2.3. Понятие об идеальном компараторе)

2.3.1. Чувствительность к напряжению на входе ( + ). Па схеме рис. 2.5,0 на вход (-) тюдано опорное напряжение земли или ОВ. Напряжение £вх, на которое должна реагировать схема, приложено к входу (-f). Во входной цепи компаратора £вх сравнивается с нулевым опорным напряжением, и состояние выхода говорит нам, положительно или отрицательно вх относительно этого опорного напряжения.

Как видно из рис. 2,5,6, £вх положительно в течение времени от О до А. Потенциал входа [ + ) будет в это время положительным по отношению к потенциалу входа (-), так что бвых будет равно

+ SB О

Рнс. 2.5. Схема включения ОУ 741 как компаратора, чувствительного к переходам через О В по входу ( + ) (о), и формы сигналов на входе и выходе (б). Цоколевка соответствует ОУ 741 в корпусе DIP.

Принкмается, что коэффициент усиления бесконечно велик, а сдвиг нуля отсутствует. - Прим. ред.

fin ЮнОм

Рнс. 2.6. Компаратор, чувствительный к переходам через О В по входу (-).

а - схема включения; б - форма сигналов на входе и выходе.

+ (Унас. В том случае, когда Евх отрицательно (в течение времени от Л до В), С/вых равняется -t/нас, поскольку потенциал входа (-f) при этом ниже потенциала входа (-). Таким образом, иых показывает нам, когда Евх положительно или отрицательно по отношению к нулевому опорному напряжению. Кроме того, переход Ubux из одного состояния в другое показывает, когда и в каком направлении Евх пересекает уровень опорного напряжения. Когда Евк пересекает опорный уровень, равный ОВ, двигаясь в положительном направлении (как это имеет место в моменты времени О и В), Ubhx становится также положительным. Если t/вых становится отрицательным (момент А), это означает, что Евх только что пересекло уровень опорного напряжения в отрицательном направлении.

2.3.2. Чувствительность к напряжению на входе (-). На рис. 2.6,0 нулевое опорное напряжение (земля) подано на вход (+), а вх приложено ко входу (-). Во входной цепи компаратора вх сравнивается с опорным нулем так же, как в схеме на рис. 2.5, а. Однако, как показано на рис. 2.6,6, в данном случае С/вых становится равным -С/нас при положительном £вх, т. е. на промежутке от О до Л. В течение времени от А до В, когда вх

ниже нулевого опорного уровня, С/вых равно -С/нас

Итак: когда С/вых = -С/нас, Евх больше ОВ; если С/вых = +С/нас,

Евх отрицательно. Схемы компараторов на рис. 2.5 и 2.6 называют детекторами нуля.

2.4. Детекторы ненулевого уровня

2.4.1. Детектор уровня напряжения. Схемы компараторов, показанные на рис. 2.5 и 2.6, можно использовать также для сравнения напряжений с опорным уровнем, отличным от О В. В схеме рис. 2.7, а ко входу (-) приложено опорное напряжение +2 В. В случае когда входное напряжение £ех меньше С/оп, С/вых равно -С/нас, поскольку нэпряжение на входе ( + ) по отношению к напряжению на входе (-) отрицательно. При £вх, превышающем С/оп, напряжение на входе ( + ) становится положительным по отношению к напряжению на входе (-) и С/вых переходит в --С/ ас. Как видно из рис. 2.7,6, С/вых показывает, больше или меньше Евх, чем С/оп; в момент перехода С/вых от одного напряжения насыщения к другому вх равно С/оп.

Пример 2.2. Найти результирующую форму кривой иых в схеме рис. 2.7, а при полярности (7оп, обратпой указанной на этой фигуре, и входном сигнале Евх треугольной формы, показанном на рис. 2.7, б.

Решение. Когда £вх меньше f/on, напряжение на входе (-) более положительное, чем на входе (-f), и {/вых-f/нас. В момент пересечения Евх уровня f/on (-2 В) в положительном направлении и ых переключается в состояние -Ь£) г,г, как показано на рис. 2.8. При пересечении Евх уровня Uon в отрицатель-ком игшравлении (/вых переключается на -t/нас. Таким образом, Свых говорит о том, зыще Евх, чем fon, ниже его или равно ему.

2.4.2. Детектор уровня напряжения со светодиодами. Иа рис. 2.9 показана модифицированная схема детектора уровня напряжения, представленного на рис. 2.7. Когда вх выше С/оп, Свых положительное и смещает в прямом направлении светоизлу-чающий диод (СИД) зеленого свечения. Включение этого свето-диода может индицировать состояние включено или пуск . Если £вх ниже С/оп, с/вых будет отрицательно и загорается красный СИД. Это может соответствовать состоянию выключено или стоп . Уровень насыщения выходного тока ОУ 741 равен приблизительно 25 мА. Такого значения тока достаточно для довольно яркого свечения светодиода. В описанной схеме можно использовать выпускаемые промышленностью сборки СИД, содержащие в одном корпусе светодиоды красного и зеленого свечения.

Рис. 2.7. Детектор уровня напряжения (а) и форма сигналов на входе и выходе

схемы (б).

Рис. 2.8. Решение примера 2.2.

Ю -о-

де/геный

:; Красный СИД

Рис. 2.9. Детектор уровня напряжения с индикацией на светодиодах. 2.5. Получение опорных напряжений на практике

Так как операционные усилители питаются обычно от хорошо стабилизированных источников, можно использовать этот отрадный факт для получения недорогого источника опорного напряжения. В качестве такого источника на рис. 2.10 служат резисторы Rx и Ri, которые делят напряжение питания в соответствии со следующим выражением:

t/on=( + t/). (2.3)

Пример 2.3. Вычислить Uoa для схемы рис. 2.10. Решение. Из соотношения (2.2) получаем

2кОм

° -(2-ь 13) кОм 15В = 2В.

-ifSB (стабилизированные)

Л, =f3t<0M

ЮкОм

Рис. 2.10. Получение опорного напряжения с делителя напряжения.

2.6. Практические замечания

Когда мы конструируем реальную схему компаратора, мы знаем, что между фактическими характеристиками ОУ и представленной выше идеальной ситуацией имеются некоторые различия. Во-первых, выходное напряжение С/вых не изменяется от -С/нас до + С/нас мгновенно. Этот переход происходит за конечный промежуток времени. Во-вторых, при равном нулю дифференциальном входном напряжении £д напряжение С/вых не будет в точности равно нулю. IT наконец, на выходе ОУ могут постоянно или при подходе £л к О В возникать непредсказуемые колебания. Все это вызывает необходимость глубже изучить параметры ОУ и то, каким образом можно свести к минимуму различие между их идеальными и реальными характеристиками.

Задачи

2.1. Перечислите основные выводы ОУ и нарисуйте его схемное обозначение.

2.2. Какие три типа корпусов используются обычно для герметизации ОУ?

2.3. Является вход ОУ дифференциальным или несимметричным?

2.4. Какой выход у ОУ - дифференциальный или несимметричный?

2.5. Чему равно максимальное напряжение питания большинства ОУ?

2.6. Какой величины максимальный ток можно получить с выхода ОУ, не достигая при этом состояния его насыщения?

2.7. Чему ранен ток короткого замыкания ОУ 741?

2.8. Если ОУ питается от источника +10 В, то каковы должны быть при этом

типичные значения +1/,:ас U -t/ ac?

2.9. Положительное или отрицательное выходное напряжение ОУ, если напряжение иа его неинверсном входе выше напряжения на инверсном входе?

2.10. Дайте определение коэффициента усиления ОУ без обратной связи и выразите его через выходное и дифференциальное входное напряжения. -

2.11. Определите минимальное дифференциальное напряжение, выз{>1вающее по-. ложнтельпое и отрицательное насыщение ОУ, если его коэффициент усиления без обратной связи равен 250 000, а ±{/нас = ±10 В.

2.12. Определите величину выходного напряжения ОУ для условий задачи 2.11, если напряжение на входе (-) ОУ составляет 3,02 мВ, а па входе (4-) напряжение равно 3,015 мВ.

2.13. Изменится ли форма выходного сигнала в схеме рис. 2.5, если амплитуда Ens изменится и станет равна 10 В? Объясните.

2.14. Пусть на рнс. 2.7 1/оп=1 В. Нарисуйте форму выходного сигнала для этого случая.

2.15. Изобразите форму сигнала на выходе схемы рис. 2.7, в которой Евх и [/оп поменяли местами.

2.16. Вычислите f/on на рис. 2.10, если Ri=24 кОм, а i?2=6 кОм.

2.17. Найдите значение t/on на рнс. 2.10, если Ri подключен не к -Ц5 В, как на указанном рисунке, а к -15 В.