Компараторы на основе ИМС ОУ

Компаратор — это устройство для сравнения двух аналоговых сигналов: опорного U опи измеряемого, или входного, U вx. В мо­мент равенства этих сигналов напряжение на выходе компаратора резко изменяется от значения, соответствующего напряжению логиче­ско­го нуля, до напряжения, соответствующего логической единице.

Обычно после компаратора включают цифровой логический элемент или триггер, на вход которого следует подавать напряжения только двух уровней: соответствующие логическому нулю или логической единице, поэтому и напряжения на выходе компаратора должны принимать эти значения.

Наличие двух входов и дифференциального усилителя с большим коэффициентом усиления у ИМС ОУ позволяет построить компаратор на ее основе.

На рис. 2.12 приведено УГО компаратора для сравнения однополярных сигналов, а также эпюры напряжений на его входе и выходе. Полярность выходного сигнала U выxопределяется наибольшим из напряжений U вxи U оп, т.е. U выx= K (U оп- U вx).

За счет большого коэффициента усиления К при отсутствии обратной связи напряжение U выxкомпаратора достигает больших значений и превышает напряжение насыщения микросхемы U нас(+) или U нас(-) при весьма незначительной разности напряжений U вxи U оп.

Рис. 2.12. УГО компаратора (а) и его эпюры напряжений (б)

При нарастании напряжения на входе компаратора до момента времени t 1(см. рис. 2.12, б) U оп> U вx, т.е. полярность напряжения U нас(+)совпадает с полярностью напряжения U оп, и U выx= U нас(+). Когда U вxстанет больше U оп(после момента времени t 1), полярность U выx,определяемая напряжением на инвертирующем входе, будет противоположна полярности U вx(так как вход инвертирован). Следовательно, при весьма незначительном превышении U вxнад U оп, т.е. практически в момент t 1, напряжение на выходе U выxустановится равным напряжению U нас(-).

В момент времени t 2вновь наступает равенство сигналов U вxи U оп, вслед за которым U вxстановится меньше U оп,и напряжение на выходе скачком переходит от U нас(-)к U нас(+).

Статическая характеристика, показанная пунктиром на рис. 2.12, б, соответствует идеальной, т.е. предполагается, что переключение U выxкомпаратора происходит мгновенно в моменты t 1 и t 2, когда U вx= U оп. Сплошной линией на рисунке показана характеристика реального компаратора, у которого переключение начинается с некоторым запаздыванием относительно t 1 и t 2и длится определенное время.

Если в схеме на рис. 2.12, a опорное напряжение равно нулю, то компаратор переключится при U вх= 0, т.е. имеет место детектирование нулевого уровня. Соответ­ственно эту схему при U оп= 0 называют детектором нулевого уровня.

Для получения на выходе компаратора цифровых уровней, соответствующих логической единице и логическому нулю, в схему вводят ограничитель, состоящий из диодов и резистора.

Специализированные ИМС компараторов позволяют производить сравнение сигналов с высокой точностью (до десятков микровольт), и обладают относительно высоким быстродействием. В структурном отношении они отличаются от ИМС ОУ наличием узла ограничения выходного напряжения на уровнях логических 0 и 1.

На специализированных ИМС компараторов может быть ре­ализовано сравнение однополярных и разнополярных напряжений аналогично тому, как это делается на ИМС ОУ.

Усилители мощности

Усилители мощности,используемыевпредоконечных и оконеч­ных (выходных) каскадах усилителей, предназначены для обеспе­чения требуемого уровня тока или напряжения сигнала на заданном сопротивлении нагрузки. Если нагрузка активная (резистор), оконечный каскад должен быть усилителем мощности, а если реактив­ная (емкость, индуктивность) — усилителем напряжения. В оконечных каскадах используются мощные усилительные элементы с большими рабочими токами и большим потреблением энергии. Следовательно, при проектировании оконечных каскадов необходимо стремиться к достижению высокого КПД, так как чем выше КПД, тем меньше тепловые потери и выше экономичность усилителя. Ввиду того, что полностью устранить тепловые потери невозможно, необходимо предусматривать в оконечных каскадах усилителей мощности теплоотводы, радиаторы и холодильники.

Другой особенностью оконечных каскадов является высокий уровень их входных сигналов, в связи с чем, параметры усилительных элементов могут резко меняться. Наибольшее усиление по мощности получают при включении транзисторов по схеме с общим эмиттером. Включение же транзисторов по схеме с общим коллектором обеспечивает хорошее согласование выходного сопротивления каскада с низкоомной нагрузкой.

Оконечные каскады разделяют на однотактные и двухтактные: в первых транзистор работает на линейном участке ВАХ в неэкономичном режиме, а вторые обеспечивают большое усиление по мощности и экономичный режим работы.

По принципу межкаскадных связей различают трансформаторные и бестрансформаторные оконечные каскады. Трансформаторные оконечные каскады более экономичны, но имеют большие массу и габаритные размеры.

Рассмотрим основные принципы работы и характеристики оконечных каскадов, позволяющие выбрать схему и рассчитать их основные параметры. При этом в качестве усилительных элементов примем транзисторы, наиболее широко применяемые в оконечных каскадах.

В связи с тем, что оконечные каскады усиливают переменные напряжения, а входные и выходные цепи содержат индуктивности и емкости, их сопротивления характеризуются комплексными величинами, включающими в себя активную и реактивную составляющие. Поэтому динамические характеристики иногда разделяют на характеристики постоянного и переменного тока.

Схемы предоконечных и выходных усилительных каскадов на биполярных транзисторах с емкостными связями аналогичны схемам обычных усилительных каскадов, только в них используются более мощные транзисторы. Коллекторный резистор каскада должен быть рассчитан на пропускание больших токов, а конденсаторы иметь емкость в три-четыре раза большую, чем у обычных каскадов.

Входные и выходные характеристики предоконечных и оконеч­ных каскадов определяются так же, как и обычного усилительного каскада. Проходную динамическую характеристику транзистора получают, используя его входные и выходные характеристики. На основе семейства кривых зависимостей I К= f 1(U К-Э, U Б-Э) строят нагрузочную прямую — зависимость I К= f 2(U К-Э) и выбирают один из следующих режимов работы транзистора.

Режим А. Определяет работу транзистора на линейном участке выходной характеристики. В этом режиме точка покоя (соответствующая нулевому напряжению на входе) находится в центральной части входной характеристики. Следовательно, в транзисторе проходит довольно сильный ток даже в отсутствие сигнала на входе и велики потери такого усилительного каскада.

Режим В. В этом режиме точка покоя выбирается при токе покоя транзистора, равном нулю. Линейный участок выходной характеристики используется, только если напряжение на базе относительно эмиттера положительное (для п-р-п -транзисторов). Точка покоя находится на начальном участке входной характеристики. Следовательно, в этом случае при отсутствии сигнала на входе в транзисторе не проходит ток и КПД усилительного каскада высокий. Недостатком данного режима является нелинейность соответствующей рабочей характеристики, обусловленная тем, что усилитель не работает при отрицательных полупериодах сигнала на входе (т.е. на базе транзистора).

Режим С. В этом режиме точка покоя выбирается левее точки В входной характеристики, т.е. в этом случае ток покоя транзистора должен быть равен нулю даже при небольших положительных напряжениях. Данный режим очень экономичный и используется в очень мощных звуковых усилителях. Недостатком этого режима является сильная нелинейность соответствующей рабочей характеристики, связанная с тем, что усилитель не работает при отрицательных полупериодах сигнала на входе (на базе транзистора). Сигнал на выходе имеет нечетные гармоники, которые можно устранить избирательными фильтрами на выходе усилительного каскада.