(одновибратора) или детектора уровня. Начне эту главу с улучшенной модификации основной схемы компаратора на ОУ. Мультивибраторы и одновибраторы будут рассмотрены в гл. 6.

4.1. Необходимость в улучшении схемы компаратора на ОУ

На рис. 4.1 представлен график напряжения треугольной формы £вх, приложенного ко входу (-) операционного усилителя. Вход { + ) соединен с землей. Схема здесь та же, что и на рис. 2.6, о, за исключением того, что в данном случае на вход подается сигнал треугольной формы. Принцип анализа схемы тот же, что и изложенный выше, а именно: когдб Евх отрицательно, f/вых

находится на уровне -l-t/нас, при положительном Евх Пвых =-f/нас.

в момент прохождения Евх через О В в положительном направлении f/вых переключается с + f/нас на уровень -f/нас, а при прохождении Евх через О В в отрицательном направлении f/вых перебрасывается с -iUhzc на уровень -Ьf/нас (рис. 4.1).

В некоторых практических случаях Евх может очень медленно приближаться к опорному уровню О В и фактически останавливаться вблизи нуля. При этом напряжение {7вых может либо переключаться недостаточно быстро, либо оно будет колебаться от одного уровня насыщения к другому. Такие колебания более чем вероятны из-за неизбежных аводок на провода, подходящие к входным зажимам ОУ. На рис. 4.2, а это напряжение шумов изображено для простоты в виде генератора синусоидальных сигналов, вклю-

Рис. 4.1. Детектор нуля с входным сигналом треугольной формы н результирующая форма сигнала на выходе.

Eg плюс LUtMbl

О опорный

Ложные срабатыбания 6

Рис. 4.2. Влияние шумов на работу детектора нуля. а - схема включения; б - суммарное напряжение (сигнал -f помеха) на входе; в - форма выходного напряжения.

ченного последовательно с генератором полезного сигнала Евх. На рис. 4.2, б представлен график наложенных друг на друга напряжений шумов и полезного сигнала, дающих в сумме напряжение, приложенное ко входу (-) операционного усилителя. Из этого графика видно, как из-за наличия напряжения шумов суммар-

ное входное напряжение пересекает опорный уровень О В в нескольких точках. При каждом таком пересечении С/вых изменяется, как показано на рис. 4.2, е. Таким образом, [/вых фиксирует теперь прохождение опорного нуля суммарным напряжением, включающим в себя как Ех, так и напряжение шумов. Хотя мы, вероятно, не сможем исключить напряжение шумов, однако должны предотвратить реакцию выходного напряжения на ложные пересечения опорного нуля. Это достигается введением положительной обратной связи.

4.2. Положительная обратная связь

4.2.1. Введение. Положительная обратная связь осуществляется путем подачи на неинверсный вход некоторой части выходного напряжения Свых. В схеме рис. 4.3, а выходное напряжение С/вых делится между резисторами Ri и R. Часть С/вых подается обратно на вход { + ) и выполняет роль изменяемого в процессе работы опорного напряжения. При .введении в гл. 2 понятия опорное напряжение предусматривалось, что оно всегда является фиксированным. Теперь же это напряжение обратной связи будет иметь различные значения, поскольку оно зависит от Свых- Рассмотрим подробно, что такое положительная обратная связь и как ее можно использовать для устранения вызываемых наличием шумов ложных изменений состояния выхода.

4.2.2. Верхнее пороговое напряжение. В схеме рис. 4.3, а выходное напряжение С/вых делится между Ri и R2. Часть С/ вых подается обратно на вход ( + ) и называется верхним пороговым напряжением СУл.в Это напряжение определяется следующей формулой:

(-Ь[/ ас)- (4.1)

R2

При Евп, имеющем значение ниже С/п.в, напряжение на входе { + ) будет выше, чем напряжение на входе (-). Следовательно, С/вых при этом будет иметь фиксированное значение +С/нас-

Если jEbx станет несколько более положительным, чем Сп.в, то полярность Ед, как было показано выше, изменится и напряжение С/вых начнет снижаться. Теперь величина части С/вых, подаваемая обратно на вход, будет меньше, так что £д становится больше. Поэтому темп уменьшения С/вых будет все возрастать и в конце концов С/вых становится равным -С/нас (схема приходит в устойчивое состояние, показанное на рис. 4.3,6).

4.2.3. Нижнее пороговое напряжение. Когда Свых равно -Снас, напряжение, подаваемое обратно на вход ( + ), называется нижним

1> Напряжением (верхнего) порога срабатывания.-Ярыл. ред.

Рис 4 3 Схема компаратора с положительной обратной связью ейразованиой делителем RxR, между выходом и входом ( + ) ОУ.

a-V -верхнее пороговое напряжение: б - U . -нижнее пороговое наряжение.

пороговым напряжением С/п.н>, величина которого определяется выражением

1/п.н- Jij

Обратите внимание на то что С/.н имеет P. тельно земли полярность. Отсюда следует, что С/вых будет оставать ся на уровне С/1 ДО тех пор, пока £вх будет выше или более

Напряжение отпускания. -Яр л1. ред.

положительно, чем {Уп.н. Напряжение С/вых переключится обратно в состояние Ч-С/нас. если jEbx станет ниже Сп.н.

Мы установили, что положительная обратная связь создает эффект спускового механизма, ускоряя переключение С/вых из одного состояния в другое. Как только С/вых начинает изменяться, возникает регенеративная обратная связь, заставляющая С/вых изменяться еще быстрее. Если пороговые напряжения превышают по величине амплитуду шумов, то положительная обратная связь не допустит ложных срабатываний выхода. Исследуем этот принцип на следующих примерах.

Пример 4.1- Найдите 1/п.в в схеме рис. 4.3, а, если -(-[/нас=14 В. Решение. Из уравнения (4.1) находим

100 Ом

Vn.b - 100 Ом

14 В ?s 14 мВ.

Пример 4.2. Найдите в схеме рис. 4.3,6, если -1/нас=-13 В

.Решение. Из уравнения (4.2)

100 Ом

tn.H- 100 Ом (-13 В) а; -13 мВ.

Пример 4.3. На рис. 4.4. показано напряжение треугольной формы

-.gj. с шумами

Гистерезис

-100

43

Рнс. 4.4. Решение примера 4.3.

поданное на вход (-) схемы, изображенной на рис. 4.3, а. Определите резуль-шрующее выходное напряжение.

Решение. Пунктирными линиями на графике £вх (рис. 4.4) отмечено поло /ксние [/п.в и f/ .n. В момент времени <=0 Евх ниже напряжения [/ .а, так что вых =+Свае (как показано на рис. 4.4). Когда £bi становится выше напряжения п.в, как это имеет место в моменты времени ti и ts, 1/вых быстро переключает-Я в состояние -Снес В момснты, когда £вх становится ниже Сп.н (например, /2 и /4), [/вых быстро перебрасывается на уровень -j-1/им. Обратите внимание на то, как положительнаи обратная связь устраняет ложные срабатывания схемы.

4.3. Гистерезис

Существует стандартный способ изображения характеристик компаратора на одном графике вместо двух, представленных на рис. 4.4. Откладывая Ех по оси абсцисс, а С/вых - по оси ординат, мы получим характеристику вход - выход по напряжению (рис. 4.5). При Еъх, меньших, чем С/п.в, С/вых=+ С/нас. Вертикальная линия а показывает изменение С/вых от -f С/нас до -.f/нас при увеличении Евх сверх С/п.в. Вертикальная линия б показывает, как с/вых изменяется от -С/нас до -Ь С/нас, когда Евх становится меньше напряжения С/п.н. Разность между напряжениями С/п.в и С/ п.н называется напряжением гистерезиса С/гист.

+инас

Напряжение гистерезиса (/гист

и п.н

+100

Un.e

-Щысс

Рис. 4.5. График зависимости С/вых от £вх в схеме компаратора, иллюстрирующий образование напряжения гистерезиса.