Исследование характеристик аналоговых компараторов напряжения

1. Цель работы

Целью работы является:

• ознакомление с характеристиками аналоговых компараторов напряжения;

• исследование работы однопорогового компаратора;

• исследование работы гистерезисного компаратора.

2. Сведения, необходимые для выполнения работы

Перед выполнением работы полезно ознакомиться со следующими вопросами:

• назначение, принцип действия и классификация аналоговых компарато­ров

• особенности работы операционного усилителя (ОУ) в качестве схемы сравнения аналоговых сигналов;

• принципы построения и характеристики однопороговых компараторов на основе ОУ;

• принципы. построения и характеристики гистерезисных компараторов на основе ОУ.

Компаратором называется устройство сравнения двух аналоговых сигналов, один из которых может быть задан как эталонный. При этом на выходе устрой­ства формируются только два значения выходного сигнала: напряжение на выхо­де будет иметь высокий уровень U_B, если разность между входными сигналами положительна, и, наоборот, низкий уровень U_Н если разностное напряжение отрицательно. Эти условия записываются следующим образом:

(4.1)

В общем случае напряжение U_ВЫХ может отличаться как по величине, так и по знаку. На практике наибольшее распространение получили устройства, форми­рующие на выходе либо напряжения противоположной полярности при прак­тически равных абсолютных значениях, либо напряжения одной полярности. Первый случай характерен для использования в качестве схемы сравнения опе­рационного усилителя (ОУ), второй - при использовании специализированных интегральных схем. Во втором случае выходные напряжения компаратора со­гласованы по величине и полярности с сигналами, используемыми в цифровой технике.

Поэтому можно сказать, что входной сигнал компаратора носит аналоговый характер, а выходной - цифровой. Вследствие этого компараторы часто выпол­няют роль элементов связи между аналоговыми и цифровыми устройствами.

На рисунке 4.1 приведена схема инвертирующего усилителя без обратной связи и его передаточная характеристика.

Рисунок 4.1- Схема инвертирующего усилителя (а) и его передаточная характеристика (б)

Пока входной сигнал удовлетворяет соотношению:

< < , (4.2)

где U_ОГР+ и U_ОГР-_ - положительный и отрицательный уровни ограничения выход­ного сигнала ОУ, а К_ОУ - коэффициент усиления ОУ, схема работает в линейном режиме и выходной сигнал изменяется пропорционально входному.

При нарушении условия (4.2) ОУ переходит в режим ограничения, и выход­ное напряжение может принимать одно из двух предельных значений: U_В = U_ОГР+ или U_H= U_ОГР- . Пусть абсолютные значения уровней ограничения выходного сиг­нала ОУ равны .Тогда при использовании ОУ в качестве компаратора должно выполняться соотношение:

> (4.3)

В рассмотренной схеме (рисунок 4.1) эталонный уровень напряжения, с которым сравнивается входной сигнал, равен нулю, и ее часто называют детектором нуля сигнала, или схемой определения прохождения напряжения через нуль.

Диапазон значений входного сигнала, соответствующий условию (2), явля­ется зоной неопределенности компаратора и определяет его погрешность. Абсо­лютная величина этой погрешности равна:

(4.4)

Для уменьшения погрешности компаратора необходимо уменьшить интервал неопределенности входных напряжений. Это можно обеспечить одним из следую­щих способов:

• использование ОУ с большим коэффициентом усиления;

• введение в схему положительной обратной связи (ПОС).

Из теории известно, что коэффициент передачи усилителя при введении ПОС К_ПОС описывается выражением:

, (4.5)

где К_оу - коэффициент передачи схемы без обратной связи (ОС), а b_ос - коэффи­циент передачи цепи ОС.

Из (4.5) следует, что при b_oc = 1/K_oy коэффициент- усиления схемы будет ра­вен бесконечности, а погрешность компаратора - нулю. На практике это условие трудновыполнимо из-за разброса параметров и нестабильности характеристик ОУ. Поэтому погрешность компаратора не может быть устранена полностью, од­нако ее удается существенно снизить.