Триггер Шмитта на операционном усилителе

Схема триггера Шмитта на ОУ приведена на рис.3. Уровень входного сигнала срабатывания определяется значением напряжения Е_О. Его можно легко регулировать в широких пределах. Для получения гистерезисной передаточной характеристики к (прямому) не инвертирующему входу операционного усилителя подключена цепь положительной обратной связи, которая реализована с помощью резисторов R2, R3. Коэффициент обратной связи .

Как известно, усилитель, охваченный положительной обратной связью, переходит в автогенераторный режим при выполнении условия . Следовательно, если , то данное устройство будет обладать регенеративными свойствами и выходная характеристика будет релейной.

Пусть на инвертирующий вход ОУ подано напряжение, существенно меньшее Е_О. Тогда ОУ находится в состоянии, в котором , где - максимальное положительное напряжение ОУ. Напряжение на прямом входе в этом случае равно

.

Если пренебречь влиянием синфазного сигнала, то можно считать, что выходной сигнал ОУ начнет изменяться в том случае, если между его входами будет разность напряжения, меньшая , где К – коэффициент усиления ОУ. Это произойдет тогда, когда входное напряжение на инвертирующем входе станет больше порогового напряжения, равного .

Таким образом, в тот момент, когда разность напряжений между входами станет меньше , напряжение на выходе ОУ изменится (см. рис.3б). ОУ выйдет из состояния насыщения, и вследствие действия положительной обратной связи начнется регенеративный процесс.

Процесс регенерации проходит следующим образом: как только входное напряжение стало равным U_пор1, усилитель выходит из насыщения. Выходное напряжение начинает уменьшаться, снижая напряжение на прямом входе, т.е. снижая пороговое напряжение. Это приводит к смещению передаточной характеристики ОУ влево. В результате разность потенциалов между входами уменьшается. Выходное напряжение еще больше уменьшается, уменьшается пороговое напряжение и т.д. После того как выходное напряжение перейдет нулевое значение, разность потенциалов между входами начнет возрастать по модулю, но полярность меняется на противоположную (см. рис.3б). Процесс протекает лавинообразно. В результате процесса регенерации ОУ окажется снова в состоянии насыщения, но выходное напряжение будет уже противоположного знака и равно . Напряжение на прямом входе ОУ при этом равно

.

Это состояние будет устойчивым при всех значениях входного напряжения, больших U_пор1. Следует отметить, что входное напряжение можно повышать до тех пор, пока разностное напряжение не превысит предельно допустимого для данного типа схемы.

Если теперь уменьшать входное напряжение, то выходное напряжение не изменит своего значения до момента, пока ОУ не выйдет из насыщения, что имеет место при дифференциальном сигнале ОУ .

Уровень порога отпускания равен .

Таким образом, обратное срабатывание схемы произойдет при входном напряжении, меньшем U_пор2.

Выходная характеристика устройства показана на рис.3в. Она имеет гистерезисный характер.

Середина петли гистерезиса определяется выражением .

Ширина петли гистерезиса определяется разностью входных напряжений U_пор1 и U_пор2:

.

Если , то гистерезис отсутствует.

Если , то .

Нестабильность уровней и приводит к изменению ширины петли гистерезиса и изменениям уровней срабатывания и отпускания. Для устранения этого недостатка используют стабилизацию напряжения обратной связи с помощью двух встречно включенных стабилитронов (рис.4). В этом случае выходное напряжение равно: ,

где U_ст – напряжение стабилизации, U_пр – прямое падение напряжения на стабилитроне.

Триггер Шмитта используется для преобразования сигналов произвольной формы в прямоугольные импульсы (рис.5).

 

Компараторы

Компаратор - это устройство сравнения, которое вырабатывает выходной сигнал в момент равенства двух напряжений, подаваемых на входы.

Схема компаратора на операционном усилителе показана на рис.1а. Диаграмма выходного напряжения показана на рис.1б.

В этой схеме опорный сигнал подается на не инвертирующий вход. Петля отрицательной обратной связи здесь не используется. В связи с этим коэффициент усиления ОУ очень большой.

Когда сигнал на инвертирующем входе U_- = E_оп, то выходное напряжение равно нулю. Незначительное отклонение входного напряжения U_- в сторону уменьшения (U_- < E_оп) приводит к резкому росту выходного напряжения U_вых до значения , которое определяется свойствами выходного каскада и близко к + Е_О. Если U_- > E_оп, то U_вых = .

Точность сравнения сигналов составляет величину

.

Величина D определяет зону неопределенности компаратора.

Рассмотренная схема имеет ограниченный диапазон входных напряжений. Если необходимо сравнивать большие величины входных напряжений можно использовать схему не инвертирующего компаратора, приведенную на рис.2. Компаратор срабатывает, когда напряжение на не инвертирующем входе U₊ проходит через нуль. Чтобы U₊ было равно нулю, сигналы U₁ и U₂ должны иметь противоположные знаки.

Так как ,

то условие срабатывания U₊ = 0 имеет вид .

Эту схему можно функционально расширить, если к прямому входу ОУ подключить еще несколько резисторов. При этом компаратор будет срабатывать, когда приведенная к прямому входу алгебраическая сумма входных напряжений будет больше или меньше нуля. Если к прямому входу включить диоды (пунктир), то напряжение на прямом входе компаратора не может превысить значения 0.7 В.

Для стандартных частотно скорректированных ОУ скорость нарастания выходного напряжения V_нар» 1 В/мкс. Таким образом, переход, например с –12 В до +12 В составляет 24 мкс. Для ОУ без частотной коррекции скорость нарастания увеличивается, соответственно уменьшается время срабатывания схемы. На основе быстродействующих ОУ могут быть построены компараторы с малым временем переключения.

/ 8.1(1), 8.1(6), 8.2(4) /

Контрольные вопросы

1. Что называют триггером?

2. Насыщенные и ненасыщенные триггеры.

3. Условие насыщения.

4. Триггеры с раздельным запуском.

5. Триггер Шмитта.

6. Что такое компараторы?

 

ЛЕКЦИЯ 12. ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

1. Нелинейные или параметрические цепи.

2. Детектирование АМ – колебаний.

3. Линейный детектор

4. Коэффициент передачи детектора.

5. Квадратичный детектор.