, пока не будет достигнут другой порог срабатывания и схема не вернется в начальное состояние.

Тогда период колебаний при R₁ = R₂ составляет

4.3.4. Мультивибратор с прецизионным триггером Шмитта

Подключение прецизионного триггера Шмитта позволяет улучшить стабильность частоты мультивибратора, собранного согласно рис. 4.11. В итоге получится схема, показанная на рис. 4.12. Часть схемы в рамке является интегральным таймером NE555, обеспечивающим простейшее решение проблемы на низких частотах. В зависимости от внешних элементов схемы таймер действует как мультивибратор, одновибратор или прецизионный триггер Шмитта. На рис. 4.13 показана временная диаграмма напряжения таймера в качестве мультивибратора.

Рис. 4.12. Мультивибратор с таймером;

период колебаний T = (R₁ + 2R₂) C ln 2 ≈ 0,7(R₁ + 2R₂) C

Рис. 4.13. Временная диаграмма напряжения таймера в качестве мультивибратора

Вывод перезапуска 4 позволяет останавливать колебательный процесс. При подаче напряжения на вывод 5 смещается порог срабатывания триггера.

Этот прием дает возможность корректировать время заряда t₁ и, следовательно, частоту мультивибратора. С изменением потенциала V₅ = 2/3V⁺на величину ∆V₅ относительное изменение частоты составит

При не слишком большом значении ∆V₅ имеет место частотная модуляция с приемлемой линейностью.

4.3.5 Одновибраторы

Таймер 555 удобен также для генерации одиночных импульсов, причем длительность импульсов составляет от нескольких микросекунд до минут (см. рис. 4.14).

Рис. 4.14. Одновибратор с таймером;

время включения t₁ = R₁C ln 3 ≈ 1,1R₁C

Как только напряжение на конденсаторе превысит верхний порог переключения, одновибратор возвратится в исходное состояние, то есть выходное напряжение переходит в состояние 0. Транзистор T открывается, и конденсатор разряжается. Поскольку нижний компаратор больше не подключен к конденсатору, это состояние сохраняется до тех пор, пока устройство не будет включено отрицательным импульсом, поданным на его вход 2. Длительность формируемого импульса равна времени, за которое напряжение на конденсаторе поднимется от нуля до верхнего порога переключения.

Если в течение данного периода поступит новый запускающий импульс, он будет проигнорирован, и одновибратор останется включенным с выходным напряжением в состоянии 1.