Схемотехника аналоговых электронных устройств

Из-за конечного значения коэффициента усиления компаратора возможно плавное нарастание U_вых(рисунок 7.27а).

Рисунок 7.27. Компаратор с ПОС

Если плавное срабатывание нежелательно, то применяют компаратор на основе ОУ с цепью ПОС (рисунок 7.27б). Если опорное напряжение не подается, то такой компаратор называют еще триггером Шмитта. Как видно из рисунка 7.27в, такой компаратор обладает гистерезисом, что объясняется наличием цепи ПОС. Переключение схемы в состояние U₂ происходит при достижении входным напряжением уровня срабатывания U_ср, а возвращение в исходное состояние U_вых=U₁ — при снижении входного напряжения до уровня отпускания U_отп. Значения входных пороговых напряжений и ширина зоны гистерезиса определяются по формулам:

U_ср = U₂R₁/(R₁ + R₂),

U_отп = U₂R₁/(R₁ + R₂),

U_гис = U_ср – U_отп = R₁(U₂ – U₁)/(R₁ + R₂).

Пороги срабатывания делают схему нечувствительной к шумам, которые всегда присутствуют во входном сигнале, и тем самым исключают ненужные переключения под действием шумов, т.е. устраняют так называемый "дребезг" контактов.

Важнейшим показателем ОУ в случае его использования в качестве компаратора является быстродействие, оцениваемое задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Лучшим быстродействием обладают специальные ИМС компараторов. Повышенное быстродействие в них достигается использованием СВЧ-транзисторов и исключением режима их насыщения. Более подробно компараторы описаны в [12,14].

7.6. Генераторы

Генератором называется автоколебательная структура, в которой энергия источника питания преобразуется в энергию электрических автоколебаний. Различают генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и генераторы сигналов специальной формы (прямоугольной, треугольной и т.д.)

Обобщенная макромодель генератора приведена на рисунке 7.28 и представляет собой усилительный каскад, охваченный цепью ПОС.

Рисунок 7.28. Макромодель генератора

Для возникновения колебаний в данной системе необходимо выполнение условия баланса амплитуд и баланса фаз:

|Kβ|≥1,

φ = φ_у + φ_ос = 2nπ,

где φ_у и φ_ос — фазовые сдвиги, вносимые усилителем и цепью ОС соответственно, n — целое число.

Для получения на выходе генератора синусоидального напряжения достаточно, чтобы данные условия выполнялись только на одной частоте.

Существует большое количество схемных реализаций генераторов, поэтому ограничимся рассмотрением генераторов на основе ОУ, как наиболее соответствующим содержанию курса АЭУ. На рисунке 7.29 приведены различные варианты схем генераторов гармонических колебаний на ОУ.

Рисунок 7.29. Автогенераторы на основе ОУ

В схеме LC-автогенератора (рисунок 7.29а) баланс фаз обеспечивается наличием ПОС, вводимой с помощью резисторов R₂ и R₃, баланс амплитуд достигается выбором номиналов резисторов R₂ и R₃ по условию

βK = R₃(R₂ + R₃)·K ≥ 1.

Здесь под K подразумевается масштабный коэффициент усиления, равный

K = R_ρ/R₁,

где R_ρ — сопротивление контура на частоте резонанса.

Частота резонанса определяется элементами LC-контура и рассчитывается по известной формуле

Можно избежать применения индуктивностей, используя селективные RC-цепи. Наибольшее применение получила так называемая фазирующая RC-цепь, включенная в схеме RC-генератора (рисунок 7.29б) между выходом и неинвертирующим входом ОУ. На частоте генерации f₀ = 1/2πRC фазовый сдвиг φ_ос=0 и выполняется условие баланса фаз, для выполнения баланса амплитуд необходимо скомпенсировать затухание, вносимое фазирующей цепью на частоте генерации, т.е. выполнить условие

K_0ОС = R₂/(R₁ + R₂) = A₀,

где A₀≈3,3 — затухание, вносимое фазирующей цепью.

Чтобы генерировать колебания сложной формы, следует выполнить неравенство K_0ОС>>A₀ как условие генерации многочастотных колебаний. Оно легко реализуется.

В схеме RC-автогенератора с электронной перестройкой частоты (рисунок 7.29г) в качестве управляемых сопротивлений используется сдвоенный ПТ, у которого сопротивление канала является линейной функцией управляющего напряжения E_упр. Очевидно, что при изменении E_упр происходит электронная перестройка частоты. Если в качестве управляющего напряжения использовать низкочастотное колебание, то по закону изменения амплитуды этого колебания будет изменяться частота автогенератора, т.е. осуществляться частотная модуляция.