Порогові пристрої, звані також компараторами, призначені для перетворення аналогового сигналу в цифрову інформацію. Наприклад, на виході порогового елемента формується сигнал якого логічного рівня, якщо вхідний аналоговий сигнал за своїм значенням менше певного напруження, якщо ж він більше, то на виході порогового пристрою формується сигнал протилежного логічного рівня.

Крім реєстрації або сигналізації про перевищення (або зниженні) напруги контрольованого сигналу, порогові пристрої застосовують в аналого-цифрових перетворювачах, генераторах імпульсів різної форми.

У складі деяких серій аналогових мікросхем є компаратори, придатні для спільної роботи з цифровими мікросхемами, але вони не завжди доступні. Багато з них вимагають двополярного джерела живлення, що ускладнює конструкцію. Тому в ряді випадків виявляється доцільним використовувати в якості порогових пристроїв елементи, що забезпечує повне узгодження логічних рівнів без будь-яких спеціальних заходів.

В принципі, сам елемент являє собою граничне пристрій, в чому легко переконатися, поглянувши на рис. 18, на якому показані передатні характеристики ідеального порогового пристрою 1 і елемента КМОП 2. У ідеального порогового пристрою прямокутна характеристика, елемент же має характеристику з деяким нахилом, тому поблизу порогового напруги виникає зона невизначеності, яка у результаті і визначає чутливість порогового пристрою. У тих випадках, коли не потрібно високої точності, в якості порогового пристрою можна використовувати логічний елемент.

Для підвищення точності порогових пристроїв на основі елементів застосовують спеціальні схемні рішення. Схема простого порогового пристрою на двох елементах ТТЛ наведена на рис. 19, а. Завдяки наявності позитивного зворотного зв’язку (ПОС) по постійному струму через резистор R2 передатна характеристика стає прямокутної (рис. 19,6). Пристрій працює наступним чином. При вхідному сигналі менше порогового на виході буде напруга низького рівня. Зі збільшенням вхідної напруги до U2 на виході елемента DD1.2 напруга також почне збільшуватися. Ця напруга через резистор R2 надійде на вхід елемента DD1.1, що призведе до ще більшого збільшення напруги на виході елемента DD1.2 і т. д. Таким чином, граничне пристрій стрибком переходить у стійкий стан з високим рівнем напруги на виході. Подальше збільшення вхідної напруги стан порогового пристрою не змінює.

Рис. 18. Характеристики порогового пристрою і елемента КМОП

При зменшенні вхідної напруги до U] порогове пристрій стрибком переходить у стійкий стан з низьким рівнем напруги на виході. Різниця напруг U2-U1 називають шириною петлі гістерезису, вона залежить від співвідношення номіналів резисторів R1 і R2. Від цих же резисторів залежить і чутливість. При збільшенні опору резистора R2 і зменшенні R1 чутливість підвищується, а ширина петлі гістерезису зменшується. Однак елементи ТТЛ працюють з вхідними струмами, тому опір цих резисторів повинні лежати в певних межах. Так, для мікросхем серій К133 і К155 опір резистора R1 може бути в межах 0,1 … 2 кОм, a R2 – у межах 2 … 10 кОм.

Таке граничне пристрій не має на вході розділового конденсатора, тому нижня межа його частотної характеристики тягнеться аж до постійної напруги, а от верхня, через наявність до ланцюга сигналу резистора R1, обмежена частотою 8 … 10 МГц.

Якщо необхідно порогове пристрій, що реагує тільки на змінну складову сигналу, його слід дещо змінити в відповідності з рис. 20. Опору резисторів R2 і R3 повинні бути приблизно рівні, ємність конденсатора С1 визначає нижню частотну кордон робочого діапазону.

Більшою граничною частотою володіє порогове пристрій на логічних розширниках по АБО мікросхеми К155ЛД1 (рис. 21), по схемного побудови аналогічне тригера Шмітта на транзисторах. Поріг спрацьовування залежить від співвідношення номіналів резисторів R1 і R3. Ширина петлі гістерезису становить близько 0,1 В, а поріг спрацьовування можна регулювати від 0,02 до і В. Номінал резистора SR1! повинен бути в межах 0, (1 … 1 кОм, a R2 – 22.

Рис. 19. Граничне пристрій на елементі ТТЛ

Рис. 20. Принципова схема порогового пристрою на елементі ТТЛ

Рис. 21. Принципова схема порогового пристрою на мікросхемі К155ЛД1

Недоліком такого пристрою є кілька підвищений, ніж зазвичай, напруга низького логічного рівня, за рахунок падіння напруги на резисторі R3.

Виконати пороговий елемент можна і на елементах КМОН (рис. 22). Його відмітною особливістю є економічність, а недоліком – низька чутливість. Оскільки елементи КМОП працюють без вхідних струмів і володіють невисокою навантажувальною здатністю по струму, то опору резисторів R1 і R2 обичіно вибирають великими – десятки і сотні кілорм. Для підвищення чутливості пристрою на його вхід слід подавати початкову змішання від джерела живлення через дільник R3R4.

При. Контролі сигналу, рівень якого може змінюватися у великих межах, наприклад музичного сигналу, можлива ситуація, коли сигнал на дуже короткий час перевищить граничне значення. Хоча пристрій і спрацює, але цього часу може не вистачити, наприклад, для включення індикатора. У такому випадку буде корисним порогове пристрій з «пам’яттю» (, рис. 23), яке на певний час збереже інформацію про те, що сигнал перевищив граничну напругу або був менше нього. Від попереднього пристрою воно відрізняється тим, що в ланцюг ПОС між виходом елемента DD1.2 і одним із входів елемента DD1.1 включений конденсатор С2. Як тільки на виході елемента DD1.2 з’являється напруга високого рівня, воно через конденсатор С2 надходить на вхід елемента DDL1. У такому стані пристрій залишається до тих пір, поки не зарядиться цей конденсатор, навіть в тому випадку, якщо рівень вхідного сигналу стане нижче порогового значення. Час, протягом якого інформація про перевищення сигналу зберігається в пристрої, визначається постійної часу ланцюга R1C2.

У яких же конструкціях можна застосувати порогові пристрої? У приладах, що сигналізують про зміну напруги, сигналу, в реле часу ^ таймери), різних індикаторах, генераторах і багатьох інших. Цифрові мікросхеми широко використовують для генерування сигналів з різними параметрами. Завдяки великому коефіцієнту посилення н хорошим частотним властивостями на базі їх логічних елементів вдається реалізувати генератори з частотою від часток герца до десятків і сотень мегагерц, до того ж самої різної форми.

Рис. 22. Принципова схема порогового пристрою на елементі КМОП

Рис. 23. Принципова схема порогового пристрою з «пам’яттю»

Література: І. А. Нечаєв, Масова Радіо Бібліотека (МРБ), Випуск 1172, 1992 рік.