Специализированные компараторы на операционных усилителях

При сравнении низкочастотных сигналов с высокой точностью (десятки микровольт) при минимальной потребляемой мощности использование компараторов на базе ОУ часто оказывается более предпочтительное, чем полупроводниковых компараторов. В этом случае время переключения t_п будет зависеть от полосы пропускания и скорости нарастания выходного напряжения ОУ. Поэтому, применяя ОУ с внешней коррекцией, нужно по возможности выбрать минимальное значение корректирующей емкости.

Однопороговые компараторы

В компараторах, приведенных в табл. 7.1., ЦОС формирует на выходе ОУ сигнал, совместимый с входными уровнями ТТЛ схем. При U_вх = U_оп (табл. 7.1., схемы а, б) напряжение U_вых = 0 (предполагается, что напряжение смещения нуля скомпенсировано), стабилитрон и диод закрыты, ОС разомкнута. При изменении входного сигнала в любую сторону на несколько десятков микровольт, изменение выходного напряжения составит единицы вольт, благодаря большому коэффициенту усиления ОУ и прекратится, как только откроется диод или стабилитрон и коэффициент передачи ЦОС станет равным единице. Если U_вх > U_оп, то U_вых = -U_д и при U_вх < U_оп, U_вых = U_ст, где U_ст и U_д — падение напряжения соответственно на стабилитроне и диоде.

Заменив один или оба резистора в схеме б табл. 7.1. конденсаторами, можно сравнить скорость нарастания U_вх с постоянным сигналом (схема в, табл. 7.1.) или скорости изменения двух сигналов (схема г, табл. 7.1.).

Точность сравнения компараторов ограничивает в первую очередь напряжение смещения нуля U_см и выходные токи I_вх.см и DI_вх, а в некоторых случаях (схема а, табл. 7.1.) и конечный коэффициент ослабления синфазного сигнала.

Регенераторные компараторы

При очень медленных изменениях или малых амплитудах входного сигнала время переключения однопороговой схемы сравнения зависит от скорости изменения входного напряжения, частоты единичного усиления и коэффициента усиления ОУ. Для уменьшения времени сравнения таких сигналов используют схемы сравнения с положительной ОС — регенераторные компараторы (табл. 7.2). отличительной особенностью таких компараторов является гистерезис передаточной характеристики.

В простейшем регенераторном компараторе (схема а, табл. 7.2) при отрицательном и близком к нулю входном напряжении выходное напряжение положительно, а напряжение на неинвертирующем входе определяет верхний порог переключения U_в = U_ст*R₂/(R₂ + R₃). Как только входное напряжение достигает величины U_в, ток в цепи стабилитрона становится равным нулю, а затем меняет направление и выходное напряжение ОУ переключается. После этого на неинвертирующем входе ОУ устанавливается напряжение, соответствующее нижнему порогу переключения и равное .

Для получения симметричной петли гистерезиса относительно опорного напряжения уровни выходного напряжения должны быть равны по величине. Если это не так, то происходит смещение гистерезиса, что приводит к увеличению погрешности сравнения. Этот недостаток практически устранен в схеме б табл. 7.2 путем включения в схему управляемого выходным напряжением ключа (полевой транзистор VT1). Для увеличения скорости переключения ключа диод шунтируют конденсатором С, ускоряющим разряд паразитной емкости исток-затвор VT1.

Компаратор с постоянным напряжением нижнего порога переключения при регулируемой величине гистерезиса показан на схеме в табл. 7.2. Преимущество этого компаратора в том, что напряжение лог. «0» приблизительно равно нулю, а не –U_д, как в других схемах, что упрощает согласование выходных напряжений с ТТЛ схемами.

Двухпороговые компараторы

Компаратор, состояние выхода которого изменяется два раза при увеличении входного сигнала в некотором диапазоне, называют двухпороговым.

Наиболее простыми и поэтому наиболее распространенными являются мостовые схемы (рис. 7.4). Диодный мост включен в ЦОС ОУ, а изменение U_вых происходит, как только входной ток I₁ превысит или станет меньше тока I₂, отдаваемого в мост по цепи резисторов R₂. При изменении U_вых переключаются диоды и коэффициент передачи по ЦОС.

Передаточная характеристика такой схемы приведены на рис. 7.5., где нижний U_н и верхний U_в пороги переключения определяются из выражений: ,.

Таблица 7.1. Однопороговые компараторы

Схема	Передаточная характеристика	Напряжение порога переключения

Таблица 7.2. Регенераторные компараторы

Схема	Передаточная характеристика	Верхний порог	Нижний порог	Гистерезис передаточной хар-ки

		U_оп(R₁+ +R₂+R₃)/R₃	U_оп(R₁+ +R₃)/R₃	U_опR₂/R₃
		R₁*(U_ст––U_оп)/ /(R₁+R₂)+ + U_оп	U_оп	R₁*(U_ст––U_оп)/ /(R₁+R₂)

8. Литература

1. Дуркин В.В. Аналоговые электронные устройства.-Ч. 1: Конспект лекций.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997.-69 с.