Нелинейный режим работы операционного усилителя

 

Компараторы

Широкое применение для построения релейных (пороговых) усилителей нашли операционные усилители (ОУ), которые в этих устройствах работает на нелинейных участках характеристики (участках насыщения). Выходное напряжение ОУ может принимать одно из двух значений: U ⁺ _{вых. max} или U ^- _{вых. max}. Это связано с тем, что уровни входных напряжений релейных усилителей намного превышают максимальное входное напряжение, при котором ОУ может работать в режиме усиления.

Напомним, что максимальное входное напряжение (разность между напряжением на прямом входе U _пр и на инвертирующем входе U _инв), при котором ОУ может работать в режиме усиления, составляет сотые доли милливольт, поэтому при анализе схем, построенных на ОУ, работающем в линейном режиме, входное напряжение ОУ считают равным нулю.

Если напряжение на входе ОУ выходит за пределы максимального (которое можно считать равным нулю), то ОУ переходит в режим насыщения и выходное напряжение принимает одно из двух значений: U ⁺ _{вых. max} или U ^- _{вых. max}, - величина которых определяется величиной напряжений источников питания +Е_п и –Е_п. Таким образом, напряжение на выходе ОУ будет равно U ⁺ _{вых. max}, если U _пр - U _инв > 0 и U^-_вых.max, если U _пр - U _инв < 0.

На рис. 9.1 представлены типовые схемы применения ОУ в качестве порогового усилителя (компаратора). На рис. 9.1, а показан инвертирующий компаратор, на прямой вход которого подано опорное напряжение U _оп, а на инвертирующий вход – входное напряжение U _вх. Пока напряжение на инвертирующем входе U _вх меньше, чем на прямом входе U _оп (U _пр - U _инв > 0), на выходе ОУ сохраняется максимальное положительное напряжение U ⁺ _{вых. max}. Когда напряжение на инвертирующем входе U _вх сравняется с опорным и станет чуть больше (U _пр - U _инв < 0), выходное напряжение ОУ изменит знак и станет равным U ^- _{вых. max}. Дальнейшее увеличение входного напряжения не изменит состояния ОУ. Таким образом, состояние ОУ зависит от соотношения входного и опорного напряжений. Изменяя опорное напряжение можно менять порог срабатывания компаратора.

На рис. 9.1, б показаны схема и передаточная характеристика неинвертирующего компаратора. Здесь соотношению U _вх – U _оп < 0 соответствует соотношение U _пр - U _инв < 0 и в этом случае выходное напряжение ОУ равно U ^- _{вых. max}. При увеличении входного напряжения сверх U _оп соотношение между U _пр и U _инв ОУ меняется на противоположное U _пр - U _инв > 0 и выходное напряжение становится равным U ⁺ _{вых. max}.

Широкое применение получили также компараторы, в которых ОУ охвачен положительной обратной связью (рис. 9.2, а). Такой компаратор обладает характеристикой с гистерезисом (рис. 9.2, б). Схема известна под названием триггер Шмитта.

Переключение схемы в состояние U ^- _{вых. max} происходит при достижении входным напряжением U_вх напряжения порога срабатывания U _ср, а возвращается в исходное состояние U ⁺ _{вых. max} – при снижении U _вх до напряжения порога отпускания U _отп.

Значения пороговых напряжений найдем, учитывая, что переключение схемы происходит, когда U _пр - U _инв = 0

откуда ширина зоны гистерезиса

.

Важнейшим показателем операционных усилителей, работающих в импульсном режиме, является их быстродействие, которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Задержка срабатывания (время задержки выходного импульса) ОУ общего применения составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения – доли микросекунды.

Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, предназначенные непосредственно для импульсного режима работы и получившие общее название “компараторы”.

 

 

⇐ Предыдущая23242526272829303132Следующая ⇒

Поделиться: