В импульсных электронных схемах ОУ часто используются в режиме работы без ООС. В соответствии со своей передаточной характеристикой они в этом случае могут выполнять роль компараторов напряжения (сравнивающих устройств), выходное напряжения которых принимает одно из двух значений – максимально возможное положительное или максимально возможное отрицательное в зависимости от знака дифференциального входного напряжения.
U_{ВЫХ}= \left\{ \begin{array}{ll} U_{ВЫХ}^{m+} & \textrm{, для } U^+-U^-\ge +\varepsilon\textrm{,}\\ U_{ВЫХ}^{m-} & \textrm{, для } U^+-U^-\le -\varepsilon \end{array} \right.
|+\varepsilon-(-\varepsilon)|=\Delta U_{ВХ},
|+\varepsilon-(-\varepsilon)|\le \displaystyle\frac{U_{ВХ}^{m+}+|U_{ВХ}^{m-}|}{K_U},
где ∆UВХ – зона неопределённости состояния выхода, которая тем меньше, чем больше коэффициент передачи усилителя. Для типовых компараторов с изменением выходного напряжения ±10В и Ku ≥ 106 зона неопределённости будет составлять не более 20 мкВ, т.е. ОУ без ОС, включенный в реальную схему, будет отражать знак разности его входных напряжений.
Таким образом ОУ позволяет с высокой точностью сравнивать два входных сигнала, при этом для сравнения разнополярных сигналов применяется одновходовый компаратор, а для сравнения сигналов одинаковой полярности – двухвходовый компаратор.
Одновходовый компаратор
В одновходовом компараторе входные сигналы разной полярности подаются на инвертирующий вход через входные резисторы. Неинвертирующий вход при этом подключен к общему проводу схемы и имеет нулевой потенциал.
Если на инвертирующий вход подается только один сигнал, то он сравнивается с «нулем», и такой компаратор называется «нуль органом», реагируя на знак входного напряжения. Для двух (или более) входных сигналах условие переключения компаратора можно определить, определив потенциал инвертирующего входа в зависимости от входных напряжений. По первому закону Кирхгофа для узла инвертирующего входа с учетом закона Ома
\displaystyle\frac{U_1-U^-}{R_1}+\displaystyle\frac{U_2-U^-}{R_2}=I_{ВХ}=0
U^-=\displaystyle\frac{U_1\cdot R_2+U_2\cdot R_1}{R_1+R_2}
Условие изменения состояния компаратора U— =0 или U2=-U1 ∙R2/R1.
Работа компаратора может быть проиллюстрирована моделированием в программе LTspice.
Двухвходовый компаратор
Позволяет сравнивать однополярные сигналы, подаваемые одновременно на оба входа компаратора. Резисторы выполняют вспомогательную функцию ограничения входных токов. Знак разности напряжений U1-U2 определяет полярность выходного напряжения.
Работа компаратора может быть проиллюстрирована моделированием в программе LTspice.
В данной схеме между входами операционного усилителя, работающего в режиме компаратора, приложена разность входных напряжений схемы, поэтому для предотвращения выхода компаратора из строя она не должна превышать допустимого дифференциального напряжения данного типа ОУ.
При необходимости сравнивать большие значения разностных напряжений двухвходовый компаратор может дополняться входными делителями, что дополнительно позволяет масштабировать сравниваемые величины. Переключение происходит, когда напряжения на входах ОУ становятся равными с точностью до ε.
U_1\cdot\displaystyle\frac{R_3}{R_1+R_3}=U^+=U^-=U_2\cdot\displaystyle\frac{R_4}{R_2+R_4}
Работа компаратора может быть проиллюстрирована моделированием в программе LTspice.
Таким образом в режиме без ОС компаратор способен работать в качестве сравнивающего устройства входного и опорного сигналов.
Компараторы с положительной ОС (триггеры Шмитта)
При использовании положительной ОС с глубиной больше критической возникает самовозбуждение усилителя на постоянном токе. Это приводит к появлению на выходе ОУ максимально возможного выходного напряжения положительного или отрицательного знаков. Причём какое из значений (положительное или отрицательное) появится на выходе при включении питания, в общем случайно.
Переключение компаратора происходит при сравнении потенциала неинвертирующего входа с нулем (потенциалом инвертирующего входа). При этом значение напряжения на неинвертирующем входе определяется не только входным сигналом, но и текущим состоянием выхода компаратора.
U^+=\displaystyle\frac{U_{ВХ}\cdot R_2+U_{ВЫХ}\cdot R_1}{R_1+R_2}
Предположим, что в исходном состоянии выходное напряжение компаратора было равно Uвыхm— (<0), тогда переключение выхода в противоположное состояние произойдет при увеличении сигнала и достижении им значения
Uп+ = — Uвыхm-∙R1/R2 (>0). Дальнейшее увеличение входного напряжения не приведет к изменению состояния выхода Uвыхm+ (>0). Теперь при уменьшении входного сигнала переключение произойдет при другом значении входного напряжения Uп— = — Uвыхm+∙R1/R2 (<0). Дальнейшее уменьшение входного сигнала не приводит к изменению состояния компаратора. Передаточная характеристика компаратора приобретает гистерезисный характер, а компаратор с цепью ПОС называют триггером Шмитта.
Работа компаратора может быть проиллюстрирована моделированием в программе LTspice.
Приведены временные диаграммы входного и выходного сигналов, а также передаточная характеристика схемы.
Зависимость ширины петли гистерезиса от сопротивления в цепи положительной обратной связи иллюстрируется моделью LTspice.
Электронные схемы, имеющие передаточную характеристику гистерезисного типа, получили название триггеров, поскольку могут служить индикатором события превышения входным сигналом уровня переключения.
Введение дополнительного источника опорного напряжения позволяет получить передаточную характеристику несимметричную относительно начала координат.
Переключение схемы происходит, когда напряжение неинвертирующего входа сравнивается с напряжением опорного источника.
U^+=\displaystyle\frac{U_{ВХ}\cdot R_2+U_{ВЫХ}\cdot R_1}{R_1+R_2}=U_{ОП}
Тогда пороги переключения можно определить как
U_П=U_{ОП}\cdot(1+\displaystyle\frac{R_1}{R_2})-U_{ВЫХ}\cdot \displaystyle\frac{R_1}{R_2}
Поскольку выходное напряжение может принимать одно из двух состояний, существует два порога переключения:
U_П^+=U_{ОП}\cdot (1+\displaystyle\frac{R_1}{R_2})-U_{ВЫХ}^{m-}\cdot \displaystyle\frac{R_1}{R_2}
U_П^-=U_{ОП}\cdot (1+\displaystyle\frac{R_1}{R_2})-U_{ВЫХ}^{m+}\cdot \displaystyle\frac{R_1}{R_2}.
Ширина петли гистерезиса при этом определится как разность пороговых напряжений
\Delta U_П=U_П^+-U_П^-=(U_{ВЫХ}^{m+}-U_{ВЫХ}^{m-})\cdot \displaystyle\frac{R_1}{R_2},
таким образом, ширина петли гистерезиса не зависит от величины опорного напряжения.
Наличие входа управляющего сигнала U0П позволяет сместить центр передаточной характеристики по шкале входного сигнала, что в свою очередь позволяет использовать триггеры Шмитта как формирователь сигнала.
Положение петли гистерезиса в зависимости от напряжения опорного источника иллюстрируется моделью LTspice.
На графике приведены передаточные характеристики триггера Шмитта при различных значениях напряжения опорного источника (0 и 5 В).