Во всех случаях, когда какая-либо схема переходит из одного состояния в другое под воздействием входного сигнала одной величины, а возвращается в прежнее состояние под воздействием сигнала другой величины, про схему говорят, что она обладает гистерезисом. Для компаратора с ПОС эта разность входных сигналов составляет

trHcT = tn.B-fn.H. (4.3)

Для примеров 4.1 и 4.2 напряжение гистерезиса равно 14 мВ- - {-13 мВ)=27 мВ.

Так как компаратор преобразует входной сигнал синусоидальной или треугольной формы в выходной прямоугольный сигнал, его называют схемой формирования (прямоугольных импульсов). Схемы с триггерным изменением выходного напряжения при прохождении Ев-к через пороговые уровни называются схемами типа триггера Шмитта.

4.4. Ограничения, налагаемые на использование ОУ 741 и 301 в качестве компараторов

Хотя ПОС ускоряет переключение выхода из одного насыщенного состояния в другое, однако время перехода остается довольно большим. Типичное время, которое требуется для изменения {Увых от +?7 ас до -С/нас И обратно, составляст несколько микросекунд.

Более того, уровни выходного напряжения имеют фиксированные значения + t/нас и -С/ ас, зависящие от напряжений питания. Они могут не совмещаться с уровнями напряжения, которые требуются для конкретно взятой нагрузки. Например, для транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) требуется, чтобы на входе у нее было либо напряжение около +5 В, либо около О В. Совершенно очевидно, что напряжения насыщения +14 и -13 В находятся за границами этих пределов. Введение ограничений пределов изменений выходного напряжения называется привязкой. Принципы ее проведения будут изложены в разд. 4.5. Для уменьшения времени переключения мы должны использовать операционные усилители, спроектированные специально для применений в схемах компараторов. Два таких компаратора будут рассмотрены в разд. 4.6 и 4.7.

4.5. Привязка или ограничение выходного напряжения

4.5.1. Привязка с одним стабилитроном. На рис. 4.6 между выходом и входом (-) ОУ включен стабилитрон. Если Евх возбуждает вход (-) отрицательным напряжением, вынуждая С/вых изменяться в положительном направлении, то, когда Свых достигает напряжения пробоя стабилитрона С/ст, стабилитрон начинает проводить ток. При этом напряжение на зажимах стабилитрона остается неизменно равным номинальному значению С/ст. На рис. 4.6

Рис. 4.6. Схема ограничения уровня t/вых при помощи стабилитрона. Положительное напряжение выхода ограничено уровнем, равным напряжению стабилизации стабилитрона ( + 5 В).

напряжение зенеровского пробоя стабилитрона С/ст = 5 В (используется стабилитрон типа 1N5231). Дифференциальное входное напряжение Ед равно О В, так что потенциал на контакте 2 равен потенциалу земли. Отсюда следует, что ток через i?Bx и стабилитрон определяется значением Евх и номиналом /?вх [поскольку ток, потребляемый входом (-), пренебрежимо мал]. Контакт 2 подключен к одному из выводов стабилитрона, сообщая ему потенциал земли; другой вывод стабилитрона соединен с выходным зажимом ОУ, на котором при этом поддерживается напряжение С/ст = 5 В.

Если £вх изменяет свою величину, то при этом изменяется и ток через стабилитрон. Однако, как видно из рис. 4.6, стабилитрон удерживает на своих зажимах почти неизменное напряжение независимо от того, какой величины ток протекает через него. Таким образом, С/ст, а следовательно, и С/вых не зависят от £вх- Отсюда мы делаем вывод, что при любых отрицательных значениях Евх от нескольких милливольт до напряжения отрицательного источника питания С/вых будет ограничено уровнем (или привязано

к уровню) С/ст = 5 В, а не + С/нас-

Напряжение стабилизации стабилитрона должно быть меньше напряжения питания. Схема, показанная на рис. 4.6, - превосходный источник опорного напряжения. Любая нагрузка, подключаемая к контакту 6 операционного усилителя, потребляет ток от ОУ, а не от стабилитрона; при этом на нагрузке будет падать неизменное по величине напряжение.

-15 +fS

Рис. 4.7. Ограничение отрицательного уровня t/вых в схеме со стабилитроном в цепи обратной связи происходит на уровне прямого падения напряжения на

диоде (-0,6 В).

4.5.2. Привязка выходного напряжения отрицательной полярности. Если мы изменим на рис. 4.6 полярность Евх на обратную, то направление тока через i?Bx изменится на противоположное, как показано на рис. 4.7. При этом стабилитрон будет смещен в прямом направлении и работать как любой другой кремниевый выпрямительный диод. То есть напряжение на диоде остается приблизительно равным 0,6 В независимо от того, какой величины ток проходит через диод. Величина этого тока задается EbxIRbx. Вход (-) поддерживает один вывод этого диода под потенциалом земли, а действие диода приводит к тому, что С/вых, снимаемое с другого выхода стабилитрона, ограничено на уровне -0,6, а не на уровне -С/ ас. .

Пример 4.4. Для обеих схем (рис. 4.6 н 4.7) дано: Rxl кОм и Евх= =2 В. Напряжение пробоя стабилитрона равно 4,5 В. Найти Свых и ток через стабилитрон а) в схеме рис. 4.6 и б) в схеме рис. 4.7.

Решение. В обеих схемах ток через стабилитрон J=EbxIRbx=2 В/1 кОм= 4-2 мА. а) В схеме рис. 4.6 [/вых=С/ст=4,5 В. б) В схеме рис. 4.7 С/вьи=-0,6 В.

4.5.3. Симметричное ограничение выходного напряжения. Di и

D2 на рис. 4.8, а - идентичные стабилитроны. Когда Евх становится положительным, С/вых становится отрицательным. По достижении напряжением С/вых уровня - 5,3 В диод Di проводит в прямом направлении, а диод Do смещен в обратном направлении и вхо-

<5Э

О

-5 -

t, мс

Рис. 4.8. Симметричное ограничение выхода компаратора на уровне 4-5,3 В.. а - схема; 6 - формы сигналов па входе н выходе.

дит в состояние зенеровского пробоя. Поскольку контакт 2 находится под потенциалом земли, суммарное падение напряжения на обоих стабилитронах, а следовательно и С/вых, ограничено уровнем -t>,rf В, а не -С/нас На рис. 4.8, б этому состоянию схемы соответствует временной интервал от О до 5 мс. Когда Евх становится отрицательным (интервал от 5 до 10 мс), напряжение С/вых привязано к уровню -f 5,3 В. Диод Z), при этом получает отрицательное смещение, и на нем падает напряжение до 4,7 В, а диод смещен в прямом направлении, и падение напряжения на нем равно 0 6В

Из сказанного следует, что С/вых симметрично ограничено на уровнях -5,3 и +5,3 В при положительной и отрицательной полярности напряжения на входе соответственно.

4.6. ИМС компаратора 710

4.6.1. Характеристики микросхемы. ИМС 710 - популярная схема быстродействующего компаратора. На рис. 4.9, а показана цоколевка данной микросхемы, выпускаемой в металлическом

W0 кОм

О -1 -2

OJ мс

-2 -1

/ -0.5

Гистерезис J5 мВ

Рис. 4.9. Детектор уровня напряжения на компараторе 710. я -гхеыа включения; 6 -временные диаграммы входа я выхода; в--проходная характеристика схемы (петля гистерезиса растянута по горизонтали для большей наглядно-

чруглом корпусе ТО-99. Компаратор имеет следующие электриче->кие характеристики:

1. Напряжения питания: В на выводе 8, -6 В на выводе 4 и земля на выводе /. Обратите внимание на несимметричное питание, необходимое для данной микросхемы. Это может вызывать трудности при проектировании всей системы.

2. Выходное напряжение Свых: CWx ограничено сверху напряжением + 3,2 В, а снизу - напряжением -0,5 В, так что сигнал с выхода микросхемы можно подавать прямо на цифровые интегральные логические микросхемы, такие, как, например, ТТЛ-схемы (схемы транзисторно-транзисторной логики).

3. Дифференциальные входы: если напряжение на входе < + ) (вывод 2) положительно по отношению к напряжению на входе (-) (вывод 3), то С/вых будет изменяться в положительном направлении до уровня +3,2 В. Реверс полярности дифференциального входного напряжения приведет к тому, что С/вых станет отрицательным и равным -0,5 В. Напряжение между выводами 2 и 3 никогда не должно превышать (по абсолютной величине) 5 В. Напряжение на выводе 2 или выводе 3 относительно земли не должно выходить за пределы ±7 В.

4. Время срабатывания: удалим из схемы рис. 4.9, а все резисторы, заземлим вывод 2 и подадим на вывод 3 напряжение + 100 мВ. Напряжение на выходе С/вых станет равно -0,5 В. Вслед за этим приложим ко входу ( + ) (контакт 3) напряжение -120 мВ. Временной интервал, который требуется для нарастания С/вых до уровня +3,2 В, определяетсякаквре-мя нарастания; у ИМС 710 оно не превышает 40 не. Для сравнения укажем, что у ОУ общего применения на ту же операцию понадобилось бы ~8000 не.

5. Входные токи смещения: входные токи смещения велики (типичное значе1ше 16 мкА), что обусловлено необходимостью обеспечить малое время срабатывания. Отсюда следует, что входное сопротивление (или сопротивление источника) должно быть мало, по возможности меньше 1 кОм. Вопрос о входных токах смещения будет рассмотрен в гл. 10.

4.6.2. Детектирование уровня напряжения при помощи компаратора 710. На рис. 4.9, о показан компаратор 710, включенный по схеме детектора уровня напряжения. В схеме имеется источник опорного напряжения, она обладает гистерезисом, а ИМС 710 сама ограничивает уровень выходного напряжения. Резисторы 100 кОм и 470 Ом обеспечивают напряжение гистерезиса ~15 мВ (разд. 4.3). Напряжение на выводе 2 всегда очень близко к Uon,