Регенеративный компаратор

Рис. 7.5	Рис. 7.6

Принцип действия регенеративного компаратора поясняет рис. 7.6. Как и в других компараторах, в ней отсутствует обратная связь между выходом и инвертирующим входом, поэтому ПХ ОУ имеет вертикальный участок и выходной сигнал принимает значения ±Е. Однако имеется другая обратная связь: средняя точка резистивного делителя R₂– R₃ соединена с неинвертирующим входом ОУ. С ее помощью задается значение = ± γЕ (в зависимости от значения выходного сигнала, γ = R₃/(R₂ + R₃) – коэффициент деления делителя).

Допустим, что входной сигнал меняет свое значение от отрицательного к положительному. На выходе схемы вначале +Е, значит на неинвертирующем входе +γЕ. Пока на инвертирующем входе напряжение меньше +γЕ, компаратор не переключается – даже при смене полярности входного сигнала. Только при U_вx > +γЕ происходит срабатывание схемы и на выходе устанавливается –Е. При изменении входного сигнала в обратную сторону – от «плюса» к «минусу» на неинвертирующем входе исходно установлено –γЕ, поэтому компаратор переключается при этом значении сигнала. Зависимость U_выx от U_вx отдаленно напоминает петлю гистерезиса у ферромагнетиков и сегнетоэлектриков, поэтому тоже получила название гистерезисной.

Нуль-детектор

В схемотехнике одной из задач является определение моментов времени, при которых сигнал произвольной формы равен нулю («выделение нуля»). Для этого используется схема, называемая нуль-детектором или нуль-компаратором. Схема нуль-детектора на ОУ приведена на рис. 7.7. Она содержит операционный усилитель, на инвертирующий вход которого подается входной сигнал, и цепь обратной связи в виде диодного моста VD₁ – VD₄ и двух дополнительных источников постоянных напряжений –U₀ и +U₀ (½–U₀½ = +U₀ <½E½). Получение напряжений –U₀ и +U₀ («порогов») не представляет технических трудностей, так как для этого можно использовать шины питания ОУ ±Е, соединив их высокоомным делителем.

В нуль-детекторе используют инвертирующее включение ОУ и охватывают его коммутируемой обратной связью (рис. 7.8).

Рис. 7.8

Схема работает в трех режимах, зависящих от соотношения U_вx с –U₀ и +U₀: в двух режимах диоды моста частично закрыты, а частично открыты, причем таким образом, что связь выхода ОУ со входом разрывается и эквивалентное сопротивление цепи обратной связи R_oc ® ¥. В третьем режиме все диоды открыты, выход ОУ накоротко соединен со входом, таким образом, ОУ как бы охвачен цепью обратной связи и R_oc = 0. Эквивалентные схемы нуль-детектора в разных режимах приведены на рис. 7.9.

Рис. 7.7

Рассмотрим эти режимы подробнее.

1. При U_вx < –U₀ на выходе ОУ из-за огромного значения К_ОУ образуется сигнал U_выx = +Е; при этом диод VD₁ открыт (так как U_вx < +U₀), диод VD₄ также открыт (так как –U₀ < +E). Но диод VD₃ закрыт (так как U_вx < –U₀), закрыт и диод VD₂ (так как +U₀ < +E) – обратная связь разорвана.

2. При –U < U_вx < +U₀ открываются диоды VD₁ и VD₂, и так как |–U₀| = = +U₀, то на инвертирующем входе сигнал приобретает значение U_{вx ОУ} = = (+U₀ – U₀)/2 = 0 (разность сигналов U_вx – U_{вx ОУ} = U_вx гасится на сопротивлении R, а сопротивления R₁ и R₂ исключают короткое замыкание источников дополнительных напряжений друг на друга). При U_{вx ОУ} = 0 независимо от значения K_ОУ U_выx = 0, тогда открыты и диоды VD₃ и VD₄. Обратная связь представляет собой короткое замыкание (если пренебречь небольшими внутренними сопротивлениями открытых диодов).

Рис. 7.9

3. При U_вx > +U₀ на выходе ОУ напряжение равно U_выx = –Е, открыты диоды VD₂ и VD₃, закрыты VD₁ и VD₄ (режим, «с точностью до наоборот» соответствующий режиму 1).

Хотя в ходе обсуждения уже установлено, что при входных сигналах, близких к нулю (уровни +U₀ и –U₀ можно задать малыми), на выходе нуль-детектора сигнал равен нулю, а во всех остальных случаях – предельным уровням ±Е, но отметим, что к этому же результату можно прийти, и пользуясь универсальной формулой для инвертирующего включения ОУ: K_U = – Z_oc/Z_вх.

В данном случае Z_вx = R = const, а в режимах 1 и 3 равно Z_oc = ¥, тогда K_U = −¥. Значит, U_выx = –Е при положительном U_вx и U_выx = +Е при отрицательном U_вx. В режиме 2 Z_oc = 0, т. е. К_U = 0 и U_выx = 0. Диодный мост выполняет функцию ключа, управляемого входным сигналом.

Рис. 7.10	Рис. 7.11

На рис. 7.10 приведена передаточная характеристика нуль-детектора, на рис. 7.11 показано изменение формы сигнала при его прохождении через нуль-детектор. Если на неинвертирующий вход ОУ подать некоторое постоянное напряжение U_см, то нуль-детектор будет иметь U_выx = 0 при U_вx, близких к U_см.

ЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ

Электронные ключи (ЭК) – это схемы, которые либо пропускают сигнал со входа на выход без искажений, либо подавляют его. Иначе говоря, коэффициент передачи ЭК принимает значения 1 или 0 и меняется скачком. Изменение коэффициента передачи происходит под действием дополнительного сигнала, который называют управляющим U_упр. Управляющий сигнал имеет форму прямоугольных импульсов. Графики сигналов на входе и выходе ЭК приведены на рис. 8.1.

Электронные ключи являются аналогами электромеханических реле, причем по большинству эксплуатационных параметров ЭК превосходят реле.

Существуют ЭК двух видов – последовательные (рис. 8.2 а, слева) и параллельные (рис. 8.2 б, справа). Очевидно, что через последовательный ключ сигнал проходит тогда, когда ключ открыт, а через параллельный – наоборот, когда ключ закрыт (при открытом параллельном ключе сигнал уходит на землю и не доходит до нагрузки). Поэтому некоторые параметры ЭК для параллельных и последовательных ключей определяются по разным формулам.

Параметры ЭК:

а)
б)
Рис. 8.1	Рис. 8.2

1. Коэффициент коммутации К_к– главный параметр, характеризую-щий ключ; он показывает различие в амплитудах сигналов на выходе схемы в разных режимах ЭК. Для последовательных ЭК К_к = U_{вых.отк} / U_{вых.зак}, для параллельных К_к= U_{вых.зак} / U_{вых.отк} (здесь U_{вых.отк} и U_{вых.зак}, соответственно, амплитуды напряжений на выходе открытого и закрытого ключа). Формулы составлены так, чтобы в числителе всегда находилось большее значение U_выx, а в знаменателе – меньшее значение. К_к, в силу этого соображения, всегда больше единицы, а в идеальном ЭК должен быть равен бесконечности. Определить коэффициент коммутации по осциллограмме можно по формуле К_к = а/b (рис. 8.1), которая справедлива как для параллельных, так и для последовательных ЭК.

2. Коэффициент передачи К_п– параметр, характеризующий потери сигнала при его прохождении через ЭК (в режиме пропускания). Для последовательного ЭК К_п = U_{вых.отк}/U_вx, для параллельного К_п = U_{вых.зак}/U_вx. В идеальном ключе потери сигнала отсутствуют и К_п = 1. Определить коэффициент передачи по осциллограмме можно по формуле К_п = а/с (рис. 8.1), которая справедлива как для параллельных, так и для последовательных ЭК.

3. Быстродействие Δt. Под быстродействием понимают время переключения ЭК из одного состояния в другое.

4. Чувствительность ключа – параметр, характеризующий реакцию схемы на управляющий сигнал, он определяется по формуле ΔU_упр =U_упр1 –– U_упр2, где U_упр1 – амплитуда управляющих импульсов, при которой обеспечивается К_к = 10 (b = 0,1 а); U_упр2 – амплитуда импульсов при К_к = 1,1 (b = 0,9 а).

Если одиночный ключ работает недостаточно эффективно и обеспечивает недостаточный уровень коэффициента коммутации, то применяют соединение ЭК: ключи соединяют последовательно по основному сигналу и параллельно – по управляющему. При этом коэффициенты коммутации К_к и передачи К_п составного ключа можно определить по формулам: К_к= = К_к1 К_к2; К_п = К_п1 К_п2 (формулы записаны для случая, когда составной ЭК содержит два ключа, с номерами 1 и 2, но могут быть распространены и на случай, когда объединено большее количество одиночных ключей).

На рис. 8.3 приведен пример параллельного транзисторного ключа на биполярном транзисторе.

Транзистор работает в ключевом режиме и переходит из насыщения в отсечку и обратно под действием управляющего сигнала, подаваемого на его базу. Сопротивление R_К предотвращает закорачивание источника питания на землю при насыщении транзистора, емкости C_р являются разделительными и обеспечивают развязку электронного ключа с соседними каскадами по питанию. Недостатком как данной схемы, так и всех транзисторных ключей является наличие гальванической связи между цепями основного и управляющего сигналов. Наличие гальванической связи между цепями в транзисторных ЭК является недостатком, который отсутствует у реле, хотя по другим параметрам транзисторные ключи превосходят реле.

Указанного недостатка лишены ЭК на оптронах (оптрон – прибор, объединяющий в одном корпусе светодиод и фотодиод). Пример ключа на оптронах приведен на рис. 8.4.

Рис. 8.3	Рис. 8.4

Фактически в этой схеме два ключа – последовательный на оптроне VD₁ и параллельный на оптроне VD₂. При положительной полярности управляющего сигнала загорается светодиод в оптроне VD₁, образующий с ним пару фотодиод открывается и пропускает сигнал. Светодиод в оптроне VD₂ остается темным и параллельный ключ закрыт. При смене полярности управляющего сигнала загорается светодиод в оптроне VD₂, а светодиод в оптроне VD₁ остается темным. Поэтому последовательный ключ закрыт, а параллельный открыт, и через него заземляется тот небольшой сигнал, который смог пройти через закрытый последовательный ключ.