3.5.7. Дифференциаторы

R

C

U_вх

U_вых

Рис. 3.27. Схема дифференциатора на ОУ

Дифференциаторы подобны интеграторам, в них только меняют местами резистор R и конденсатор С (рис. 3.27). Инвертирующий вход ОУ заземлен, поэтому изменение входного напряжение с некоторой скоростью вызывают изменения тока I=С(dU_вх/dt), а следовательно, и выходного напряжения

(3.24)

Этот метод дифференцирования сигнала кажется простым, но при его практической реализации возникают проблемы с обеспечением устойчивости схемы на высоких частотах. Не всякий ОУ пригоден для использования в дифференциаторе. Критерием выбора является быстродействие ОУ: нужно выбирать ОУ с высокой максимальной скоростью нарастания выходного напряжения и высоким значением произведения коэффициента усиления на ширину полосы. Хорошо работают в дифференциаторах быстродействующие ОУ на полевых транзисторах.

На практике с дифференциаторами на основе ОУ работать трудно из-за их большой чувствительности к всевозможным шумам во входной цепи. Действующее напряжение шума может быть совсем небольшим, но часто скорость его изменения весьма велика и приводит к большим по величине паразитным сигналам на выходе дифференциатора. По этой причине избегают применения дифференциаторов везде, где это возможно. Если нельзя обойтись без дифференциатора, то можно понизить чувствительность к помехам, ослабляя эффективное усиление в усилителе на высоких частотах. Для этого последовательно с конденсатором С включают резистор (типичное значение 1 кОм), а параллельно резистору R — конденсатор небольшой емкости (типичное значение 100 пФ), и экспериментально подбирают значения этих параметров так, чтобы достичь приемлемого компромисса между чувствительностью к помехам и точностью дифференцирования.

U _вх

U_вых

U_оп

Рис. 3.28. Схема компаратора

Компараторы. Компаратор сравнивает два входных напряжения и вырабатывает выходной сигнал, зависящий от состояния входов. Базовая принципиальная схема компаратора приведена на рис. 3.28.

Как видим, здесь ОУ работает без обратной связи. На один из его входов подается опорное напряжение, на другой — неизвестное (сравниваемое) напряжение. Выходной сигнал компаратора указывает: выше или ниже уровня опорного напряжения находится уровень неизвестного входного сигнала. В схеме на рис. 3.28 опорное напряжение U_оп подается на неинвертирующий вход, а на инвертирующий вход поступает неизвестный сигнал U_вх. При U_вх>U_оп, на выходе компаратора устанавливается напряжение U_вых=–U_{вых. нас} (отрицательное напряжение насыщения), рис.3.29. В противоположном случае получаем U_вых=+U_{вых. нас}. Можно поменять местами входы — это приведет к инверсии выходного сигнала.

Рис. 3.30. Схема двухпорогового компаратора

Рис. 3.29. Передаточная характеристика компаратора

Для возможности фиксирования входного напряжения между двумя уровнями опорного напряжения или вне этого диапазона выходные сигналы двух компараторов, как показано на рис. 3.30, необходимо подвергнуть операции логического умножения. На выходе логического элемента единичный уровень сигнала будет иметь место тогда, когда выполняется условие U_оп.1<U_вх<U_оп.2, так как в этом случае на выходах обоих компараторов будут единичные логические уровни.