3.3. НЕЛИНЕЙНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ. КОМПАРАТОРЫ

Мы рассмотрели работу транзисторного ключа и убедились, что схема с ОЭ в ключевом режиме обладает характерными особенностями. Мы выявим аналогичные особенности ОУ, если рассмотрим его работу в нелинейном режиме (рис. 3.8, а).

Рис. 3.8. ОУ как компаратор: а — схема; б — передаточная характеристика

На рис. 3.8, б приведена передаточная характеристика ОУ. В гл. 2 мы ограничились рассмотрением только линейного участка АОВ, когда . При выходное напряжение ОУ ограничено значением ты. Это ограничение напряжения вызвано тем, что при больших сигналах транзисторы выходных каскадов ОУ работают в ключевом режиме, при этом предельно достижимое выходное напряжение немного меньше ЭДС источника питания (см. рис. 3.8, а). Таким образом, передаточная характеристика ОУ содержит участок положительного насыщения и отрицательного насыщения

Поскольку ОУ очень велик, то напряжение весьма мало. В идеальном ОУ . В реальных ИМС не более нескольких милливольт (в § 2.9 мы уже сделали важный вывод, что на линейном участке ). Таким образом, можно считать, что при , а при . Значит, выходное напряжение ОУ при зависит от того, какое из входных напряжений больше, и ОУ является схемой сравнения напряжений (компаратором).

Компараторы являются одним из основных элементов импульсных схем, мы будем неоднократно с ними встречаться в дальнейшем.

На рис. 3.9 показаны входные напряжения компаратора, причем принято, что — синусоидальное напряжение, а — постоянное. Компаратор переключается в моменты равенства ивул — , и выходное напряжение имеет форму прямоугольных импульсов (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Напряжения на входе и выходе компаратора

Рис. 3.10. Схема компаратора с положительной обратной связью. Передаточная характеристика компаратора с положительной обратной связью

Ширина этих импульсов при заданной амплитуде синусоиды зависит от величины . Таким образом, мы убедились, что простейший компаратор может служить преобразователем синусоидального напряжения в прямоугольное. В этой же схеме осуществляется преобразование напряжения в длительность импульса .

Наряду с простейшей схемой компаратора (см. рис. 3.8, а) находит широкое применение схема компаратора с ПОС (рис. ), называемая также пороговым элементом или триггером Шмитта. Начертание этой схемы напоминает схему рис. 2.18, а, но здесь применена ПОС через цепочку , а входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ.

На рис. построена передаточная характеристика этого компаратора. Объясним ее ход. При значительном отрицательном напряжении на инвентирующем входе ОУ . Напряжение на прямом входе ОУ вызвано воздействием . Найдем его методом суперпозиции, учитывая, что для обоих напряжений цепочка выполняет роль делителя:

Компаратор будет в режиме насыщения при . При произойдет переключение компаратора. Остановимся на этом процессе подробнее.

При выходное напряжение ОУ начнет уменьшаться. Отрицательное приращение Аивык по цепочке ПОС поступит на прямой вход ОУ, и появится отрицательное . ОУ усилит это приращение, и на выходе появится , которое вновь вызовет изменение напряжения на прямом входе ОУ . Процесс будет развиваться лавинообразно и завершится, когда достигает значения . Таким образом, ПОС ускоряет процесс переключения компаратора. Такой ускоренный ход переключения какого-либо устройства под действием ПОС носит название регенеративного процесса.

Отрицательное насыщение ОУ будет сохраняться при При уменьшении до значения произойдет новое переключение компаратора, процесс опять будет развиваться регенеративно и выходное напряжение мгновенно достигнет значения . Таким образом, передаточная характеристика компаратора рис. 3.10, а имеет гистерезисньзй характер и переключение компаратора при увеличении и уменьшении происходит при разных напряжениях Ширина петли гистерезиса увеличивается с увеличением отношения .

Мы установили, что введение ПОС в ключевые схемы позволяет значительно ускорить процессы переключения устройств. Однако регенеративные схемы обладают и характерным недостатком: вблизи порога срабатывания их помехоустойчивость мала. Весьма малая помеха может вызвать приращение , которое приведет к возникновению регенеративного процесса переключения. Повышение помехоустойчивости импульсных устройств, содержащих регенеративные узлы, нередко представляет собой трудную техническую задачу.