Компаратор и триггер Шмитта

Представленная на рис. 47 схема инвертирующего компаратора предназначена для сравнения двух входных напряжений.

Рис. 47. Компаратор

Схема выполнена на базе операционного усилителя без обратной связи. Его выходное напряжение составляет

Передаточная характеристика такого компаратора изображена на
рис. 48. Благодаря высокому коэффициенту усиления схема переключается при очень малой величине разности напряжений , поэтому она пригодна для сравнения двух напряжений с высокой точностью.

Рис. 48. Передаточная характеристика компаратора

При смене знака разности входных потенциалов выходное напряжение не может мгновенно перейти из одного уровня насыщения к другому, так как величина скорости нарастания операционного усилителя ограничена. Например, для стандартного частотно-скорректированного операционного усилителя она составляет около 1 В/мкс. Таким образом, переход с уровня –12 В на уровень
+12 В длится 24 мкс. Вследствие конечного времени восстановления операционного усилителя при его выходе из состояния насыщения задержка переключения компаратора еще увеличивается [2].

Так как в рассматриваемой схеме операционный усилитель не охвачен обратной связью и не нуждается в частотной коррекции, скорость нарастания увеличивается и время восстановления уменьшается по меньшей мере в 20 раз.

Существенно меньших значений времени задержки можно добиться, если использовать специализированные интегральные компараторы. Они предназначены для работы без обратной связи и имеют особо малые значения времени восстановления. Коэффициент усиления, а следовательно, и точность установки порога срабатывания этих ИС несколько меньше, чем у стандартных операционных усилителей. Выход такого усилителя связан, как правило, со встроенным преобразователем уровня сигнала, благодаря которому такой компаратор может непосредственно соединяться со входами цифровых схем. Компаратор LM 339 фирмы National имеет, например, выход с открытым коллектором, а его время задержки составляет около 500 нс. Компаратор NE 521 фирмы Signetics имеет стандартный ТТЛ-выход и время задержки около 8 нc.

Триггер Шмитта функционально является компаратором, уровни включения и выключения которого не совпадают, как у обычного компаратора, а различаются на величину, называемую гистерезисом переключения ∆U_e.

Схема триггера Шмитта, представлена на рис. 49, гистерезис переключения достигается тем, что компаратор охватывается положительной обратной связью через делитель напряжения , .

Рис. 49. Инвертирующий триггер Шмитта

Если к инвертирующему входу приложено большое отрицательное напряжение , то выходное напряжение компаратора составит . На неинвертирующем входе потенциал будет составлять

U_{P макс} = U_{а макс}∙R₁/(R₁+R₂).

При повышении входного напряжения U_e величина выходного напряжения U_a сначала не меняется. Но как только U_e достигает значения
U_{P макс}, выходное напряжение начинает падать, а вместе с ним снижается и потенциал на неинвертирующем входе U_P. Благодаря действию этой положительной обратной связи, U_а скачком падает до величины U_{а мин}, а потенциал U_P принимает значение

U_{P мин} = U_{а мин}∙R₁/(R₁+R₂).

Разность напряжений между входами будет достаточно большой отрицательной величиной, и достигнутое состояние – стабильным. Теперь выходное напряжение изменится опять до значения U_{а макс} только тогда, когда входное напряжение достигнет значения U_{P мин}. Напряжения U_{P макс} и U_{P мин} представляют собой соответственно верхний (U_{е выкл} = U_{P макс}) и нижний (U_{е вкл} = U_{P мин}) пороги срабатывания триггера Шмита. Передаточная характеристика, соответствующая схеме триггера Шмитта, представлена на рис. 50.

Рис. 50. Передаточная характеристика инвертирующего триггера Шмитта

Рис. 51 иллюстрирует одну из важнейших областей применения триггера Шмитта. Он используется для преобразования входного напряжения произвольной формы в прямоугольное напряжение с заданным временем установления, не зависящим от формы входного напряжения.

Рис. 51. Диаграмма работы инвертирующего триггера Шмитта