ДВУХПОРОГОВЫЙ РЕГЕНЕРАТОРНЫЙ КОМПАРАТОР
DOUBLE-THRESHOLD REGENERATOR COMPARATOR

Изобретение относится к электронным схемам, специально предназначенным для сравнения амплитуд, и может быть использовано в измерительной технике с допусковым контролем, в системах контроля и сигнализации.
Известна конструкция регенеративного компаратора [RU 2062548 С1, кл. Н03K 5/24, опубл. 20.06.1996], содержащего операционный усилитель (ОУ), шину контролируемого напряжения, шину опорного напряжения, первый и второй резисторы, общую шину, выходную шину, полевой транзистор. Недостатками данной конструкции являются наличие всего одного порога переключения, а также наличие большого входного дифференциального напряжения, в то время как многие типы ОУ не допускают сколько-нибудь существенное входное дифференциальное напряжение.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является конструкция двухпорогового компаратора [US 5498985 А, кл. Н03K 5/153; Н03K 12/00, опубл. 12.03.1996], содержащего первый и второй ОУ, элемент 2ИЛИ, фильтр верхних частот, шину контролируемого напряжения, первую и вторую шины опорного напряжения, общую шину, выходную шину. Недостатками данной конструкции являются необходимость подведения к устройству двух опорных напряжений, наличие большого входного дифференциального напряжения у каждого ОУ, разная схемотехника построения каналов компаратора, недостаточная помехоустойчивость из-за наличия только одного порога переключения у каждого канала.
Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей компаратора, повышение надежности и унификация устройства.
Технический результат достигается тем, что в двухпороговом регенераторном компараторе, содержащем первый и второй операционные усилители, логический элемент 2ИЛИ, шину контролируемого напряжения, общую шину, выходную шину, причем выходы операционных усилителей подключены к входам элемента 2ИЛИ, к выходу которого подключена выходная шина, новым является то, что он содержит только одну шину опорного напряжения, в него введены инвертор напряжения, восемь резисторов и два двухсторонних стабилитрона, шина контролируемого напряжения подключена к входу инвертора напряжения и через первый резистор подключена к инвертирующему входу первого операционного усилителя, шина опорного напряжения через второй резистор подключена к инвертирующему входу первого операционного усилителя и через третий резистор подключена к инвертирующему входу второго операционного усилителя, выход инвертора напряжения через четвертый резистор подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, общая шина через пятый резистор подключена к неинвертирующему входу первого операционного усилителя и через шестой резистор подключена к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, седьмой резистор включен между неинвертирующим входом первого операционного усилителя и его выходом, восьмой резистор включен между неинвертирующим входом второго операционного усилителя и его выходом, первый двухсторонний стабилитрон включен между инвертирующим входом первого операционного усилителя и его выходом, второй двухсторонний стабилитрон включен между инвертирующим входом второго операционного усилителя и его выходом.
Эти признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены, и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».
Сущность поясняется с помощью графических материалов:
На фиг.1 представлены: функциональная схема двухпорогового регенераторного компаратора. На фиг.2 даны эпюры напряжений на выходах элементов устройства. На фиг.3 представлены примеры выполнения заявленного устройства.
Двухпороговый регенераторный компаратор (фиг.1) содержит два ОУ 1, 2, логический элемент 3 2ИЛИ, шину 4 контролируемого напряжения, общую шину 5, выходную шину 6, шину 7 опорного напряжения, инвертор 8 напряжения, восемь резисторов 9-16 и два двухсторонних стабилитрона 17, 18. Выходы ОУ 1, 2 подключены к входам элемента 3, к выходу которого подключена выходная шина 6. Шина 4 контролируемого напряжения подключена к входу инвертора 8 и через резистор 9 подключена к инвертирующему входу ОУ 1. Шина 7 опорного напряжения через резистор 10 подключена к инвертирующему входу ОУ 1 и через резистор 11 подключена к инвертирующему входу ОУ 2. Выход инвертора 8 через резистор 12 подключен к инвертирующему входу ОУ 2. Общая шина 5 через резистор 13 подключена к неинвертирующему входу ОУ 1 и через резистор 14 подключена к неинвертирующему входу ОУ 2. Резистор 15 включен между неинвертирующим входом ОУ 1 и его выходом, резистор 16 включен между неинвертирующим входом ОУ 2 и его выходом. Стабилитрон 17 включен между инвертирующим входом ОУ 1 и его выходом, стабилитрон 18 включен между инвертирующим входом ОУ 2 и его выходом. По сути, в состав устройства входят два схемотехнически одинаковых регенераторных компаратора: первый - на основе ОУ 1, резисторах 9, 10, 13, 15 и стабилитроне 17; второй - на основе ОУ 2, резисторах 11, 12, 14, 16 и стабилитроне 18.
BX
8
ОП
Двухпороговый регенераторный компаратор работает следующим образом. В исходном состоянии на шине 4 контролируемого напряжения входное напряжение U равно нулю, напряжение U на выходе инвертора 8 также равно нулю, на шине 7 опорного напряжения установлено положительное опорное напряжение U. При этом на выходах ОУ 1 и ОУ 2 устанавливаются низкие выходные напряжения
,
,
где , , - напряжения стабилизации стабилитронов 17, 18;
13
14
15
16
ВЫХ
R, R, R, R - сопротивления резисторов 13, 14, 15, 16 соответственно. На выходной шине 6 устанавливается низкое выходное напряжение U, соответствующее напряжению логического нуля (фиг.2).
BX
BХ
8
BX
BX
ОП
BХ
По мере уменьшения входного напряжения U в области отрицательных значений (U<0) напряжение U=-U на выходе инвертора 8 положительно и увеличивается, при этом напряжение  на выходе ОУ 2 остается неизменным. В компараторе на основе ОУ 1 производится сравнение входного U и опорного U напряжений. По достижении входным напряжением U значения напряжения  нижнего порога переключения компаратора на основе ОУ 1, равного
9
10
, здесь R, R - сопротивления резисторов 9, 10, на выходе ОУ 1 устанавливается высокое выходное напряжение
ВЫХ
BХ
На выходной шине 6 устанавливается высокое выходное напряжение U, соответствующее напряжению логической единицы. При дальнейшем уменьшении входного напряжения U никаких изменений состояния устройства не происходит.
BX
При последующем увеличении входного напряжения U по достижении значения напряжения  верхнего порога переключения компаратора на основе ОУ 1, равного
,
ВЫХ
на выходе ОУ 1 устанавливается низкое выходное напряжение  На выходной шине 6 также устанавливается низкое выходное напряжение U, соответствующее напряжению логического нуля.
BХ
BX
8
BX
8
ОП
BХ
По мере увеличения входного напряжения U в области положительных значений (U>0) напряжение U=-U на выходе инвертора 8 отрицательно и уменьшается, в то же время напряжение  на выходе ОУ 1 остается неизменным. В компараторе на основе ОУ 2 производится сравнение напряжения U на выходе инвертора 8 и упорного U напряжений. По достижении входным напряжением U значения
,
11
12
здесь R, R - сопротивления резисторов 11, 12, на выходе ОУ 2 устанавливается высокое выходное напряжение
.
ВЫХ
BX
На выходной шине 6 устанавливается высокое выходное напряжение U, соответствующее напряжению логической единицы. При дальнейшем увеличении входного напряжения U никаких изменений состояния устройства не происходит.
ВХ
При последующем уменьшении входного напряжения Uдо значения
ВЫХ
на выходе ОУ 2 устанавливается низкое выходное напряжение  На выходной шине 6 также устанавливается низкое выходное напряжение U, соответствующее напряжению логического нуля.
ВХ
Таким образом, в устройстве отслеживается, находится ли входное напряжение U между двумя заданными пороговыми напряжениями
и
ВЫХ
или выходит за пределы этого диапазона. В последнем случае на выходе устройства будет присутствовать высокое выходное напряжение U, соответствующее напряжению логической единицы. Погрешности переключения, связанные с гистерезисами на передаточной характеристике, могут регулироваться, в зависимости от решаемых задач, в широких пределах путем изменения номиналов резисторов 13-16.
Изобретение имеет ряд преимуществ перед известными устройствами. Для заявленного двухпорогового регенераторного компаратора требуется только один источник опорного напряжения. Достигается высокая степень унификации заявленного устройства, поскольку оно содержит два схемотехнически одинаковых регенераторных компаратора. Подключение через резисторы входного и опорного напряжений к одному (инвертирующему) входу ОУ обеспечивает работу ОУ в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными входными напряжениями. Преимущество регенераторного компаратора состоит в том, что шумы входного сигнала и нестабильности питания не вызывают колебаний выходного напряжения вблизи порога переключения, как в однопороговом компараторе. Гистерезис передаточной характеристики обусловлен наличием положительной обратной связи в ОУ через резистор, включенный между неинвертирующим входом и выходом ОУ. Включение двухстороннего стабилитрона между инвертирующим «ходом и выходом ОУ предотвращает насыщение ОУ и ограничивает перепад его выходного напряжения при переключении. Таким образом, оба ОУ работают в линейном режиме, что обусловливает повышение их быстродействия.
Пример
В двухпороговом регенераторном компараторе (фиг.3) инвертор напряжения 8 выполнен на ОУ 19 и резисторах 20,21, логический элемент 3 2ИЛИ выполнен на диодах 22, 23 и резисторе 24. В качестве ОУ 1, 2, 19 использованы микросхемы типа КР140УД608А; в качестве стабилитронов 17, 18 использованы двухсторонние стабилитроны типа КС210Б; в качестве диодов 22, 23 использованы диоды типа КД522Б; в устройстве использованы резисторы типа С2-10-0,25. На выходной шине 6 формируются напряжения, соответствующие высокому и низкому логическим уровням КМОП-микросхем.