9.1.    Компараторы

Выходное напряжение усилителя ограничено величиной ±U_{вых max}. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя (К_{U оу}) велик, то значение выходного напряжения (U_вых = ±U_{вых max})  достигается при очень малых  входных  напряжениях:

U_вх= ±U_{вых max} / K_{U оу}.

Поэтому можно считать.

То есть операционный усилитель является схемой сравнения входных сигналов – компаратором.

Компараторы представляют собой устройства, предназначенные для сравнения по уровню двух входных напряжений и скачкообразного изменения выходного напряжения в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого.

Компаратор должен иметь низкое напряжение сдвига, низкий дрейф напряжения сдвига, устойчиво работать без самовозбуждения и иметь низкое значение тока смещения. Один вход компаратора (рис. 9.1) соединен с источником опорного напряжения, а на другой подается входной сигнал. Когда U_вх подается на инвертирующий вход и U_оп > 0, выходное напряжение будет отрицательным при U_вх > U_оп, и положительным при U_вх < U_оп.

Когда входной сигнал в процессе изменения становится больше опорного, то выход компаратора немедленно изменяет свое состояние  (рис. 9.2).

Если, например,  изменение  выходного напряжения составляет 5 В, а  коэффициент усиления компаратора равен 100 000, то разность входного и опорного напряжений (U_вх – U_оп.), вызывающая изменение выходного напряжения, будет равна:  

 мВ,

то есть сравнение  двух уровней напряжения осуществляется с высокой точностью. Но эта схема обладает существенным недостатком: если входной сигнал изменяется медленно и его величина близка к U_оп, то шумы, содержащиеся в U_вх, могут вызвать ложные срабатывания (рис. 9.3).

Более устойчивым к действиям помех является компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью (ПОС), осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторов и (рис. 9.3, а ). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом (рис. 9.3, б ). Схема известна под названием триггера Шмита или порогового устройства.

Переключение схемы (рис. 9.4) в состояние -U_вых.max происходит при достижении U_вх напряжения (порога) срабатывания (U_ср), а возвращение в исходное состояние (U_вых = +U_вых.max) происходит при снижении U_вх до напряжения (порога) отпускания (-U_отп). Значения пороговых напряжений находят по схеме, положив U₀ = 0:

;

.

Частным случаем схемы (см. рис. 9.4) при  = 0 является схема (рис. 9.5).  Ее пороговые напряжения и зона гистерезиса (рис. 9.6) составляют:

;       ;   .

Величина гистерезиса (зоны нечувствительности) определяется пороговыми  напряжениями. Выбирая необходимые значения пороговых напряжений  и , можно изменять «зону нечувствительности» компаратора в зависимости от уровня помех (рис. 9.6).

Компаратор с ПОС может использоваться в качестве формирователя прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы.