Инвертирующий триггер Шмитта

Компараторы на ОУ. Простейшая схема компаратора

Компаратор или сравнивающее устройство определяет, какой из двух сигналов больше, или достигает один из сигналов заданного значения.

Входные аналоговые сигналы компаратора обычно различают как анализируемый сигнал – U_вх и опорный сигнал U_оп, с которым сравнивается U_вх.

Выходной сигнал компаратора – дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации.

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей. Таким образом, компаратор – это прежде всего неотъемлемый элемент при решении задачи перехода от аналогового представления информации к цифровому.

Если включить операционный усилитель без обратной связи, как показано на рисунке 11.2, то он будет представлять собой компаратор.

Рисунок 11.2 – Простейший компаратор

Его выходное напряжение составляет

Передаточная характеристика компаратора изображена на рисунке 11.3.

Рисунок 11.3 – Передаточная характеристика

Благодаря высокому коэффициенту усиления схема переключается при очень малой величине разности напряжения , поэтому пригодна для сравнения двух напряжений с высокой точностью.

При смене знака разности входных потенциалов выходное напряжение не может мгновенно перейти из одного уровня насыщения к другому, так как величина скорости нарастания выходного напряжения операционного усилителя ограничено. Для стандартного частотноскорректованного операционного усилителя оно составляет около 1 V/μS. Переход с уровня -13 V на уровень +13 V длится таким образом 26 μS. Вследствие конечного времени восстановления операционного усилителя при выходе его из состояния насыщения задержка переключения компаратора еще увеличивается.

Существенно меньших значений времени задержки можно добиться, если использовать специализированные Ис-компараторы. Они предназначены для работы без обратной связи и имеют особо малые значения времени восстановления. Коэффициент усиления, а, следовательно, и точность установки срабатывания этих ИС несколько меньше, чем у стандартных ОУ. Выход такого компаратора связан, как правило, со встроенным преобразователем уровня сигнала, благодаря которому такой компаратор может непосредственно соединяться с входами цифровых схем. Отечественные ИС компараторов выпускаются в составе 521 и 554 серий. Это К521СА1, К521СА2, К554СА1, К554СА2,3.

Описанные компараторы имеют ограниченный диапазон входных напряжений. Если нужно сравнивать большие величины входных напряжений, можно воспользоваться схемой, приведенной на рисунке 11.4.

Рисунок 11.4 – Суммирующий компаратор

Компаратор срабатывает при переходе величины U₀ через ноль. При этом

Таким образом, сравниваемые напряжения должны иметь противоположные знаки. Благодаря включению диодов, напряжение на прямом входе (U₀) не может превысить 0,6 V.

На рисунке 11.5 представлена схема с цепочкой стабилитронов в обратной связи. Когда выходное напряжение достигает значений (0,6 V), операционный усилитель оказывается охваченным отрицательной обратной связью. При этом дальнейший рост выходного напряжения прекращается.

Рисунок 11.5 – Компаратор на ОУ с ограничением входного напряжения

Кроме того, так как операционный усилитель не насыщается, из общего времени задержки срабатывания исключается время восстановления компаратора.

Для изменения состояния выхода компаратора на конечную величину при бесконечно малом изменении входного сигнала, нужно иметь бесконечно большой коэффициент усиления и отсутствие шумов во входном сигнале.

Однако, при медленном изменении входного сигнала, при любом значении коэффициента усиления, выходный сигнал будет изменяться медленно, что плохо для последующих логических схем. Кроме того, при наличии входных шумов будет иметь место многоразовое срабатывание компаратора, так называемый «дребезг».

Рисунок 11.6

На рисунке 11.6 проиллюстрирована описанная выше ситуация для случая незашумленного входного сигнала а) и для случая входного сигнала с заметным шумом б). Для борьбы с явлением «дребезга» обычно применяется положительная обратная связь, которая охватывает усилитель с большим коэффициентом усиления. Получаем компаратор, у которого уровни включения и выключения не совпадают, а различаются на величину, называемую гистерезисом . Такой компаратор называется триггером Шмитта.

В схеме триггера Шмитта, предложенной на рисунке 11.7 гистерезис переключения достигается тем, что компаратор охватывается положительной обратной связью через делитель напряжения и .

Рисунок 11.7 – Инвертирующий триггер Шмитта

Если к инвертирующему входу приложено большое отрицательное напряжение , то выходное напряжение компаратора составит

На неинвертирующем входе потенциал определяется из соотношения

При повышении входного напряжения величина выходного напряжения сначала не меняется, но как только достигают значения , выходное напряжение скачком падает до величины , а потенциал на неинвертирующем входе принимает значение

Разность напряжений между входами будет довольно большой отрицательной величиной, и достигнутое состояние – стабильным. Теперь выходное напряжение изменится снова до значения только тогда, когда выходное напряжение достигнет значения . Характеристика зависимости выходного напряжения от входного приведена на рисунке 11.8.

Рисунок 11.8 – Характеристика инвертирующего триггера Шмитта

11.3 Неинвертирующий триггер Шмітта

Если в компараторе, представленном на рисунке 11.7, один из входов подключить к выходу, то получится схема, приведенная на рисунке 11.9.

Рисунок 11.9 – Неинвертирующий триггер Шмітта

При приложении ко входу этой схемы большого положительного напряжения выходное напряжение составит . Если станет уменьшаться, то сначала, пока потенциал на неинвертирующем входе не достигнет нулевого значения, выходное напряжение изменяться не будет. Когда входное напряжение достигнет значения

Напряжение на неинвертирующем входе станет равным нулю и выходное напряжение скачком упадет до уровня . Достигнутое состояние сохраняется, пока входное напряжение не превысит значения