Нелинейные режимы работы ОУ. Компаратор

Рассмотрим работу ОУ в нелинейном режиме. Рассмотренный раннее анализ относится к линейной части передаточной характеристики ОУ. Однако возможен вариант, когда ОУ выходит в зону насыщения ‌ U_вх1-U_вх2 ‌ =ΔU_вх>U_гр., Таким образом, передаточная характеристика содержит участок положительного насыщения ΔU_вх>U_гр., U_вых.=U_{вых.мах.} и отрицательного насыщения ΔUвх<-Uгр_., U_вых.= -U_{вых.мах.} Так как в реальных ОУ коэффициент усиления весьма значителен, то U_гр. мало, можно считать, что при U_вх1-U_вх2>0, U_вых=U_{вых.мах.,} при U_вх1-U_вх2<0, U_вых= - U_{вых.мах}, т.е. операционный усилитель в таком режиме работы является схемой сравнения (компаратор).

Выходное напряжение компаратора (рис 3.10) зависит от того какое из напряжений большее. Пример работы компаратора рис.3.10.

Рис.3.10. Схема компаратора

Наряду с простейшей схемой компаратора находит широкое применение схема компаратора с ПОС, пороговый элемент или триггер Шмитта.. Эта схема показана на

рис 3.11.

Здесь применена положительная обратная связь через цепочку R₁R₂, а входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ.

Рис.3.11. Триггер Шмитта

. На мал.3.11. построена передаточная характеристика ОУ. Поясним ее ход. При значительном отрицательном напряжении на инвертирующем входе ОУ U_вых=U_{вых.мвх.}. Напряжение U_пр. на прямом входе вызвано воздействием U_вых. и U₀. Найдем его методом суперпозиции, учитывая, что для обоих напряжений цепочка R₁ R₂ выполняет роль делителя.

Компаратор будет в режиме насыщения при U_вх<U_*1. При U_вх=U_*1 , произойдет переключение компаратора. Остановимся на этом процессе более подробно. При U_вх=U_*1. выходное напряжение ОУ начнет уменьшаться. Отрицательное приращение по цепочке ПОС поступит на прямой вход ОУ, и появится отрицательное приращение. ОУ усилит это приращение и на выходе появится │ΔU_вых│>│ΔU_вых│ которое вновь вызовет изменение напряжения на прямом входе. Процесс будет развиваться лавинообразно и завершится, когда достигнет значения U_вых= - U_{вых.мах}. Таким образом, ПОС ускоряет процесс переключения компаратора. Такой ускоренный ход переключения какого-либо устройства под действием ПОС носит название регенеративного процесса. При U_вых= - U_{вых.мах}

Отрицательное насыщение ОУ будет сохраняться при U_вх>U_*2. При уменьшении U_вх до значения U_*2 произойдет новое переключение компаратора, процесс опять будет развиваться регенеративно и выходное напряжение мгновенно достигнет значения U_{вых.мах}. Таким образом, передаточная характеристика компаратора имеет гистерезисный характер и переключение компаратора при увеличении и уменьшении U_вх происходит при различных напряжениях U_*1, U_*2. Ширина петли гистерезиса (U_*1-U_*2) увеличивается с увеличением отношения R₁/R₂.