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.

Заключение

А теперь собственно ваше практическое задание: на основе вышеизложенного собрать простую схему на компараторе и показать её любому своему знакомому с объяснениями как это работает. Особенно рекомендую собрать схему на датчик перегрева и протестировать её работу на примере стакана с горячей водой. Присылайте свои фото и комментарии с практикумом на адрес info<собака>meanders.ru. А в качестве бонуса фотографии самого интересного практикума я выложу ниже в данной статье со ссылками на собравшего.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Эта статья содержит основную информацию о работе компараторов напряжения построенных на интегральных микросхемах и может быть использована в качестве справочного материала для построения различных схем.

В электронике, компаратор представляет собой устройство, которое сравнивает между собой два электрических сигнала и выводит цифровой сигнал, указывающий на увеличение одного входного сигнала над другим. Компаратор имеет два аналоговых входа и один цифровой выход.

Компаратор, как правило, построен на дифференциальном усилителе с высоким коэффициентом усиления. Компараторы широко используются в устройствах, которые измеряют и оцифровывают аналоговые сигналы, например, в аналого-цифровых преобразователях (АЦП)

Примеры работы компаратора приведены на основе микросхемы LM339 (счетверенный компаратора напряжений) и LM393 (сдвоенный компаратор напряжения). Эти две микросхемы по своему функционалу идентичны. Компаратор напряжения LM311 так же может быть использован в данных примерах, но он имеет ряд функциональных особенностей.

Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Как правило, выход компаратора напряжения представляет собой выход с открытым коллектором.

Выход открытый коллектор имеет отрицательную полярность. Это означает, что на этом выходе не бывает положительного сигнала и нагрузка должна подключаться между этим выходом и источника питания.

В некоторых схемах к выходу компаратора подключают нагрузочный (подтягивающий) резистор для того, чтобы обеспечить сигнал высокого уровня поступающего на вход следующего элемента схемы.

Операционные усилители (ОУ), такие как LM324, LM358 и LM741 обычно не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжения из-за их биполярных выходов. Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компараторов напряжения, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор для того чтобы создать выход с открытым коллектором.

Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:

Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет ниже, чем напряжение на входе (-). И соответственно ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет выше, чем напряжение на входе (-).

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Принципиальная схема «компаратор напряжения» эквивалентна работе операционного усилителя, например, LM358 или LM324, имеющим на выходе два транзистора типа NPN (см. выше). Таким образом, можно сделать все 4 выхода ОУ (LM339) с открытым коллектором. Каждый такой выход может выдерживать ток нагрузки 15 мА и напряжение до 50 вольт.

Выход включается или выключается в зависимости от относительных напряжений на плюсовом (+) и минусовом (-) входах компаратора. Входы компаратора крайне чувствительны и разница напряжения между ними всего лишь в несколько милливольт приводит к переключению его выхода.

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

Компараторы напряжения LM339, LM393 и LM311могут работать с одно- или двухполярным источником питания до 32 вольт максимум.

При работе с двухполярным питанием, режим сравнения напряжения остается таким же, за исключением того, что для большинства схем эмиттер выходного транзистора подключается к отрицательной шине питания, а не к общей цепи. Исключением из этого правила является операционный усилитель LM311, имеющий изолированный эмиттер, который можно подключить как к минусу однополярного источника питания, так или к общему проводу двухполярного.

При работе с двухполярным источником питания, входное напряжение может быть выше или ниже относительно общего провода блока питания. Кроме того, один из входов компаратора может быть подключен к общему проводу, таким образом создается детектор «пересечение нуля».

Описание работы компаратора

Следующий рисунок показывает простейшую конфигурацию для компаратора напряжения, а так же графическое изображение режима его работы. В этой схеме опорное напряжение составляет половину напряжения питания, а входное напряжение может меняться от нуля до напряжения питания. В теории опорное и входное напряжение могут иметь значение от нуля и до напряжения источника питания, но есть реальные ограничения, зависящие от конкретно используемого компаратора.

Сигнал на выходе:

  1. Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс (+) ниже, чем напряжение на входе минус (-).
  2. Ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс выше, чем напряжение на входе минус.

Входное напряжение смещения компаратора

Компараторы не являются совершенными устройствами, и их работа может иметь недостаток от последствий такого параметра, как входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения для многих компараторов может составлять всего несколько милливольт и в большинстве схем может быть проигнорировано.

В основном проблема, связанная с входным напряжением смещения возникает, когда входное напряжение изменяется очень медленно. Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не полностью открывается или закрывается, когда входное напряжение находится недалеко от опорного напряжения.

Следующая диаграмма иллюстрирует эффект смещения входного напряжения возникающий в результате медленного изменения входного напряжения. Этот эффект возрастает при увеличении выходного тока транзистора. Поэтому, для уменьшения этого эффекта, необходимо обеспечить максимальное сопротивление резистора R4.

Последствия входного напряжения смещения можно уменьшить, добавив в схему гистерезис. Это приведет к тому, что опорное напряжение будет меняться, когда выход компаратора переходит на высокий или низкий уровень.

Входное напряжение смещения и гистерезис

Для большинства схем построенных на компараторах, величина гистерезиса является разностью напряжений входного сигнала, при котором выход компаратора либо полностью включен или полностью выключен. Гистерезис в компараторах, как правило, нежелателен, но он может потребоваться, когда необходимо уменьшить чувствительность к шуму или при медленном изменении входного сигнала.

Внешний гистерезис использует положительную обратную связь (ПОС) с выхода на неинвертирующий вход компаратора. В результате полученный триггер Шмитта обеспечивает дополнительную помехоустойчивость и более чистый выходной сигнал.

Эффект от использования гистерезиса в том, что при постепенном изменении входного напряжения, а опорное напряжение будет быстро изменяться в противоположном направлении. Это обеспечивает чистое переключение выхода компаратора.

Механический аналог гистерезиса может быть обнаружен в разнообразных тумблерах. Как только рукоятка тумблера перемещается мимо центральной точки, пружина в тумблере переводит контакты реле в гарантированное положение (открытое или закрытое).

Гистерезис является неотъемлемой частью большинства компараторов составляющая всего несколько милливольт и он обычно влияет только на схемы, где входное напряжение поднимается или падает очень медленно или имеет скачки напряжения, известные как «шум»…

Цель работы – изучить принцип работы, схемотехнику и основные характеристики аналоговых компараторов на операционных усилителях.

1.1. Краткие теоретические сведения

Аналоговый компаратор (компаратор) – это устройство осуществляющее сравнение измеряемого входного напряжения (uвх) с опорным напряжением (UОП), подаваемых одновременно на его входы. Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение изменяется во времени. При достижении входным напряжением уровня опорного напряжения происходит переключение выходного напряжения компаратора с одного уровня на другой. Компаратор часто называют нуль – органом, поскольку его переключение происходит при

Компараторы нашли применение в системах автоматического управления, в измерительной технике, а также для построения различных устройств импульсного и цифрового действия (в частности, аналогово-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей)

Простейшая схема компаратора может быть построена на ОУ (рис. 1.1а).

Импульсный режим работы операционного усилителя.

Интегральные операционные усилители (ОУ) находят широкое применение в импульсной технике. Уровни входного сигнала ОУ в импульсном режиме работы превышают значения, соответствующие линейной области А0В амплитудной характеристики (см. рис. 1.1б). В связи с этим выходное напряжение ОУ в процессе работы определяется либо напряжением U + выхmax, либо U – выхmax.

Рис. 1.1. Схематическое изображение операционного усилителя (а) и его передаточная характеристика (б).

При рассмотрении линейных устройств на ОУ мы ранее ограничивались рассмотрением линейного участка передаточной характеристики при (– входное напряжение, при которомUВЫХ достигает максимального значения). При выходное напряжение ОУ ограничено значениямиU + выхmax, либо U – выхmax так как транзисторы выходных каскадов при больших сигналах работают в ключевом режиме (Uвыхmax несколько меньше UП).

Таким образом, получаем, что при UВХ2 – UВХ1 > 0 (т. е. UВХ2 > UВХ1) Uвых = U + выхmax, а при UВХ2 – UВХ1выхmax. Полярность выходного напряжения ОУ при зависит от того какое из двух входных напряжений больше. Или, иными словами, ОУ является в этом случае схемой сравнения (компаратором). Если положить, чтоUВХ2 = const, то при достижении напряжением UВХ1 уровня напряжения UВХ2 происходит изменение полярности напряжения на выходе ОУ, например с U + выхmax на

U – выхmax. При UВХ2 = 0 схема осуществляет фиксацию момента перехода напряжения UВХ1 через ноль.

Так как коэффициент усиления по напряжению ОУ КU весьма велик, то

весьма мало. Реально у операционных усилителей UВХН не превышает нескольких милливольт, поэтому ОУ можно применять для сравнения двух напряжений с высокой точностью.

Простейшая схема компаратора на ОУ приведена на рис. 1.2 а. Её характеризует симметричное подключение измеряемого и опорного напряжений ко входам ОУ. Разность напряжений uВХ – UОП является входным напряжением u ОУ, что и определяет передаточную характеристику компаратора (рис. 1.2 б). При uВХ + выхmax. При uВХ > UОП напряжение u > 0 и uвых = Uвых max.

Изменение полярности выходного напряжения происходит при переходе входного измеряемого напряжения через значение UОП. Ввиду большого значения коэффициента усиления ОУ это изменение носит ступенчатый характер при u = uВХ – UОП0. Если источники входного и опорного напряжений в схеме рис. 1.2 а поменять местами или изменить полярность их подключения, то произойдёт инверсия передаточной характеристики компаратора. УсловиюuВХвыхmax, а условию uВХ > UОП – uвых = U + выхmax.

Схема рис. 1.2 а применима тогда, когда измеряемое и опорное напряжения не превышают допустимых паспортных значений входных напряжений ОУ. В противном случае они подключаются к ОУ с помощью делителей напряжения (рис.1.2 в).

Операционный усилитель не может мгновенно перейти от одного уровня насыщения выходного каскада к другому, поэтому переключение с уровня напряжения U + выхmax на уровень U – выхmax происходит с некоторой задержкой зад (рис. 1.3).

Рис. 1.2. Схема компаратора на операционном усилителе (а), его передаточная характеристика (б), схема компаратора с входными делителями напряжения (в).

Важнейшим показателем ОУ, работающих в импульсном режиме, является их быстродействие , которое оценивается задержкой срабатывания и временем нарастания выходного напряжения. Задержка срабатывания (время задержки выходного импульса) ОУ общего применения составляет единицы микросекунд, а время нарастания выходного напряжения – доли микросекунды.

Лучшим быстродействием обладают специализированные ОУ, предназначенные для импульсного режима работы и получившие общее название «компараторы».

Рис. 1.3. Временная зависимость напряжения на выходе компаратора при линейно нарастающем входном сигнале.

Регенеративный компаратор (триггер Шмитта).

Ввиду большого значения коэффициента усиления ОУ и, как следствие, малой величины , при наличии зашумленности (флюктуации уровня сигнала) сигналов, подаваемых на входы компаратора, в момент равенства входного и опорного сигналов компаратор может многократно изменять своё состояние (переключаться). Это явление называют «дребезгом» компаратора. Для исключения этого явления ОУ компаратора охватывают положительной обратной связью, осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторовR1 и R2 (рис. 1.4 а).

Рис. 1.4. Схема компаратора с положительной обратной связью (а) и его идеализированная передаточная характеристика. (б).

Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом (рис. 1.4 б). Переключение схемы в состояние U – выхmax происходит при достижении uвх напряжения (порога) срабатывания UСР, а возвращение в исходное состояние uвых = U + выхmax – при снижении uвх до напряжения (порога) отпускания UОТП. Значения пороговых напряжений находят положив u = 0; схема, очевидно, обладает передаточной характеристикой с гистерезисом. Переход из одного состояния в другое происходит скачкообразно под действием положительной обратной связи (ПОС). Действительно при превышении напряжением uвх напряжения срабатывания Uср выходное напряжение начнёт уменьшаться, так как uвх подается по инверсному входу ОУ. Отрицательное приращение uвых по цепи ПОС R2, R1 поступит на неинвертирующий вход ОУ, который его усилит, что приведёт к дополнительному уменьшению uвых, т. е. появиться дополнительное отрицательное приращение uвых, которое вновь уменьшит напряжение на неинвертирующем входе ОУ. Процесс идёт лавинообразно. Значения пороговых напряжений Uср и Uотп находят по схеме, положив u = 0:

(1.1)

, (1.2)

Откуда ширина зоны гистерезиса

. (1.3)

Таким образом, Uср и Uотп различны. Ширина гистерезиса UГ растет с ростом отношения R1/R2. ПОС, как было показано, приводит к регенеративным процессам, тем самым ускоряет процессы переключения.

Возможна работа компаратора с ПОС при UОП = 0 (рис. 1.5 а). Данная схема является частным случаем предыдущей схемы (рис. 1.4 а). Передаточная характеристика такого компаратора становиться симметричной относительно оси ординат, т. е. смещается влево так, что

Рис. 1.5. Схема компаратора с положительной обратной связью и нулевым опорным напряжением (а), его передаточная характеристика (б).

Её пороговые напряжения и зона гистерезиса (рис. 1.5 б) составляют:

UСР = ,и, где.

Схема рис. 1.5 а служит основой при построении генератора импульсов на ОУ.

Знакомство с компараторами на примере чипа LM339

Ранее мы с вами познакомились с такими интегральными схемами, как таймер 555, счетчик 4026, логические вентили, а также сдвиговые регистры и декодеры. Теперь же пришло время узнать о компараторах. Несмотря на кажущуюся простоту, компараторы — куда более интересные устройства, чем может показаться на первый взгляд. Читайте далее, и сможете убедиться в этом самостоятельно.

Крайне наглядная картинка, объясняющая работу компаратора, была найдена в книге Чарльза Платта Электроника: логические микросхемы, усилители и датчики для начинающих. С некоторыми изменениями эта иллюстрация приведена ниже:

Компаратор имеет два входа, обозначаемые знаками минус (инвертирующий вход) и плюс (неинвертирующий вход), и один выход. Для нормальной работы выход компаратора обязательно должен быть подключен к плюсу источника питания через подтягивающий резистор. Почему нельзя было сделать это просто внутри микросхемы, скоро станет понятно.

Используется компаратор следующим образом. На инвертирующий вход подается эталонное напряжение. Когда напряжение на втором, неинвертирующем, входе больше эталонного, выход компаратора имеет высокое напряжение. Если же напряжение на неинвертирующем входе ниже эталонного, выход компаратора имеет низкое напряжение. Проще говоря, компаратор сравнивает два значения напряжения и на выходе говорит, какое больше. Входы компаратора можно использовать и наоборот, тогда выход компаратора будет инвертирован.

В качестве типичной микросхемы, содержащей внутри себя целых 4 компаратора, можно назвать LM339. Данный чип выпускается как в виде SMD-компонента, так и варианте для монтажа через отверстия. Распиновка у LM339 следующая:

Данная иллюстрация взята из даташита микросхемы [PDF].

На практике компараторы чаще всего используют одним из следующих образов:

Важно! По неудачному стечению обстоятельств, компаратор обозначается на схемах точно так же, как и операционный усилитель. Однако операционные усилители работают иначе, нежели компараторы, и их не следует путать. Определить, что именно используется в схеме, обычно можно по указанному названию чипа.

В левой части схемы изображен компаратор, чей выход соединяется с неинвертирующим входом через потенциометр или резистор. Это — так называемая положительная обратная связь. Благодаря ей достигается гистерезис. То есть, если напряжение на неинвертирующем входе будет колебаться в некотором коридоре возле эталонного, выход компаратора не будет постоянно изменяться. Если помните, триггер Шмитта (чип 74HC14) делает то же самое.

Кстати, можно заметить, что одна из связей на потенциометре в положительной обратной связи как бы лишняя. Как объяснил мне Melted Metal, так принято делать на случай потери контакта движка потенциометра с резистивной дорожкой.

Что же касается правой части схемы, на ней изображена схема двухпорогового компаратора. Если вход схемы, обозначенный, как signal, имеет напряжение между low и high, на выходе схемы образуется высокое напряжение. В противном случае напряжение на выходе низкое.

На следующем фото изображена первая схема, собранная на макетной плате:

Потенциометр слева задает напряжение на инвертирующем входе, а потенциометр справа — на неинвертирующем. Потенциометр по центру участвует в положительной обратной связи. Напряжение на обоих входах отображается при помощи миниатюрных цифровых вольтметров. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе выше эталонного, светодиод, подключенный к выходу компаратора, горит.

Обратите внимание, что на входы неиспользованных компараторов также подается высокое и низкое напряжение. Это увеличивает надежность работы схемы и уменьшает потребляемую ею электроэнергию. Не имеет значения, на какой из входов подается высокое напряжение, а на какой — низкое. Главное, чтобы выход каждого отдельного компаратора был строго определен.

Вторую схему в собранном виде здесь я не привожу. Так что, вам придется поверить мне на слово, что она работает 🙂

Помимо всех озвученных выше, следует иметь в виду еще пару важных моментов:

  • Через компаратор не следует пропускать слишком большой ток. Ток больше 20 мА может его сжечь;
  • Напряжение на выходе компаратора может быть как выше, так и ниже напряжения на любом из входов. То есть, выход можно питать от совершенно другого источника питания. А питание на саму микросхему при этом может идти от третьего. Для правильной работы микросхемы нужно только, чтобы все эти источники имели общую землю;

Последнее обстоятельство позволяет использовать компаратор в качестве преобразователя уровня сигнала. Кроме того, теперь наконец-то стало ясно, зачем были все эти сложности со внешним подтягивающим резистором.

Вообще, компаратор можно рассматривать, как очень простой вольтметр или АЦП. В частности, с его помощью не представляет труда собрать индикатор уровня заряда Li-Ion аккумулятора. Если же у вас есть лишний фоторезистор (см заметку Мои первые страшные опыты с Arduino) или фототранзистор, на базе компаратора можно сделать датчик освещения. Если же вместо фоторезистора воспользоваться термометром типа TMP36, можно собрать устройство, управляющее кулером или кондиционером, способное регулировать температуру.

Наконец, компаратор можно использовать в качестве логического элемента НЕ, а также, если соединить выходы нескольких компараторов, в качестве элемента И. Отсюда несложно получить ИЛИ, по форуме x || y = !(!x && !y), ровно как и любую другую булеву функцию. Само собой разумеется, при желании можно придумать и другие применения.

А какие безумные варианты использования компараторов приходят вам на ум?

Метки: Электроника.

Разница между дифференциальным операционным усилителем и компаратором

В первом приближении разницы нет. Аналогичный вопрос может быть «в чем разница между двигателем постоянного тока и генератором?» Любой из них будет работать в любом качестве, но каждый оптимизирован для максимизации определенных качеств за счет других в соответствии с предполагаемым применением.

Давайте сравним внутреннюю схему для общего операционного усилителя TL072 и общего компаратора LM339 :

TL072

LM339

Общие вещи:

  1. дифференциальный парный вход
  2. очень высокий коэффициент усиления

Отличия:

  1. TL072 использует JFET для ввода. Это связано с тем, что JFET обеспечивают очень высокий входной импеданс, что желательно для операционного усилителя. Большая часть анализа операционных усилителей предполагает, что токи смещения (токи, проходящие через входы) равны нулю, но это верно только в той степени, в которой входной импеданс бесконечен. Для компаратора требуется высокий входной импеданс, чтобы избежать чрезмерной загрузки источника, но не так важно, чтобы входной импеданс был очень высоким.

  2. LM339 имеет выход с открытым коллектором . Для компаратора это хорошо, потому что он позволяет ему взаимодействовать с любым количеством выходных напряжений через подтягивающий резистор или тривиально реализовать проводную или шину. Вы не захотите этого для операционного усилителя, потому что обычно вы хотите, чтобы операционный усилитель был так же хорош в источнике тока, как и в случае его подавления, чтобы ваш выходной сигнал был симметричным. Обратите внимание на выход двухтактной пары NPN-PNP TL072.

  3. LM339 может выдавать выходной сигнал до 0,2 В или до благодаря выходу с открытым коллектором. TL072 определяет размах выходного напряжения когда когда нагрузка меньше 2 .Вс сВсс± 10 В±10ВВс с = 15 ВВссзнак равно15В2 к Ω2КΩ

Опытный разработчик ИС, вероятно, мог бы указать на большее количество различий, кроме одной схемы. Я не из тех, но я вижу различия в таблицах. Например, я не вижу коэффициента подавления синфазного сигнала или источника питания, гармонических искажений или коэффициента шума, указанных для LM339. Их можно было бы измерить для компаратора, и вы найдете их в каждой спецификации операционного усилителя, но для приложения компаратора эти параметры не особенно актуальны, поэтому они не указаны, и, если бы они были, скорее всего, были бы очень бедные.

Таким образом, в любом случае вы можете использовать операционный усилитель в качестве компаратора или компаратор в качестве операционного усилителя, если ваши требования не очень требовательны. Учитывая разницу в том, как указаны детали, может быть невозможно узнать из спецификаций, как они будут работать.

Простейшие компараторы на операционных усилителях

В описанных выше схемах в зависимости от характера управляющего сигнала осуществлялась коммутация входного сигнала или запоминание последнего. Еще одну разновидность аналоговых коммутаторов представляют компараторы. Они осуществляют переключение уровня выходного напряжения, когда непрерывно изменяющийся во времени входной сигнал становится выше или ниже определенного уровня.

Рис. 14.5. Простейшая схема компаратора

 

Если включить операционный усилитель без обратной связи, как показано на рис. 14.5, то он будет представлять собой компаратор. Его выходное напряжение составляет:

Передаточная характеристика такого компаратора изображена на рис. 14.6. Благодаря высокому коэффициенту усиления схема переключается при очень малой величине разности напряжений U1U2, поэтому она пригодна для сравнения двух напряжений с высокой точностью.

 

 

Рис. 14.6. Передаточная характеристика компаратора

 

При смене знака разности входных потенциалов выходное напряжение не может мгновенно перейти из одного уровня насыщения к другому, так как величина скорости нарастания операционного усилителя ограничена. Для стандартного частотно-скорректированного операционного усилителя она составляет около 1 В/мкс. Переход с уровня –12 В на уровень + 12В длится, таким образом, 24 мкс. Вследствие конечного времени восстановления операционного усилителя при его выходе из состояния насыщения задержка переключения компаратора еще увеличивается.

Так как в рассматриваемой схеме операционный усилитель не охвачен обратной связью и не нуждается в частотной коррекции, скорость нарастания увеличивается, и время восстановления уменьшается, по меньшей мере, в 20 раз.

Описанный компаратор имеет ограниченный диапазон входных напряжений. Если требуется сравнивать большие величины входных напряжений, можно воспользоваться схемой, приведенной на рис. 14.7.

 

 

Рис. 14.7. Суммирующий компаратор

 

Компаратор срабатывает при переходе величины UPчерез нуль. При этом U1 / R1 = –U2 / R2 .

Таким образом, сравниваемые напряжения должны иметь противоположные знаки. Эту схему можно функционально расширить, если к неинвертирующему входу компаратора подключить еще несколько резисторов. При этом компаратор будет срабатывать, когда приведенная к неинвертирующему входу алгебраическая сумма входных напряжений будет больше или меньше нуля. Благодаря включению диодов напряжение на неинвертирующем входе компаратора не может превысить ± 0,6 В.

Компаратор с прецизионным входным напряжением. Для многих случаев применения необходимы компараторы, выходное напряжение которых принимает два фиксированных с высокой точностью значения UМИН и.UМАКС Наиболее точный и простой способ выполнения этого условия состоит в применении аналогового коммутатора, управляемого входным напряжением обычного компаратора.

При низких частотах переключения эта задача может быть также решена соответствующим включением частотно-скорректированного операционного усилителя (рис. 14.8).

 

 

Рис. 14.8. ОУ в качестве компаратора с прецизионным выходным напряжением

Схема представляет собой разновидность компаратора, изображенного на рис. 14.5. Когда выходное напряжение достигает значения ±(UZ + 0,6В), операционный усилитель оказывается охваченным отрицательной обратной связью через цепочку стабилитронов. При этом дальнейший рост выходного напряжения прекращается. Кроме того, так как операционный усилитель не насыщается, из общего времени задержки срабатывания исключается время восстановления усилителя.

Двухпороговый компаратор фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя заданными пороговыми напряжениями или вне этого диапазона. Для реализации такой функции выходные сигналы двух компараторов необходимо подвергнуть, как показано на рис. 14.9, операции логического умножения.

Для такой цели лучше всего подходит компаратор типа  NE 521, так как эта ИС имеет в одном корпусе кроме двух идентичных компараторов с преобразователями уровня сигнала еще два логических элемента И-НЕ. Как показано на рис. 14.10, на выходе логического элемента единичный уровень сигнала будет иметь место тогда, когда выполняется условие: U1<UВХ<U2, так как в этом случае на выходах обоих компараторов будут единичные логические уровни.

 

Рис. 14.10. Двухпороговый компаратор

 

 

 

 

 

 

Рис. 14.10 — Временные диаграммы работы двухпорогового компаратора

Схема компаратора операционного усилителя

»Примечания по электронике

Схема компаратора очень полезна для сравнения двух напряжений и определения большего или меньшего — это можно использовать для определения, когда напряжение превышает определенную точку.


Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение Сводка схем Инвертирующий усилитель Суммирующий усилитель Неинвертирующий усилитель Усилитель с переменным усилением Активный фильтр высоких частот Активный фильтр нижних частот Полосовой фильтр Режекторный фильтр Компаратор Триггер Шмитта Мультивибратор Бистабильный Интегратор Дифференциатор Генератор моста Вина Генератор фазового сдвига


Цепи, которые сравнивают два напряжения и выдают цифровой выходной сигнал, зависящий от сравнения двух напряжений, часто используются в электронных схемах.

Для схемы компаратора необходим усилитель с высоким коэффициентом усиления, чтобы даже небольшие изменения на входе приводили к устойчивому переключению уровня выходного сигнала.

Операционные усилители используются во многих конструкциях электронных схем, но определенные микросхемы компаратора обеспечивают гораздо лучшие характеристики.

Применение компаратора

Компараторные схемы очень часто используются в электронных схемах.

Часто бывает необходимо уметь определять определенное напряжение и переключать цепь в соответствии с обнаруженным напряжением.

Одним из примеров может быть использование в цепи измерения температуры. Это может привести к изменению напряжения в зависимости от температуры. Может возникнуть необходимость включить обогрев, когда температура упадет ниже заданной точки, и этого можно достичь, используя компаратор, чтобы определить, когда напряжение, пропорциональное температуре, упало ниже определенного значения.

Для этих и многих других целей можно использовать схему, известную как компаратор.

Что такое компаратор?

Как следует из названия, компаратор, эти электронные компоненты и схемы используются для сравнения двух напряжений.

Когда один из них выше другого, выход схемы компаратора находится в одном состоянии, а когда входные условия меняются, выход компаратора переключается в другое состояние.

Компаратор состоит из усилителя с высоким коэффициентом усиления, который имеет дифференциальный вход — один инвертирующий вход и один неинвертирующий вход.

В условиях работы компаратор переключается между высоким и низким в зависимости от состояния входов. Если неинвертирующий вход выше, чем инвертирующий, то выход высокий.Если неинвертирующий вход ниже, чем инвертирующий, то выход высокий.

Краткое описание работы компаратора

Компараторы и операционные усилители

В то время как операционный усилитель легко использовать в качестве компаратора, особенно когда его можно легко использовать, если микросхема, содержащая несколько операционных усилителей, имеет один запасной. Однако не всегда рекомендуется применять такой подход. Операционный усилитель может не всегда работать правильно или не обеспечивать оптимальную производительность. Тем не менее, когда приложение не требует больших усилий, всегда возникает соблазн использовать эти электронные компоненты, потому что они уже могут быть доступны.

Производительность микросхем компаратора и операционных усилителей существенно различается по ряду аспектов:

  • Блокировка операционного усилителя: В некоторых условиях, особенно когда операционный усилитель сильно нагружен, он может заблокироваться, т.е. даже при изменении входа выход остается прежним. Компараторы предназначены для работы в этом режиме и никогда не должны срабатывать.

    Это одна из ключевых областей, в которой использование компаратора, а не операционного усилителя может быть явным преимуществом.

  • Работа в разомкнутом контуре: Операционные усилители предназначены для использования в режиме замкнутого контура, и их схемы оптимизированы для этого типа сценария. Их работа не охарактеризована в режиме разомкнутого контура.

  • Цифровые и аналоговые: Операционные усилители являются важными аналоговыми компонентами, и их внутренние схемы предназначены для работы в этом регионе. Компараторы предназначены для работы в качестве логической функции, т.е.е. в цифровом режиме.

    Это означает, что операционные усилители лучше всего работают в аналоговом режиме, когда выход не попадает в шины, тогда как компараторы не так хороши при работе в линейном режиме и намного лучше работают с логическими уровнями.

  • Выходные каскады: Выходные каскады операционных усилителей и компараторов сильно различаются. Обычно операционные усилители имеют линейный выход, часто работающий в режиме дополнительной симметрии, чтобы обеспечить оптимальные линейные характеристики для выхода.

    Компараторы часто имеют выход с открытым коллектором, пригодный для подключения к цифровым интерфейсам. Они предназначены для взаимодействия с логическими схемами, обеспечивая логический вход для сравнения аналоговых напряжений.

    Сравнение выходных схем операционного усилителя и компаратора
  • Время отклика: Компараторы оптимизированы для обеспечения очень быстрого отклика и времени переключения. Скорость нарастания высока и обеспечивает оптимальную производительность.

    Операционные усилители не оптимизированы для этих характеристик.Это, как правило, гораздо более медленные электронные компоненты, оптимизированные для линейной работы, а не для скорости.

  • Выходное напряжение и напряжение насыщения: Компараторы обычно могут работать в небольших пределах напряжения шины. Это необходимо для хорошей коммутации логических схем. Операционные усилители не смогут жестко подъехать к рельсам, поскольку они имеют определенное напряжение насыщения — это может привести к плохому переключению логических цепей.

Принимая во внимание эти факторы, всегда предпочтительнее использовать микросхему компаратора там, где предусмотрен этот тип работы.

Компаратор операционного усилителя

Можно использовать операционный усилитель в качестве компаратора, поскольку он удовлетворяет основным требованиям для данной функции.

Во время работы операционный усилитель переходит в положительное или отрицательное насыщение в зависимости от входных напряжений. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя обычно превышает 100 000, выход будет работать в режиме насыщения, когда входы разнесены на доли милливольта.

Хотя операционные усилители широко используются в качестве компаратора, специальные микросхемы компаратора намного лучше.

Эти специальные микросхемы компаратора предлагают очень быстрое время переключения, намного превышающее время переключения, предлагаемое большинством операционных усилителей, предназначенных для более линейных приложений. Типичная скорость нарастания напряжения составляет порядка нескольких тысяч вольт за микросекунду, хотя чаще приводятся цифры задержки распространения.

Типичная схема компаратора будет иметь один из входов, поддерживающих заданное напряжение. Часто это может быть потенциальный разделитель от источника или эталонного источника. Другой ввод передается в точку, которая должна быть обнаружена.

Схема компаратора базового операционного усилителя

На этой схеме напряжение переключения генерируется делителем потенциала, состоящим из R1 и R2. Это устанавливает напряжение на одном входе компаратора — в данном случае на инвертирующем входе. Неинвертирующий вход этой цепи подключен к точке, требующей измерения. Когда напряжение в этой точке поднимается выше опорного напряжения, выход компаратора становится высоким, а когда оно падает ниже опорного напряжения, выход становится низким.

Обычно компаратор работает от тех же шин напряжения, что и система. Для логики 5 В компаратор обычно запускается от шины 5 В.

Примечания к компаратору ОУ

p> При использовании схем компаратора следует помнить о нескольких моментах. Между обычными схемами операционного усилителя и схемами компаратора есть некоторые различия, которые необходимо учитывать при проектировании любой электронной схемы.
  • Убедитесь, что дифференциальный вход не превышен: Поскольку нет обратной связи, два входа в схему будут иметь разное напряжение.Соответственно, необходимо убедиться, что максимальный дифференциальный вход не превышен. Все возможности состояния схемы следует учитывать на этапе проектирования электронной схемы.
  • Изменение входного тока: Опять же, в результате отсутствия обратной связи, нагрузка, подаваемая компаратором на источник, изменится. В частности, при изменении схемы будет небольшое увеличение входного тока. Для большинства цепей это не будет проблемой, но если полное сопротивление источника велико, это может привести к нескольким необычным откликам.Это следует учитывать при проектировании электронной схемы.
  • Шум входного сигнала: Основная проблема этой схемы заключается в том, что новая точка переключения, даже небольшой шум будет вызывать переключение выхода вперед и назад. Таким образом, около точки переключения может быть несколько переходов на выходе, и это может вызвать проблемы в другом месте всей схемы. Решением этого является использование триггера Шмитта.
  • Если требуется функция компаратора, лучше всего использовать микросхему компаратора: Если требуется функция компаратора, всегда предпочтительно использовать микросхему компаратора, если это вообще возможно.Если один из этих электронных компонентов недоступен и необходимо использовать операционный усилитель, будьте осторожны, чтобы не перегрузить вход, чтобы не произошло защелкивания.

Использование микросхемы компаратора

Когда возникает необходимость в схеме компаратора, всегда лучше выбрать конкретную микросхему компаратора в качестве основы схемы.

Микросхемы компаратора

намного лучше справляются с переключением между двумя значениями и часто могут иметь выходные каскады, которые могут более легко взаимодействовать с логикой, чем аналоговые операционные усилители.

С точки зрения работы базовой схемы, основное отличие состоит в том, что большинство компараторов имеют выход с открытым коллектором и требуют внешнего подтягивающего резистора или другой схемы.

Операционные усилители очень дешевы и широко доступны. Компараторы не так дешевы и не так свободно доступны, поскольку эти электронные компоненты, как правило, используются немного реже и могут быть немного дороже, но не намного. Проблем с их использованием возникнуть не должно.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Возврат в меню проектирования схем.. .

Следует ли использовать операционный усилитель в качестве компаратора?

Возможно, у вас есть четыре операционных усилителя, которые вы используете только три, и вам нужен один компаратор. Может возникнуть соблазн использовать оставшийся операционный усилитель в качестве компаратора, в конце концов, оба имеют высокое усиление, низкое смещение и высокое подавление синфазного сигнала. Но легче сказать, чем сделать, потому что компаратор и операционный усилитель, хотя и похожи, но представляют собой разные устройства. Можно создать компаратор из операционного усилителя, но если ваша конструкция должна быть надежной, необходимо провести много проверок и экспериментов, чтобы убедиться, что ваш четырехъядерный пакет операционных усилителей будет иметь все необходимое для создания достаточного компаратора.

Компараторы

сообщают нам, какой из двух его входов имеет более высокий потенциал через логический выход компаратора, который может быть TTL или CMOS-совместимым. Компараторы быстро переключаются между максимальным и минимальным напряжением на выходе, чтобы указать состояние входов. Операционные усилители не предназначены для этой цели и не могут быстро переключаться из-за необходимости восстановления после насыщения. Операционные усилители предназначены для управления небольшими нагрузками, в основном работают как системы с обратной связью и не предназначены для работы в режиме насыщения.Компараторы предназначены для работы в качестве систем с разомкнутым контуром, работы на высокой скорости и быстрого управления выходом с высоким или низким логическим уровнем, даже когда компараторы перегружены.

Операционные усилители

при использовании в качестве компараторов не могут обеспечить высокую скорость отклика, как компаратор. Кроме того, поскольку в нескольких таблицах данных указано, сколько времени потребуется, чтобы выйти из состояния насыщения, вам может потребоваться поэкспериментировать с операционным усилителем, чтобы узнать, сколько времени это займет. Кроме того, стабильность операционного усилителя при использовании в качестве компаратора находится под вопросом.Операционный усилитель в качестве компаратора будет иметь очень высокий коэффициент усиления в разомкнутом контуре, поэтому небольшая положительная обратная связь во время переходов может подтолкнуть операционный усилитель к колебаниям. Эта небольшая положительная обратная связь может быть связана с паразитной емкостью. Вы можете минимизировать паразитную емкость с помощью тщательной компоновки в качестве одного из вариантов. На этом этапе операционные усилители могут показаться непривлекательными при использовании в качестве компаратора из-за соображений.

Рисунок 1: Операционный усилитель, если он используется в качестве компаратора, может обеспечивать насыщение (иногда всего на милливольты). Операционному усилителю требуется больше времени для обесцвечивания и отклика, что приводит к временной задержке tD по сравнению со временем отклика компаратора (пунктирная линия).Источник: Дж. Хит.

С учетом всего вышесказанного, если приведенные выше предостережения просто не имеют значения или вы готовы поэкспериментировать, вы можете использовать операционный усилитель в качестве компаратора с должным вниманием к рабочим параметрам, поскольку они влияют на общий результат. Если скорость не является проблемой (поскольку операционный усилитель колеблется на выходе при обесцвечивании), то стабильность все равно необходимо исследовать. На этом этапе вы можете обнаружить, что не стоит пытаться использовать левый или операционный усилитель в качестве компаратора. Если функция операционного усилителя как компаратора не критична, вы можете обойтись без операционного усилителя, но, возможно, захотите проверить адекватность скорости нарастания (практическое правило.5 В / мкс или выше для современных операционных усилителей. Старые операционные усилители (до 2000) могут иметь инверсию фазы. [I] Фиксация выхода с помощью цепи обратной связи на стабилитронах может помочь предотвратить насыщение на выходе.

Для некритичных схем может быть достаточно четвертого операционного усилителя в четырехъядерном блоке. В противном случае, возможно, не стоит тратить время или усилия, чтобы в конечном итоге получить головную боль, которую можно решить с помощью подходящего компаратора.

[i] Брайант, Джеймс. «Использование операционных усилителей в качестве компараторов». Замечания по применению Analog Devices — AN-849 (2011): 1-8.Интернет. 20 ноября 2016 г.

Компаратор операционных усилителей

| Основы электроники

Что такое операционные усилители?

Операционные усилители

(операционные усилители) — это дифференциальные усилители, которые усиливают дифференциальное напряжение между положительным (+) / отрицательным (-) входными контактами и характеризуются высоким входным сопротивлением, низким выходным сопротивлением и высоким коэффициентом усиления при разомкнутом контуре.

Каждая цепь состоит из 5 клемм: положительный источник питания, отрицательный источник питания, + вход, — вход и выход.

* Как правило, названия контактов источника питания, входа и выхода не стандартизированы

Операционные усилители требуют высокого входного сопротивления (импеданса) и низкого выходного сопротивления. На рисунке ниже (модель усилителя с источником напряжения с регулируемым напряжением) соотношение между входным и выходным напряжением выражается следующей формулой:

Чтобы лучше понять диаграмму и формулу выше:

В с : Источник входного сигнала
R с : Выходное сопротивление источника сигнала
R i : Входное сопротивление
R или : Выходное сопротивление
R L : Сопротивление нагрузки
A v

Напряжение сигнала V s делится делителем напряжения на основе сопротивления источника сигнала R s и входного сопротивления операционного усилителя R i , при этом ослабленный сигнал поступает в операционный усилитель.

Однако, когда R i достаточно велико по сравнению с R s (R i = ∞), первый член уравнения может быть аппроксимирован до 1 и рассматриваться как Vs = Vi.

Что касается второго члена, усиленное входное напряжение A v V i делится и выводится на основе выходного сопротивления операционного усилителя R o и сопротивления нагрузки R L .
В это время, когда R o значительно меньше, чем R L (R o = 0), второй член может быть приближен к 1, и вы увидите, что сигнал может выводиться без ослабления.

Операционные усилители этого типа считаются идеальными операционными усилителями. Обычные операционные усилители сконфигурированы так, чтобы быть максимально приближенными к идеальным операционным усилителям, с высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением.

Следовательно, для операционного усилителя выгодно иметь высокий коэффициент усиления.
Причина может быть объяснена «Цепью повторителя напряжения».
Цепь повторителя напряжения — это цепь, в которой входное и выходное напряжения равны. Он в основном используется в качестве буфера напряжения с высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением, а V s = V OUT .

Операционные усилители

усиливают дифференциальное напряжение на основе коэффициента усиления операционного усилителя, при этом выходное напряжение выражается следующим образом.

Следовательно,

Когда открытый коэффициент усиления A v операционного усилителя достаточно велик, левая часть может быть приближена к 0, и V s = V OUT .
Если коэффициент усиления низкий, левая часть уравнения не может быть приближена к 0, и при выходном напряжении возникнет ошибка.
Для достижения высокого коэффициента усиления при открытии ошибка выходного напряжения должна быть как можно меньше на основе этого коэффициента усиления.
Другой способ взглянуть на это состоит в том, что минимизация разности потенциалов между инвертирующим (-) и неинвертирующим (+) входами увеличит коэффициент открытия. Это означает, что чем больше увеличивается коэффициент усиления при открытии, существует соотношение V IN + = V IN-. Это соотношение, при котором контакты + Input и -Input практически равны, называется виртуальным коротким или воображаемым замыканием (или воображаемым / виртуальным заземлением).

Обратите внимание, что эта взаимосвязь существует при настройке и использовании цепей отрицательной обратной связи и проектировании цепей приложений с использованием характеристик виртуального заземления.

Что такое компараторы?

Компараторы

имеют ту же конфигурацию контактов, что и операционные усилители: контакты + вход, — вход, положительное питание, отрицательное питание и выходные контакты. Однако с компараторами один из входных контактов используется в качестве опорного вывода (с фиксированным напряжением), и разница в напряжении между этим опорным значением и напряжением, подаваемым на другой входной вывод, усиливается, что приводит к высокому или низкому уровню выход.

+ Потенциал входного контакта> -Потенциал входного контакта = Высокий выход
-Потенциал входного контакта> + Потенциал входного контакта = Низкий выходной сигнал

Основным отличием операционных усилителей от компараторов является наличие / отсутствие емкости фазовой компенсации.Операционные усилители требуют емкости с фазовой компенсацией для предотвращения внутренних колебаний, особенно при настройке цепей отрицательной обратной связи.

В отличие от этого, компараторы (которые не используются для конфигурирования цепей отрицательной обратной связи) не имеют внутренней емкости фазовой компенсации. В результате, поскольку время отклика между входом и выходом будет ограничено (из-за емкости фазовой компенсации), компараторы обычно обеспечивают лучший отклик по сравнению с операционными усилителями.

Другими словами, при использовании операционных усилителей в качестве компараторов чувствительность будет намного хуже из-за емкости фазовой компенсации, включенной в операционные усилители.Поэтому рекомендуется соблюдать осторожность при замене компараторов на операционные усилители.

ROHM предлагает операционные усилители и компараторы всех типов, такие как биполярные, CMOS, с датчиком заземления, двойным питанием, низким уровнем шума и полным ходом ввода / вывода, для удовлетворения различных потребностей.

2.3: Простой компаратор операционных усилителей

Теперь, когда вы почувствовали, что такое операционный усилитель и каковы некоторые типичные параметры, давайте посмотрим на приложение. Одна вещь, которая привлекает внимание большинства людей, — это очень высокий коэффициент усиления среднего операционного усилителя.Типичный LF411 показал значение \ (A_ {vol} \) на уровне примерно 200 000. При таком высоком усилении очевидно, что даже очень маленькие входные сигналы могут вызвать насыщение (ограничение) на выходе. Взгляните на рисунок \ (\ PageIndex {1} \). Здесь операционный усилитель питается от \ (\ pm \) 15 В и управляет нагрузкой 10 к \ (\ Omega \). Как видно из нашей модели на рис. 2.2.5, \ (V_ {out} \) должно равняться дифференциальному входному напряжению, умноженному на коэффициент усиления операционного усилителя, \ (A_ {vol} \).

\ [V_ {out} = A_ {vol} (V_ {in +} — V_ {in-}) \ notag \]

\ [V_ {out} = 200 000 \ раз (0.1 \ V − 0 \ V) \ notag \]

\ [V_ {out} = 20,000 \ V \ notag \]

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Компаратор (один вход).

Операционный усилитель не может выдавать 20 000 В. В таблице данных указано максимальное выходное напряжение только \ (\ pm \) 13,5 В при использовании источников питания \ (\ pm \) 15 В. Выходной сигнал будет усечен до 13,5 В. Если входной сигнал уменьшится только до 1 мВ, выходной сигнал все равно будет ограничен до 13,5 В. Это верно, даже если мы подадим сигнал на инвертирующий вход, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \).

\ [V_ {out} = A_ {vol} (V_ {in +} — V_ {in-}) \ notag \]

\ [V_ {out} = 200 000 \ раз (0,5 \ V − 0,3 \ V) \ notag \]

\ [V_ {out} = 40 000 \ V \ notag \]

\ [V_ {out} = 13,5 \ V, \ text {из-за обрезки} \ notag \]

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Компаратор (двойной ввод).

Компьютерное моделирование

Моделирование рисунка \ (\ PageIndex {2} \) с использованием Multisim показано на рисунке \ (\ PageIndex {3} \). Операционный усилитель LF411 выбран из библиотеки компонентов, и вам пока не нужно беспокоиться о внутренней структуре модели.Эта конкретная модель включает эффекты ограничений источника питания (то есть выходного насыщения), которых нет в очень простой модели зависимого источника, представленной ранее. Для входных сигналов используются отдельные источники постоянного тока. Хотя сигналы переменного тока не применяются, вполне допустимо запускать моделирование переходного режима. Отображается первая миллисекунда выходного напряжения. Он проверяет ручной расчет, показывая уровень постоянного тока чуть более 13,5 В.

Рисунок \ (\ PageIndex {3a} \): Пример компаратора в Multisim.

Рисунок \ (\ PageIndex {3b} \): Выход компаратора.

Для любого разумного набора входов, пока неинвертирующий сигнал больше, чем инвертирующий сигнал, выход будет иметь положительное насыщение. Если вы торгуете входными сигналами так, чтобы инвертирующий сигнал был больше, верно обратное. Пока инвертирующий сигнал больше неинвертирующего сигнала, на выходе будет отрицательное насыщение. Если инвертирующий и неинвертирующий сигналы идентичны, \ (V_ {out} \) должно быть 0 В.В реальном мире этого не произойдет. Из-за незначительных расхождений и смещений в каскаде дифференциала может возникнуть либо положительное, либо отрицательное насыщение. У вас нет быстрого способа узнать, в каком направлении он пойдет. По этой причине непрактично усиливать очень слабый сигнал, скажем, около 10 \ (\ mu \) V. Тогда вы можете спросить: «Какая польза от этого усилителя, если он всегда сжимается? Как я могу заставить его усилить простой сигнал? » Что ж, для обычного использования усиления нам придется добавить некоторые дополнительные компоненты, а с помощью отрицательной обратной связи (следующая глава) мы создадим несколько очень хорошо управляемых и полезных усилителей.Это не означает, что наша бесполезная схема операционного усилителя бесполезна. Напротив, мы только что создали компаратор.

Компаратор имеет два выходных состояния: высокий и низкий. Другими словами, это цифровой логический выход. Наш компаратор имеет высокий потенциал состояния 13,5 В и низкий потенциал состояния -13,5 В. Входные сигналы, напротив, представляют собой непрерывно изменяемые аналоговые потенциалы. Таким образом, компаратор — это интерфейс между аналоговой и цифровой схемами. Один вход будет считаться эталонным, а другой вход — чувствительной линией.Обратите внимание, что дифференциальный входной сигнал — это разница между входным сигналом и опорным входом. Когда полярность дифференциального входного сигнала изменяется, логический выход компаратора меняет состояние.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

На рисунке \ (\ PageIndex {4} \) показан детектор утечки света, который можно использовать в темной комнате фотографа. В этой схеме используется ячейка из сульфида кадмия (CdS), которая используется в качестве светочувствительного резистора. Инвертирующий вход операционного усилителя используется в качестве опорного входа с уровнем постоянного тока 1 В.Неинвертирующий вход используется как вход считывания. В нормальных условиях (без света) ячейка CdS действует как очень высокое сопротивление, возможно, 1 M \ (\ Omega \). В этих условиях установлен делитель напряжения с резистором 10 кОм, выдающий около 150 мВ на неинвертирующем входе. Помните, что загрузка делителя не происходит, потому что LF411 использует вход JFET. Поскольку неинвертирующий вход меньше, чем инвертирующий вход, выход компаратора имеет отрицательное насыщение, или приблизительно -13.5 В. Если уровень окружающего освещения повышается, сопротивление ячейки CdS падает, тем самым повышая сигнал, подаваемый на неинвертирующий вход. В конце концов, если уровень освещенности достаточно высок, неинвертирующий входной сигнал превысит опорное значение 1 В, и выход компаратора перейдет в положительное насыщение, около +13,5 В. Этот сигнал затем может быть использован для запуска той или иной формы звуковой сигнализации. В реальной схеме потребуется гибкость регулируемого опорного сигнала вместо фиксированного опорного напряжения 1 В.Поменяв местами ячейку CdS и резистор 10 кОм (\ Omega \) и отрегулировав опорное значение, можно создать инверсную схему (т. Е. Сигнал тревоги, который определяет темноту).

Цепи этого типа могут использоваться для определения различных условий избыточного / недостаточного уровня, включая температуру и давление. Все, что нужно, — это подходящее чувствительное устройство. Компараторы также могут использоваться с входными сигналами переменного тока.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Световая сигнализация.

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Иногда необходимо преобразовать сигнал переменного тока в квадрат для дальнейшей обработки.То есть мы должны превратить его в эквивалентный импульсный сигнал. Одним из примеров этого может быть частотомер. Счетчик частоты работает, подсчитывая количество переходов от высокого к низкому или от низкого к высокому во входном сигнале за определенный промежуток времени. Для точного подсчета требуются хорошие переходы краев. Поскольку простая синусоидальная волна изменяется относительно медленно по сравнению с прямоугольной частотой равной частоты, в показаниях может возникать некоторая неточность. Мы можем превратить вход в импульсный выход, пропустив его через компаратор, показанный на рисунке \ (\ PageIndex {5} \).Обратите внимание, что опорный сигнал регулируется от -15 до +15 В. Обычно опорный сигнал устанавливается на 0 В. Когда входной сигнал больше, чем опорный, на выходе будет положительное насыщение. Когда входной сигнал меньше эталонного, выход будет иметь отрицательное насыщение. Делая эталон регулируемым, мы контролируем рабочий цикл выходного сигнала, а также можем компенсировать смещения постоянного тока на входном сигнале. Типичный набор входных / выходных сигналов показан на рисунке \ (\ PageIndex {6} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Схема «Прямоугольник».

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Выход прямоугольной схемы.

У нашего простого компаратора операционного усилителя есть несколько ограничений. При очень быстрых изменениях сигнала обычный операционный усилитель не сможет точно отслеживать его выход. Кроме того, диапазон выходного сигнала достаточно широк и биполярен. Он совершенно не совместим с обычными логическими схемами TTL. Для правильного взаимодействия требуется дополнительная схема ограничения. Чтобы уменьшить эти проблемы, ряд схем был специально оптимизирован для работы с компараторами.Мы более подробно рассмотрим некоторые из них в седьмой главе.

Компараторы OPAMP

— Electronics-Lab.com

Введение

В большинстве предыдущих руководств по операционным усилителям в схемах была петля обратной связи с инвертирующим входом. Эта конструкция является наиболее распространенной, поскольку она действительно обеспечивает стабильность и позволяет избежать нежелательных эффектов насыщения, и ее также принято называть линейным режимом .

С другой стороны, когда к инвертирующему входу не применяется обратная связь, операционный усилитель, как говорят, работает в нелинейном режиме , мы также можем сказать, что в конфигурации с разомкнутым контуром . Компараторы — это специальные схемы операционных усилителей, которые предназначены для работы в нелинейном режиме и могут использоваться в качестве простых логических вентилей.

Представление схемы вместе с основными сведениями о компараторах дается в первом разделе.

Во втором разделе мы увеличиваем сложность схемы, чтобы показать, как преобразовать так называемую «точку перелома» или «порог» компаратора. Мы показываем, что возможность преобразования этого значения важна для правильного проектирования детекторов уровня.

Триггеры Шмитта обсуждаются в третьем абзаце, мы увидим, как работают такие компараторы и как их можно использовать в реальных приложениях. Более того, мы подчеркиваем их преимущества, сравнивая их с базовыми компараторами.

Презентация

Неинвертирующий компаратор

Самый простой компаратор состоит из операционного усилителя без резистора или контура обратной связи, сигнал для сравнения — V 1 и подает неинвертирующий вход, опорный сигнал V ref подает инвертирующий вход, выход помечен V из , а мощность питания — V S + и V S- , которые могут быть симметричными или нет.

рис 1: Представление схемы неинвертирующего компаратора

В этом разделе презентации мы представим и допустим, что V ref составляет основу, и, следовательно, V ref = 0. Более того, допустим, что питание симметричное (V S + = -V S- ).

Принцип действия этой схемы чрезвычайно прост и может быть резюмирован в зависимости от значения V 1 :

  • Если V 1 > V ref , V out = V S +
  • Если V 1 ref , V out = V S-

Отсутствие обратной связи на инвертирующем входе заставляет усилитель насыщаться до уровня мощности источника питания, когда дифференциальный вход V в = V 1 -V ref = V 1 становится немного выше нуля в абсолютное значение

Входная / выходная характеристика, связанная со схемой Рисунок 1 — это функция, подобная Хевисайду, показанная в Рисунок 2 ниже:

рис 2: Передаточная характеристика неинвертирующего компаратора

Если синусоидальный сигнал применяется в качестве входа, компаратор может использоваться для преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный:

рис. 3: Зависящий от времени выход компаратора с входным синусом
Инвертирующий компаратор

В предыдущем подразделе сигнал для сравнения подавался на неинвертирующий вход, в то время как опорный сигнал был на инвертирующем входе операционного усилителя.Однако роли можно поменять местами, чтобы получить инвертирующий компаратор, такой как показано на Рис. 4 :

рис. 4: Представление схемы инвертирующего компаратора

В этом случае значение выхода определяется этими двумя условиями:

  • Если V 1 ref , V out = V S +
  • Если V 1 > V ref , V out = V S-

Передаточная характеристика для этой конфигурации также является функцией Хевисайда, но с положительным насыщением, происходящим для V 1 <0 и отрицательным для V 1 > 0:

рис. 5: Передаточная характеристика инвертирующего компаратора

Перевод точки опрокидывания

Некоторая сложность может быть добавлена ​​делителем напряжения в опорной ветви либо неинвертирующего, либо инвертирующего компаратора, чтобы преобразовать точку опрокидывания.Поворотный момент — это значение V 1 , для которого выходной сигнал внезапно меняется с высокого (соответственно низкого) на низкий (соответственно высокий) значение. В предыдущем разделе переломный момент всегда наступал для V 1 = 0.

Рассмотрим компаратор, представленный на рис. 6 :

рис.6: Неинвертирующий компаратор с положительной точкой опрокидывания

Благодаря делителю напряжения на инвертирующий вход операционного усилителя подается альтернативное опорное напряжение, обозначенное как V ’ ref .Этот новый эталон удовлетворяет формуле делителя напряжения: V ’ ref + = + V S (R 2 / (R 1 + R 2 )). Обратите внимание, что делитель напряжения также может быть запитан с отрицательным источником питания V S-, в этом случае альтернативная ссылка представляет собой отрицательный знак (мы обозначаем его V ’ ref-).

Эти наблюдения можно обобщить в следующих передаточных характеристиках:

рис. 7: Передаточные характеристики неинвертирующего компаратора с положительной (слева) и отрицательной (справа) точкой перегиба

Если мы рассмотрим инвертирующий компаратор, действие той же схемы делителя напряжения будет иметь противоположный эффект.Действительно, если на делитель напряжения подается положительный (соответственно отрицательный) источник питания, то смещение точки опрокидывания будет отрицательным (соответственно положительным). Кроме того, сигнал инвертирован, как показано на Рис. 5 .

Вход, зависящий от времени

Перевод точки перелома позволяет установить пороговый уровень компаратора на ненулевой уровень. Когда на схему подается переменный входной сигнал, такой как выход датчика света или температуры, с помощью этого базового компаратора можно создать простой датчик уровня.

рис 8: Работа датчика уровня

Триггер Шмитта

Триггер неинвертирующий

Перемещение точки перелома также может быть реализовано путем добавления схемы делителя напряжения в качестве контура обратной связи в неинвертирующей ветви, инвертирующая ветвь заземлена (V ref = 0). Полная конфигурация показана на Рис. 9 ниже, он также известен как триггер Шмитта , мы возьмем в качестве примера неинвертирующий компаратор:

рис. 9: Представление схемы неинвертирующего триггера Шмитта

В ситуации, предложенной в рис. 9 , дифференциальный вход может быть записан в виде V в виде = V + -V ref = V + .Более того, напряжение V + может быть записано как суперпозиция V 1 и V из благодаря теореме Миллмана:

Дифференциальный вход равен нулю, когда V 1 = -V out (R 1 / R 2 ). Поскольку выходное значение может быть равно только V S или -V S , есть два значения V 1 , которые можно рассматривать как точки перелома, мы обозначаем их V T + и V . Т- для «порога»:

  • V T + = V S (R 1 / R 2 ) — верхний порог, для которого V out = V S- → V S +
  • V T- = -V S (R 1 / R 2 ) — нижний порог, для которого V out = V S + → V S-

Входная / выходная характеристика неинвертирующего триггера Шмитта представляет собой график гистерезиса, представленный на рисунке 10 :

рис.10: Передаточная характеристика неинвертирующего триггера Шмитта
Инвертирующий триггер

Мы также можем рассмотреть такой же положительный отзыв для инвертирующей конфигурации:

Рис 11: Инверсия схемы триггера Шмитта

В этом случае дифференциальный вход может быть записан как V in = V out (R 1 / (R 1 + R 2 )) — V 1 , входное напряжение V 1 , которое отменяет дифференциальный вход, поэтому определяется как V 1 = -V out (R 1 / (R 1 + R 2 )).

В зависимости от знака V out , могут быть определены два пороговых значения, характерные для конфигурации инвертирования:

  • V T + = -V S (R 1 / (R 1 + R 2 ))
  • V T- = + V S (R 1 / (R 1 + R 2 ))

Соответствующий график гистерезиса для инвертирующего триггера Шмитта приведен на рис. 12 :

рис. 12: Передаточная характеристика инвертирующего триггера Шмитта
Приложения

Триггеры и компараторы Шмитта в целом, как мы кратко представили в рис. 8 в основном используются для преобразования аналоговых сигналов в цифровые.

Однако «базовые» компараторы обладают тем недостатком, что их срабатывает фоновый шум. Одним из наиболее ценных свойств триггеров Шмитта является их помехозащищенность , что означает, что компаратор будет переключаться между низким и высоким выходным состоянием только тогда, когда вход эффективно запускает его. Более того, поскольку высокое выходное состояние запускается верхним порогом, а низкое выходное состояние — нижним порогом, триггеры Шмита обычно добавляют задержку по сравнению с «базовыми компараторами».

При повторном рассмотрении Рис. 8 мы можем представить, что во время второго глобального изменения освещенности два пика могут быть связаны с некоторым шумом (например, исходящим от пользователя).

Благодаря гистерезису, который может быть достигнут с триггером Шмитта , если нижний порог установлен ниже минимального уровня шума, фоновый шум не запускает компаратор:

рис. 13: Сравнение «базового» компаратора и триггера Шмитта для приложения определения уровня

Заключение

Компараторы

— это операционные усилители, которые специально разработаны для работы в разомкнутом контуре или с положительной обратной связью , что является одновременно нестабильным и нелинейным режимами.Их выход может быть равен только двум различным значениям, которые приблизительно соответствуют напряжениям источника питания. Выходное или насыщающее напряжение, в зависимости от входного сигнала. Этот вход сравнивается с опорным напряжением, которое устанавливает порог компаратора.

Во втором разделе мы увидели, что пороговое напряжение можно изменить, добавив простую схему делителя напряжения к инвертирующей ветви операционного усилителя. Базовые компараторы работают в разомкнутом контуре и имеют только один порог, что упрощает их проектирование и обеспечивает быстрый отклик.

Третий раздел посвящен триггерам Шмитта , которые обладают тем преимуществом, что их не запускает фоновый шум, как, например, базовый компаратор. Триггеры Шмитта не работают в конфигурации с разомкнутым контуром, а вместо этого работают с положительной обратной связью на их неинвертирующий вход. Это позволяет им иметь два пороговых уровня (высокий и низкий), как следствие, их передаточная характеристика является гистерезисом.

Операционный усилитель

как схема компаратора и его работа

Как правило, компараторы подразделяются на различные типы, такие как электрические компараторы, электронные компараторы, механические компараторы, оптические компараторы, сигма-компараторы, пневматические компараторы, цифровые компараторы и так далее.Эти схемы компаратора обычно используются при разработке проектов электротехники и электроники. В этой статье мы обсудим, как использовать операционный усилитель в качестве схемы компаратора и работу операционного усилителя в качестве схемы компаратора. Но, прежде всего, мы должны знать, что такое схема операционного усилителя и компаратора.

Операционный усилитель

Операционный усилитель

Электронный усилитель напряжения со связью по постоянному току с высоким коэффициентом усиления, который состоит из двух входных клемм, показан на рисунке. Дифференциальный вход подается на два входных терминала (инвертирующий входной терминал и неинвертирующий входной терминал) операционного усилителя, и он создает единый выходной потенциал на терминале Vout.Таким образом, разность потенциалов, подаваемая на его два входных терминала, усиливается для получения усиленного выходного сигнала. Этот усиленный выходной сигнал равен разнице между входными сигналами в сотни тысяч раз.

Выход усилителя может быть задан как

Vout = AOL (V + — V-)

Где

  • AOL — коэффициент усиления без обратной связи усилителя
  • V + — неинвертирующий вход усилителя
  • V- — инвертирующий вход усилителя.

Несмотря на то, что существуют различные типы операционных усилителей, 741 операционный усилитель часто используется в качестве схемы компаратора в нескольких электронных схемах.


Схема компаратора

Устройство, состоящее из двух входных клемм, в которых опорный входной сигнал подается на одну клемму, а фактическое значение сигнала подается на другую клемму. Затем выходной сигнал генерируется на выходном терминале на основе разницы между двумя входными сигналами, подаваемыми на два входных терминала. Этот сгенерированный выходной сигнал имеет значение 0 (низкий) или 1 (высокий).

В терминологии электротехники и электроники устройство, используемое для сравнения двух сигналов напряжения или сигналов тока, которые подаются на две аналоговые входные клеммы, тем самым вырабатывая один двоичный цифровой выходной сигнал для указания большего входного сигнала, называется схемой компаратора.

Схема компаратора

Две аналоговые входные клеммы представлены как V + (Vin) и V- (Vref) в приведенной выше схеме компаратора. Цифровой выход формируется на выходной клемме V0 (Vout). Выходной сигнал схемы компаратора задается как

Если V +> V- (Vin больше Vref), тогда V0 = 1 и
Если V +

Обычно , компараторы используются в таких устройствах, как релаксационные генераторы, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а также в устройствах, которые используются для измерения аналоговых сигналов.Компараторы состоят из дифференциальных усилителей с высоким коэффициентом усиления, и мы можем использовать операционный усилитель в качестве схемы компаратора.

Операционный усилитель в качестве компаратора

Операционные усилители 741 — это базовые операционные усилители, которые можно использовать в качестве схемы компаратора во многих электронных схемах. Например, если мы рассмотрим переключатель с регулируемой температурой; затем операция переключения выполняется в зависимости от температуры. Если фактическое значение температуры превышает заданное значение эталонной температуры, то датчик температуры соответственно выдает выходное напряжение (низкое или высокое).

Если мы рассмотрим базовую конструкцию компаратора, то из-за шума будут высокочастотные колебания напряжения. Эту проблему необходимо учитывать в случае операционных усилителей, которые спроектированы специально как схемы компаратора. Этот шум возникает, когда сигнал входного напряжения и сигнал опорного напряжения близки друг к другу.

Операционный усилитель в качестве схемы компаратора

Высокочастотные колебания напряжения вызваны случайной природой шума, из-за чего в быстрой последовательности напряжение входного сигнала становится больше или меньше опорного напряжения.Таким образом, выходной сигнал будет колебаться между своим максимальным уровнем напряжения и минимальным уровнем напряжения. Эту проблему можно уменьшить, применив гистерезис. Мы можем регулировать гистерезисный зазор в схеме триггера Шмитта, применяя гистерезис к схеме компаратора операционного усилителя с использованием положительной обратной связи. На рисунке показан операционный усилитель в виде схемы компаратора с гистерезисом.

Операционный усилитель как рабочая схема компаратора

Как правило, выходной сигнал операционного усилителя колеблется от положительных и отрицательных значений до экстремального напряжения, которое приблизительно равно потенциалам питания.Если операционный усилитель 741 подключен к напряжению +/- 18 В, то максимальное выходное напряжение будет равно +/- 15 В. Это связано с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления разомкнутого контура операционного усилителя (от 10 000 до 1 миллиона). Таким образом, если на каком-либо входе создается разница напряжений +/- 150 микровольт, то она будет усилена примерно в миллион раз, и выход перейдет в состояние насыщения. Таким образом, выход остается на максимальном или минимальном значении.

Операционный усилитель в качестве компаратора Принцип работы принципиальной схемы

При использовании операционного усилителя в качестве компаратора в контрольно-измерительных приборах можно использовать разомкнутый контур для сравнения двух напряжений.Следовательно, в зависимости от разницы между значением входного напряжения и значением опорного напряжения, выходной Vout будет равен максимальному высокому значению или минимальному низкому значению (значение входного напряжения будет больше или меньше, чем значение опорного напряжения, несколько на микро вольт).

Опорное напряжение подается на неинвертирующий входной терминал операционного усилителя, а переменное напряжение подается на инвертирующий входной терминал операционного усилителя. Рассмотрим принципиальную схему компаратора операционного усилителя, показанную на рисунке: если напряжение, подаваемое на контакт 2, больше, чем опорное напряжение, подаваемое на контакт 3, то выходное напряжение становится низким и незначительно превышает –Vs.Если напряжение, подаваемое на контакт 2, меньше опорного напряжения, подаваемого на контакт 3, выходное напряжение становится высоким и незначительно меньше + Vs.

Есть много операционных усилителей, предназначенных для работы компараторов, эти схемы компаратора на ОУ используются для высокоскоростных сравнений. Состояние выхода этих схем компаратора ОУ изменяется менее чем за 1 микросекунду. Но эти схемы компаратора на операционных усилителях для высокоскоростного сравнения потребляют больше энергии, в зависимости от скорости сравнения. В зависимости от скорости сравнения и количества потребляемой мощности эти компараторы делятся на разные типы.Конкретный компаратор операционного усилителя может использоваться для конкретного приложения в зависимости от требуемой скорости и / или потребляемой мощности.

Применение операционного усилителя в качестве компаратора в практических электронных схемах

Система мониторинга температуры и влажности почвы на основе беспроводных сенсорных сетей с использованием проекта Arduino предназначена для разработки автоматической системы полива, которая управляет переключением (включение и выключение) двигателя насоса с помощью определение влажности почвы.

Система контроля температуры и влажности почвы на основе беспроводных сенсорных сетей с использованием Arduino от Edgefxkits.com

Датчик определяет влажность почвы, и соответствующий сигнал подается на плату Arduino. Это достигается за счет использования операционного усилителя в качестве схемы компаратора, действующего как интерфейс между датчиком и микроконтроллером. На основе сигнала, полученного от датчика, включается водяной насос. ЖК-дисплей используется для отображения состояния влажности почвы и водяного насоса.

Кроме того, техническая помощь может быть предоставлена ​​на основании ваших запросов, размещенных в разделе комментариев ниже.Вы можете скачать нашу бесплатную электронную книгу, чтобы самостоятельно разрабатывать проекты электроники.

Знаете ли вы какие-либо приложения для встроенных систем, в которых операционный усилитель используется в качестве схемы компаратора?

741 IC Схема компаратора операционного усилителя, схема, конструкция, рабочая

В этом посте мы обсудим операционный усилитель в качестве компаратора. Мы уже обсуждали другие применения операционного усилителя в схемах генератора прямоугольной формы, например, нестабильные (или автономные) мультивибраторы , моностабильные мультивибраторы (или одноразовые) и бистабильные мультивибраторы (или триггеры).

Чтобы лучше понять операционные усилители, щелкните здесь: — Операционные усилители (ОУ)

Компаратор ОУ

Компаратор находит свое применение в схемах, в которых необходимо сравнить два сигнала напряжения и определить, какой из них сильнее. Компаратор также является важной схемой при разработке генераторов сигналов несинусоидальной формы в качестве релаксационных генераторов.

В операционном усилителе с разомкнутым контуром, когда дифференциальный или одиночный входной сигнал имеет значение больше 0, высокое усиление, которое стремится к бесконечности, приводит к насыщению выходного сигнала операционного усилителя.Таким образом, операционный усилитель, работающий в конфигурации разомкнутого контура, будет иметь выходной сигнал, который переходит на положительный или отрицательный уровень насыщения или переключается между положительным и отрицательным уровнями насыщения и, таким образом, ограничивает выходной сигнал выше этих уровней. Этот принцип используется в схеме компаратора с двумя входами и выходом. Два входа, один из которых является опорным напряжением (Vref), сравниваются друг с другом.

Работа схемы компаратора ОУ 741 IC

Схема неинвертирующего компаратора ОУ 741 IC

Схема неинвертирующего компаратора ОУ 741 IC показана на рисунке ниже.Это называется схемой неинвертирующего компаратора, поскольку синусоидальный входной сигнал Vin подается на неинвертирующий вывод. Фиксированное опорное напряжение Vref подается на инвертирующий вывод (-) операционного усилителя.

Когда значение входного напряжения Vin больше, чем опорное напряжение Vref, выходное напряжение Vo переходит в положительное насыщение. Это связано с тем, что напряжение на неинвертирующем входе больше, чем на инвертирующем входе.

Схема неинвертирующего компаратора IC 741

Когда значение входного напряжения Vin меньше опорного напряжения Vref, выходное напряжение Vo переходит в состояние отрицательного насыщения.Это связано с тем, что напряжение на неинвертирующем входе меньше напряжения на инвертирующем входе. Таким образом, выходное напряжение Vo изменяется от положительной точки насыщения к отрицательной точке насыщения всякий раз, когда изменяется разница между Vin и Vref. Это показано на диаграмме ниже. Компаратор можно назвать детектором уровня напряжения, поскольку при фиксированном значении Vref можно определить уровень напряжения Vin.

На принципиальной схеме показаны диоды D1 и D2. Эти два диода используются для защиты операционного усилителя от повреждения из-за увеличения входного напряжения.Эти диоды называются фиксирующими диодами, поскольку они ограничивают дифференциальное входное напряжение до 0,7 В или -0,7 В. Большинству операционных усилителей не нужны фиксирующие диоды, поскольку в большинстве из них уже есть встроенная защита. Сопротивление R1 подключено последовательно с входным напряжением Vin, а R подключено между инвертирующим входом и опорным напряжением Vref. R1 ограничивает ток через фиксирующие диоды, а R уменьшает проблему смещения.

741 Форма волны неинвертирующего компаратора операционного усилителя IC

Инвертирующая схема компаратора ОУ 741 IC

Схема инвертирующего компаратора операционного усилителя 741 IC показана на рисунке ниже.Это называется схемой инвертирующего компаратора, поскольку синусоидальный входной сигнал Vin подается на инвертирующий вывод. Фиксированное опорное напряжение Vref подается на неинвертирующий вывод (+) операционного усилителя. Потенциометр используется в качестве схемы делителя напряжения для получения опорного напряжения на неинвертирующей входной клемме. Оба конца POT подключены к источнику постоянного напряжения + VCC и -VEE. Стеклоочиститель подключен к неинвертирующей входной клемме. Когда дворник поворачивается до значения, близкого к + VCC, Vref становится более положительным, а когда дворник поворачивается в сторону -VEE, значение Vref становится более отрицательным.Формы сигналов показаны ниже.

Схема инвертирующего компаратора микросхемы ОУ 741
Форма волны инвертирующего компаратора ОУ 741 IC

Характеристики компаратора

1. Рабочая скорость — В соответствии с изменением условий на входе схема компаратора переключается с хорошей скоростью между уровнями насыщения, и реакция мгновенная.

2. Точность — Точность схемы компаратора обуславливает следующие характеристики: —

(a) Усиление высокого напряжения — Считается, что схема компаратора имеет характеристику усиления высокого напряжения, что приводит к требованию меньшего напряжения гистерезиса.В результате выходное напряжение компаратора переключается между верхним и нижним уровнями насыщения.

(b) Высокий коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) — Параметры входного синфазного напряжения, такие как шум, подавляются с помощью высокого коэффициента подавления синфазного сигнала.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *