Компаратор на оу: Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ). » Хабстаб

Содержание

Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ). » Хабстаб

Прежде чем начнём разбираться с компаратором, давайте вспомним, что такое операционный усилитель(ОУ). Операционный усилитель имеет пять выводов и на схемах обозначается треугольником, как показано на рисунке ниже.

Давайте подробнее рассмотрим назначение выводов:
  • два вывода для подключения питания, плюс и минус напряжения питания;
  • два входа, один неинвертирующий, обозначенный V+ и один инвертирующий, обозначенный V-;
  • один выход, обозначенный Vвых;

Скорее всего, у того кто до этого не был знаком с операционным усилителем возникнет вопрос, что такое инвертирующий и неинвертирующий вход, давайте рассмотрим это на примере.

На рисунке выше видно, что если напряжение на неинвертирующем входе больше чем на инвертирующем, то на выходе будет плюс напряжение питания.

Если, наоборот, напряжение на инвертирующем входе будет больше чем на неинвертирующем, то на выходе будет минус напряжение питания.

По сути мы рассмотрели как работает компаратор. Компаратор от английского слова compare – сравнить, то есть он сравнивает два напряжения и в зависимости от того на каком из входов оно выше, устанавливает на выходе плюс или минус напряжения питания. Также, можно сказать, что компараторэто схема включения ОУ без отрицательной обратной связи, обладающая большим коэффициентом усиления. Под отрицательной обратной связью понимают, соединение инвертирующего входа с выходом, напрямую или через электронный компонент, например, резистор, кондесатор или диод.

Для демонстрации, того как работает компаратор рассмотрим схему, изображённую ниже.

В этой схеме с помощью делителя, резисторами 10К и 100К, устанавливается на инвертирующем входе напряжение 0,45V, его ещё называют опорным. Пока напряжение на неинвертирующем входе меньше 0,45V, на выходе будет 0V и светодиод не загорится, как только напряжение на неинвертирующем входе превысит это значение, на выходе станет 5V и светодиод загорится.
Таким образом, вращая потенциометр, мы можем зажигать и гасить светодиод. Схема непрактичная, но наглядная.
В одной из статей описывается как работает пиковый детектор, там как раз можно увидеть ОУ включённый как компаратор. Для увеличения можно кликнуть по фото.

Давайте немного упростим схему.

И подключим осциллограф к входам компаратора. Первый канал — неинвертирующий вход, второй — инвертирующий.

Во время хлопков в ладоши возникают всплески, если при этом амплитуда всплесков(жёлтые) превышает опорное напряжение(бирюзовый), на выходе появляется плюс напряжения питания, иначе минус.
В этом случае в качестве датчика у нас выступает микрофон, также в качестве датчика может выступать фотодиод, для включения света при низком уровне освещенности, а его мы задаем опорным напряжением.
Ранее, мы договорились, что компаратор — это схема включения ОУ без отрицательной обратной связи. Но кроме отрицательной обратной связи существует, ещё положительная обратная связь.

Схема, изображенная выше, называется инвертирующий триггер Шмитта, по сути это тот же компаратор, только с положительной обратной связью. Принцип его работы заключается в следующем, помните на осциллограмме когда жёлтые линии пересекали бирюзовую, изменялось напряжение на выходе. Так вот здесь линий, которые можно пересечь две,
при превышении верхней линии
на выходе появляется минус напряжения питания, если значение опустится ниже нижней линии —плюс, а в промежутке между линиями система сохраняет своё состояние.

Так же существует неинвертирующий триггер Шмитта, он изображен на схеме ниже.

Логичным вопросом будет, почему того же Отто Герберт Шмитт не устроил обычный компаратор и он изобрел свой. Ответ прост, если на вход компаратора без положительной обратной связи подать зашумленный сигнал, это вызовет множество ложных срабатываний, для того чтобы избежать этого был придуман триггер Шмитта, у которого два порога переключения.
Правда и у него тоже есть, что доработать. Хотелось бы избавиться от двуполярного питания и так как пороги срабатывания задаются с помощью делителя, то они симметричны относительно нуля, а хотелось бы выбирать их произвольно.
Пожалуй это всё, что хотелось рассказать про компараторы на ОУ, если появилось желание разобраться более подробно, добро пожаловать сюда.

Аналоговый компаратор. Триггер Шмитта — chipenable.ru

   Аналоговый компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения двух сигналов. Простейшая схема компаратора может быть построена на операционном усилителе без обратной связи. На один из входов операционного усилителя подается известное опорное напряжение, на другой —  сравниваемый аналоговый сигнал, например сигнал с датчика.  



   Разберем, как работает эта схема. 

Поведение операционного усилителя без обратной связи описывается уравнением:

 

Uout = (Uin1 – Uin2)*G

 

   где Uout – напряжение на выходе операционного усилителя, Uin1 – напряжение на неинвертирующем входе, Uin2 – напряжение на инвертирующем входе, G – коэффициент усиления с разомкнутой петлей обратной связи.

 

   В инженерных расчетах коэффициент усиления идеального операционного усилителя (G) обычно принимается равным бесконечности. Мы возьмем реальный операционный усилитель — LM358. Его коэффициент усиления равен приблизительно 100000.

   Подадим на неинвертирующий вход усилителя опорное напряжение в 1.5 вольта, а на инвертирующий вход синусоидальный сигнал амплитудой 1 вольт и постоянной составляющей 1.5 вольта.   

 

 По приведенной выше формуле рассчитаем выходное напряжение операционного усилителя для двух случаев.

 

1) Uin2 < Uin1 на 1 мВ

  Uout = (Uin1 – Uin2)* G = 1 мВ * 100000 = 100 В 

 

2) Uin2 > Uin1 на 1 мВ

  Uout = (Uin1 – Uin2)* G = -1 мВ * 100000 = -100 В

 

   Это в теории, на практике выходное напряжение операционного усилителя естественно не может выйти за пределы питающих напряжений. Реальное выходное напряжение операционного усилителя в этих случаях будет равно его положительному +Usat или отрицательному напряжению насыщения –Usat (saturation — насыщение).  

   У большинства операционных усилителей, включая и LM358, положительное и отрицательное  напряжение насыщения при однополярном питании равно  Vcc – (1..2) и 0 Вольт соответственно, где Vcc – это напряжение питания. Также существуют операционные усилители, у которых выходное напряжение насыщения практически равно напряжению питания (rail-to-rail усилители).  Да, и не забудь, что на выходное напряжение усилителя оказывает влияние нагрузка. Низкоомная нагрузка на выходе усилителя будет уменьшать его выходное напряжение.

 

С учетом выше сказанного:

 

1) Uout = ~Vcc  – 1.5= 5 – 1.5 = 3.5 В

2)Uout = ~0 В

 

   То есть пока входной сигнал меньше опорного — на выходе операционного усилителя будет положительное напряжение насыщения. Как только входной сигнал превысит опорный – выходное напряжение операционного усилителя станет равно нулю. 

 

   Описанная схема представляет собой инвертирующий компаратор. Если мы поменяем источники напряжения местами, то получим неинвертирующий компаратор. Попробуй самостоятельно разобраться, как при этом поведет себя схема.  

 

   Компаратор можно использовать для обработки сигналов датчиков. Например, на компараторе можно построить простой датчик освещенности. 

 

 

 

   К сожалению, такая схема компаратора обладает существенным недостатком. При подаче на вход усилителя зашумленного сигнала, на выходе будут наблюдаться многократные переключения напряжения. Если выход операционного усилителя управляет электромагнитным реле, такое поведение схемы вызовет подгорание контактов реле.  


   Для устранения этих колебаний в схему добавляют управляемую положительную обратную связь.

 

   Триггер Шмитта – это компаратор с положительной обратной связью. В этой схеме часть выходного сигнала операционного усилителя подается на неинвертирующий вход и задает пороги переключения схемы. 

 

Электрическая схема инвертирующего триггера Шмитта представлена ниже. 

 

Разберемся, как она работает.

 

   Операционный усилитель у нас запитан от двуполярного 5-ти вольтового источника питания.  На инвертирующий вход Uin2 подается синусоидальный сигнал амплитудой +-2 В. Резисторы R1 и R2 имеют номиналы 25 кОм и 10 кОм соответственно. 

   Напряжение на неинвертирующем входе снимается с делителя напряжения подключенного к выходу операционного усилителя и  мы можем рассчитать его значение для положительного и отрицательного напряжения насыщения.

 

1) Uin1 = +Usat*R2/(R1+R2) = 3.5*10/35 = 1 В

 

2) Uin1 = -Usat*R2/(R1+R2) = -3.5*10/35 = -1 В

 

   Когда на выходе усилителя положительное напряжение насыщения – на неинвертирующем входе напряжение 1 В. Допустим, входной сигнал медленно нарастает от нуля. Пока напряжение сигнала меньше напряжения на неинвертирующем входе – ничего не происходит. Как только сигнал превысит порог в  1 вольт, выходное напряжение операционного усилителя «переключится» и станет равным отрицательному напряжению  насыщения.

Это изменит напряжение на неинвертирующем входе, оно станет равным (-1) вольт. 

    Входной сигнал будет нарастать до своего максимум, а потом пойдет на спад. Когда его амплитуда станет меньше 1 вольта, на выходе усилителя будет по-прежнему отрицательное напряжение насыщения. И только когда входной сигнал пересечет порог (-1) вольт, выходное напряжение снова «переключится» и станет равным положительному напряжению насыщения. Естественно это повлечет за собой изменение порогового напряжения.. 

     На графике ниже ты можешь видеть, как меняется выходной сигнал операционного усилителя в зависимости от входного.

 

 

   Благодаря такому поведению схемы, зашумленный сигнал не будет вызывать колебаний на выходе усилителя.

 

  Триггер Шмитта демонстрирует такое свойство систем, как гистерезис. Которое заключается в том, что реакция системы на текущее воздействие зависит от воздействия, действующего на нее ранее. То есть поведение системы зависит от ее истории.  

   Если выразить поведение схемы в виде графика зависимости выходного напряжения от входного, то мы получим так называемую петлю гистерезиса.

 

 

 

Где Uht – верхний порог триггера Шмитта, Ult- нижний порог  

 

Uht = +Usat*R2/(R2+R1)

Uht = -Usat*R2/(R2+R1)

 

 

 Еще одно свойство триггера Шмитта, возникающее вследствие положительной обратной связи – это увеличение скорость переключения выходного напряжения, по сравнению с простым компаратором. Как только выходное напряжение операционного усилителя начинает меняться, положительная обратная связь увеличивает разностное напряжение  (Uin1 – Uin2) и еще больше изменяет выходное напряжение, что в свою очередь еще больше увеличивает разностное. 

 

   Как и простейшая схема компаратора, триггер Шмитта имеет «неинвертирующую версию», но здесь мы на ней останавливаться уже не будем.

   Теперь о недостатках схемы.

   Пороговые значения триггера Шмитта задаются с помощью делителя напряжения, и они симметричны относительно «нуля питания». Именно поэтому в схеме используется двуполярный источник питания. Хотелось бы иметь возможность запитывать схему от однополярного источника и задавать несимметричные пороговые напряжения.  

   О расчете такой схемы и примерах ее использования в следующей статье….

Использование ОУ в качестве компаратора

Компаратор — это устройство, которое подает на свой выход сигнал равный разнице между двумя входными сигналами, умноженной на очень большой коэффициент. Тоже-самое делает и операционный усилитель. Разница лишь в том, что компаратор работает без обратной связи и выдает логический уровень, а ОУ предназначен для работы с обратной связью и выдает аналоговый сигнал.

Недавно, думал над проектом в котором уже использовались ОУ и, нужны были компараторы. Естественно, появился соблазн использовать ОУ в качестве компараторов. Но можно ли так делать?



Если кратко, то лучше — не нужно, если длинно, то вот почему:

Скорость
ОУ рассчитаны для работы с маленькой разницей между входными сигналами. При большой разнице, транзисторы где-то в недрах микросхемы могут насыщаться и от этого скорость может упасть на порядки. Тоесть, если у нас есть 10МГц ОУ, это совсем не значит что из него получится компаратор с временем реакции в 100нс. Получается такая парадоксальная ситуация — разница между напряжениями входов увеличивается, а время реакции компаратора уменьшается.

Конечно, не все ОУ насыщаются и это нужно проверять, если вам нужна скорость.

Входные цепи
Опять-же, из-за того, что ОУ рассчитывают для работы с маленькой разницей входных напряжений, входные цепи могут повести себя совсем не так как вы думаете. К примеру, там могут стоять защитные диоды, которые просто замкнут входы друг на друга.

На такую проблему я нарвался, когда пытался использовать LVDS-приемники spartan3 в качестве компараторов.

Кроме того, у ОУ есть такое явление, как инверсия фазы. Когда внутренние цепи входят в насыщение, выходной сигнал внезапно меняет фазу и получается вот такая картина:

Практически все современные ОУ не страдают такой болезнью, но лучше проверить это на макетке, если вы, все-таки, собираетесь использовать ОУ в качестве компаратора. Производители обычно не пишут о том, что ОУ страдает инверсией фазы, зато, с радостью, сообщают если инверсии фазы нет.

Выходное напряжение
Компараторы часто рассчитываются для работы с определенным логическим стандартом, а вот ОУ — нет. И есть шанс не попасть в логические уровни. Не забывайте, что размах напряжений на выходе ОУ ограничен и неплохо бы проверить — совместим ли он с вашей логикой. Конечно, это не касается rail-to-rail ОУ.

Если напряжение питания ОУ больше чем логические напряжения, придется строить согласователь уровней и вот тут вся экономия на покупке отдельного компаратора, скорее-всего, пропадет.

Вывод
А вывод очень прост — постарайтесь не использовать ОУ в качестве компараторов если это возможно. В большинстве случаев, это принесет больше проблем, чем выгоды. Но, если вы все-таки решились, тщательно изучите даташит на ваш ОУ и протестируйте его на макете перед тем, как делать окончательное решение.

Схемы компараторов на операционных усилителях

В данной статье разберёмся как работает компаратор на операционном усилителе.

Операционные усилители – очень мощный инструмент современного радиолюбителя. Одной из самых простых схем его использования является подключение по схеме компаратора.

Название компаратор прижилось в отечественной литературе. Произошло оно от заимствования с английского слова compare = сравнить. Поэтому многие радиолюбители называют компаратор сравнивающим устройством.

Обычно для экономии стоимости данные схемы реализуют на операционных усилителях, но бывают и специализированные микросхемы компараторов. Они, как правило, имеют лучшее быстродействие и меньшее падение напряжения на самой микросхеме, но их невозможно использовать в качестве операционного усилителя. В данной статье речь пойдёт о использовании именно операционника (ОУ) в качестве компаратора. А вариант с использованием специализированных компараторов будет рассмотрен позже.

Наглядно эта схема показана на следующем рисунке:

Рис.1. Схема подключения операционного усилителя в качестве компаратора.

Давайте вместе разберемся в её работе.

Наиболее понятно, работа данной схемы представляется в виде работе некоторого постоянно сравнивающего устройства, которое постоянно сравнивает сигнал 1 и сигнал 2 подаваемые на вход компаратора. Выход оно устанавливает исходя из следующего:

Сигнал 1 больше по напряжению, чем сигнал 2?

Если да, то выход устанавливается в 10В (напряжение питание операционного усилителя). Если нет, то в 0В.

Рис.2. Наглядное описание работы компаратора

На первый взгляд в работе данной схемы нет ничего необычного, но существует бесчисленное множество применений работы данной схемы. В основном это устройства, которые переводят аналоговый сигнал в некоторую логическую величину: ДА или НЕТ. Это может быть и индикатор зарядки батареи, и датчик критического уровня жидкости в сосуде или любой другой аналоговый сигнал, который переходи какое-то определённое значение.

Разберём несколько из примеров использования компараторов (рекомендованных для домашней сборки), для того чтобы лучше разобраться в том, как работает данная схема.

1. Датчик перегрева радиатора

Данная схема работает по следующему принципу: В зависимости от температуры терморезистор R5 будет иметь разное значение сопротивления. С ростом температуры его сопротивление увеличивается.

Если температура не достигла заданной, то напряжение на выходе компаратора равно 0, и светодиод не горит.

При достижении температуры, установленной потенциометром R3, компаратор переключается, светодиод загорается, информируя нас о том, что терморезистор R5 перегрелся. В этот момент нужно как-то охладить работу вашей схемы, например, включив вентилятор или насос для прокачки воды. Это легко реализовать подключением в качестве нагрузки к выходу компаратора обычное электромагнитное реле.

Рис.3. Схема подключения датчика температуры.

2. Индикатор зарядки/разрядки батареи с двумя фиксированными уровнями.

Задача данного датчика крайне проста: проинформировать держателя батарейки о полном её заряде и скором прекращении работы. Данная схема отличается от предыдущей тем, что строиться на базе не одного, а двух компараторах, но это не беда для современной техники. Дело в том, что большинство современных операционных усилителей выпускаются в корпусе DIP8/SO8 и в своём составе содержат два операционных усилителя. К примеру, вот фрагмент даташита (технического описания микросхемы) используемого мною ОУ:

Рис. 4. Расположение выводов у микросхемы ОУ NE5532.

Решается она следующим образом: входное напряжение поступает на сложный делитель R3-R5-R7. В результате получаются два аналоговых уровня соответствующих не инвертирующим входам ОУ.

Тот, что получается между резисторами R3-R5 будет говорить нам о глубоком разряде аккумулятора, так как он будет срабатывать при достаточно низком напряжении.

Тот, что получается между резисторами R5-R7 будет говорить нам о полном заряде аккумулятора, так как он будет срабатывать при высоком напряжении на клеммах аккумулятора.

Сразу замечу, что схема мной собиралась не раз и тестировалась на лабораторном блоке питания и реальной батарейке. По этому все комментарии по настройке тут особо не нужны, так как схема работает сразу практически без настройки. Схема отлично работает с 9В свинцовыми и МеОН аккумуляторами. Для популярных в последнее время Li-ion батареек она несколько изменяется: современные Li-ion батарейки работают в диапазоне 4,2-2,4В. Для них питание операционного усилителя выбирается на уровне 2,4В (под стандартный стабилизатор), фиксированный уровень сравнения вместо 2,5В становится 1,2В и используются низковольтные ОУ. В остальном схема точно такая-же.

Рис.5. Схема индикатора зарядки/разрядки батареи.

Несколько тонкостей работы с компараторами.

Данный материал написан для людей, которые уже попробовали поработать с компараторами и хотят углубиться в данной теме:

1. Чувствительность компаратора зависит от величины минимального напряжения между входами. Если вы стараетесь сделать очень точные измерения, по типу вытащить 0,001*С из схемы срабатывания охлаждения, то будьте готовы к тому, что у вас это не получиться в виду ограничений микросхемы

2. Во время переключения некоторое время компаратор переключается. Это свойство проявляется в основном при детекции вч сигналов. Если ваши рабочие частоты лежат до 100 кГц, то о данном параметре на всех современных ОУ можете не заморачиваться. В противном случае смотрите на величину скорости роста сигнала. Обычно у современных ОУ эта величина составляет единицы/десятки вольт в микросекунду. В вашем случае она считается по формуле:

Если данная величина получилась больше, чем параметр ОУ, то меняйте оу. На экране осциллографа при этом у вас будет сильное сваливание от прямоугольного сигнала на выходе ОУ к треугольному сигналу.

3. В некоторых случаях полезно реализовать гистерезис(запаздвание) на положительной обратной связи, но это рассмотрим подробнее в одном из следующих занятий практикума.

В конце концов вот вам приятный подарок, раз уж вы дочитали до конца. Вот видео автора данной статьи о компараторах, из которого можно подчеркнуть много интересного и полезного.