Исследование полупроводниковых приборов (стр. 10 из 13)
Временные диаграммы работы компаратора приведены на рис.2.
Рис.2. Временные диаграммы работы одновходового компаратора
До момента времени t1 (см. рис.2) состояние компаратора определяется опорным напряжением, которое подается на инвертирующий вход (см. рис.1). Для положительного значения Uоп на выходе получается отрицательное значение напряжения насыщения Uн¯. В момент времени t1 компаратор переключается из одного состояния насыщения в другое – Uн+.
При изменении опорного напряжения характеристика смещается вдоль оси Uвх влево или вправо в зависимости от полярности напряжения Uоп.
Для Uоп = 0 получается амплитудная характеристика операционного усилителя.
Временные диаграммы работы для положительного значения напряжения Uоп и периодического входного сигнала приведены на рис.4. Выходное напряжение имеет вид прямоугольных знакопеременных импульсов, имеющих длительность tи+ и tи–.
Рис.4. Временные диаграммы одновходового компаратора для периодического входного сигнала
По осциллограмме выходного напряжения определяются коэффициенты заполнения для положительного и отрицательного импульсов:
, 
.2. Двухвходовый компаратор без обратной связи.
Схема компаратора приведена на рис.5. В ней напряжения Uоп и Uвх подаются на разные входы, поэтому знаки сравниваемых напряжений должны быть одинаковыми. Для подключения опорного напряжения необходимо на плате соединить точки 15 и 11.
Рис.5. Схема двухвходового компаратора
Временные диаграммы работы для нарастающего входного сигнала приведены на рис.6.
Рис.6. Временные диаграммы работы двухвходового компаратора
До момента времени t1 состояние компаратора определяется неинвертирующим входом, так как на нем действует большее по величине напряжение. Как только напряжение на инвертирующем входе превысит значение Uоп на порог срабатывания компаратора, так напряжение на выходе скачком меняется из состояния Uн+ в состояние Uн–. Временные диаграммы для периодического входного сигнала и отрицательного значения Uоп приведены на рис.7.
Рис.7. Временные диаграммы работы двухвходового компаратора для периодического входного сигнала
3. Триггер Шмита.
Триггером называется схема с двумя устойчивыми состояниями равновесия, которая под действием входного сигнала переключается из одного состояния равновесия в другое и обладает памятью. Существуют аналоговые триггеры и цифровые. Аналоговый триггер выполняется на операционном усилителе. При построении схем триггеров применяется положительная обратная связь.
Схема триггера Шмитта приведена на рис.8.
Рис.8. Схема триггера Шмитта
Резистор обратной связи соединяет точки 6 и 3. В схеме введена последовательная обратная связь по напряжению, так как напряжение обратной связи Uос пропорционально выходному напряжению и включено во входную цепь последовательно с входным сигналом.
Для определения знака обратной связи на вход задается сигнал любого знака, например, положительного. В точке 6 сигнал инвертируется, поэтому на схеме показан отрицательный сигнал, который передается на вход в точку 3, причем,
. Во входном контуре получается согласное включение сигналов Uвх и Uос (стрелки направлены в одну сторону). Знаки или фазы сигналов совпадают, поэтому связь – положительная. Положительная обратная связь приводит к уменьшению времени переключения компаратора и создает память триггера.Амплитудная характеристика триггера Шмитта приведена на рис.9. Если на выходе схемы появляется положительное напряжение Uн+, то такой же знак имеет напряжение обратной связи Uос. Для переключения операционного усилителя на инвертирующий вход необходимо подать положительное напряжение. Когда выполняется условие Uвх ≥ Uос, тогда компаратор переключается в другое состояние насыщения Uн¯.
Для отрицательного выходного напряжения изменяется знак напряжения обратной связи на отрицательный. Чтобы переключить компаратор, необходимо на вход подать отрицательное напряжение, которое должно сравняться с напряжением обратной связи и превысить его на малую величину. В результате переключения усилителя под действием входного сигнала разной полярности получается релейная характеристика в виде петли гистерезиса (рис.9). Пока значение входного сигнала лежит в пределах петли, триггер сохраняет значение выходного сигнала. Это означает, что схема триггера обладает памятью. Значения напряжения Uос называются пороговыми Uпор.
Рис.9. Амплитудная характеристика триггера Шмитта
4. Двухвходовый компаратор с положительной обратной связью
Рис.10. Схема двухвходового компаратора с положительной обратной связью
Схема компаратора приведена на рис.10. В ней включен источник опорного напряжения в цепь неинвертирующего входа, а входной сигнал – в цепь инвертирующего входа. В зависимости от полярности опорного напряжения петля амплитудной характеристики сдвигается от нуля влево или вправо. На рис.11 изображена амплитудная характеристика для Uоп >0.
Рис.11. Амплитудная характеристика двухвходового компаратора с положительной обратной связью
Экспериментальная часть
1. Снятие амплитудной характеристики операционного усилителя.
Снять амплитудную характеристику операционного усилителя для Uоп = 0. Для этого вертикальный вход осциллографа подключить к выходу усилителя, а горизонтальный вход – к инвертирующему входу.
2. Снятие амплитудной характеристики одновходового компаратора.
Снять амплитудную характеристику одновходового компаратора для Uоп ≠ 0. Значение опорного напряжения взять из таблицы вариантов.
3. Снятие амплитудной характеристики триггера Шмита.
Амплитудная характеристика триггера Шмитта снимается также как и амплитудная характеристика одновходового компаратора: вертикальный вход осциллографа подключается к выходу, а горизонтальный – к инвертирующему входу.
4. Снятие амплитудной характеристики двухвходового компаратора.
Снять амплитудную характеристику двухвходового компаратора с положительной обратной связью для Uоп ≠ 0. Подключение осциллографа остается таким же как в п.3, а в цепь неинвертирующего входа подключается опорное напряжение.
5. Исследование работы компараторов от переменного входного сигнала.
5.1. Зарисовать осциллограммы напряжений uвх(t), Uоп(t), uвых(t) для Uоп ≠ 0. В качестве источника входного напряжения использовать генератор импульсов.
5.2. Зарисовать осциллограммы напряжений uвх(t), uвых(t) триггера Шмитта. В качестве источника входного напряжения использовать генератор импульсов.
5.3. Зарисовать осциллограммы напряжений uвх(t), Uоп(t), uвых(t) двухвходового компаратора с положительной обратной связью.
Снять зависимость коэффициента заполнения γ± от опорного напряжения Uоп±.
Контрольные вопросы
1. Что называется компаратором?
2. Зачем в схему компаратора включается опорное напряжение?
3. Зачем в компаратор включается положительная обратная связь?
4. В каких случаях применяется одновходовый компаратор?
5. Что такое амплитудная характеристика и как она выглядит для разных схем компараторов?
6. Как повысить помехоустойчивость триггера Шмитта?
7. Что такое коэффициент заполнения? Как изменяется коэффициент заполнения от опорного напряжения при синусоидальном входном сигнале в разных схемах компараторов?
Таблица вариантов
| № вар. | Uоп, В | Uвхm, В |  , В | № вар. | Uоп, В | Uвхm, В | , В |
| 1 | 0,5 | 4,0 | 0,3 | 13 | 0,5 | 3,0 | 0,4 |
| 2 | 1,0 | 5,0 | 0,5 | 14 | 1,0 | 4,0 | 0,6 |
| 3 | 1,5 | 6,0 | 1,0 | 15 | 1,5 | 3,5 | 1,0 |
| 4 | 2,0 | 5,0 | 1,5 | 16 | 2,0 | 4,0 | 0,5 |
| 5 | 2,5 | 6,0 | 1,0 | 17 | 2,5 | 4,5 | 1,0 |
| 6 | 3,0 | 5,0 | 1,5 | 18 | 3,0 | 6,0 | 0,5 |
| 7 | 0,5 | 3,0 | 0,3 | 19 | 0,5 | 4,0 | 1,0 |
| 8 | 1,0 | 3,5 | 0,5 | 20 | 1,0 | 3,5 | 0,3 |
| 9 | 1,5 | 4,0 | 0,8 | 21 | 1,5 | 4,0 | 0,5 |
| 10 | 2,0 | 4,5 | 1,0 | 22 | 2,0 | 4,5 | 1,0 |
| 11 | 2,5 | 3,0 | 1,5 | 23 | 2,5 | 5,0 | 1,5 |
| 12 | 3,0 | 5,0 | 1,0 | 24 | 3,0 | 5,5 | 1,0 |
Примечание: студенты, получившие подвариант А, строят временные диаграммы uвх(t), uвых(t), uоп(t) для двухвходового компаратора; подвариант Б – временные диаграммы uвх(t), uвых(t), uпор(t) для триггера Шмитта; подвариант В – временные диаграммы uвх(t), uвых(t), uоп(t), uпор(t) для двухвходового компаратора с положительной обратной связью (ПОС). Напряжение насыщения усилителя Uн± = 7 В.