Пороговые устройства

Пороговые устройства осуществляют переключение уровня выходного напряжения, если входной сигнал становится больше или меньше порогового напряжения. В отличие от ограничителя пороговое устройство имеет только два выходных уровня. К пороговым устройством относятся компараторы и триггеры Шмитта.

В компараторах порог срабатывания можно задавать любой, в том числе и изменяющийся во времени. Компараторы широко применяются в цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователях. Выпускается большая номенклатура компараторов в микросхемном исполнении (К521СА1, К554СА2, К597СА1 и др.).

Рассмотрим работу компаратора на основе операционного усилителя (рис. 12). Опорное напряжение U_ОП представляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение U_BX меняется во времени. При достижении входным напряжением уровня опорного напряжения происходит скачкообразное изменение полярности напряжения на выходе операционного усилителя, например с U⁺_{ВЫХ max} на U^-_{ВЫХ max} (рис. 13). Если U_ОП = 0, компаратор осуществляет фиксацию момента перехода входного напряжения через нуль. Схема, изображенная на рис. 12, применима тогда, когда U_ОП и U_ВХ не превышают допустимых паспортных значений входных напряжений операционного усилителя. В противном случае они подключаются во входам операционного усилителя с помощью делителей напряжения.

Триггер Шмитта функционально является компаратором, уровни включения и выключения которого не совпадают, как у обычного компаратора, а различаются на величину, называемую гистерезисом переключения. Подобные схемы могут быть выполнены на двух транзисторах или на операционном усилителе. Операционный усилитель в этом случае охвачен положительной обратной связью по неинвертирующему входу с помощью резисторов R₁ и R₂ (рис. 14). Переключение схемы происходит при достижении U_ВХ напряжение (порога) срабатывания U_CP (рис. 15), а возвращение в исходное состояние – при снижении U_ВХ до напряжения (порога) отпускания U_ОТП. В частном случае, если U_ОП = 0 пороги срабатывания и отпускания вычисляется очень просто по закону Ома:

, .

Триггеры Шмитта используют для повышения крутизны фронтов импульсов, например для улучшения качества искаженных импульсов. Кроме того, они используются для преобразования входного напряжения произвольной формы в прямоугольное напряжение. На рис. 16 показаны два примера такого преобразования различными схемами триггеров Шмитта.