Расчет компаратора с гистерезисом: Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 25

Содержание

Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 25

21 августа 2019

Тим Грин, Пит Семиг, Колин Веллс (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI). Поваренная книга – сборник рецептов, а данный цикл статей – сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах каталога компании КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы операционных усилителей. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Компаратор с гистерезисом и без гистерезиса

Исходные данные для расчета представлены в таблицах 74 и 75.

Таблица 74. Исходные данные для расчета компаратора

Вход Выход Питание
ViMin ViMax VoMin VoMax Vcc Vee Vref
0 В 5 В 0 В 5 В 5 В 0 В 5 В

Таблица 75. Пороговые значения

Нижний порог переключения VL Верхний порог переключения V
H
VH – VL
2,3 В 2,7 В 0,4 В

Описание схемы

Компараторы используются, чтобы сравнить два входных сигнала и сформировать выходной сигнал в зависимости от того, какой из входных сигналов больше (рисунок 84). Шум или дребезг входных сигналов могут привести к множественным переключениям компаратора. Для борьбы с такими переключениями используется гистерезис, устанавливающий верхнюю и нижнюю границу переключения.

Рис. 84. Схемы компараторов с гистерезисом (слева) и без гистерезиса (справа)

Рекомендуем обратить внимание:

  • следует использовать компаратор с минимальным собственным током потребления;
  • точность задания пороговых значений гистерезиса определяется точностью номиналов резисторов;
  • задержка срабатывания определяется параметрами используемого компаратора.

Порядок расчета компаратора с гистерезисом

  • Выбираем значение резистора R1 = 100 кОм. Значения пороговых напряжений были определены в таблице исходных данных (таблица 74): VL = 2,3 В, VH = 2,7 В.
  • Рассчитаем R2 по формуле 1:

$$R_{2}=\frac{V_{L}}{V_{CC}-V_{H}}\times R_{1}=\frac{2.3\:В}{5\:В-2.7\:В}\times 100\:кОм=100\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

  • Рассчитаем R3 по формуле 2:

$$R_{3}=\frac{V_{L}}{V_{H}-V_{L}}\times R_{1}=\frac{2. 3\:В}{2.7\:В-2.3\:В}\times 100\:кОм=576\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

  • Проверяем полученное значение гистерезиса, согласно формуле 3:

$$V_{H}-V_{L}=\frac{R_{1}\times R_{2}}{R_{1}\times R_{3}+R_{3}\times R_{2}+R_{1}\times R_{2}}\times V_{CC}=0.399\:В\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Порядок расчета компаратора без гистерезиса

 
  1. Выбираем пороговое значение Vth = 2,5 В.
  2. Выбираем значение резистора R4 = 100 кОм.
  3. Рассчитываем R5 по формуле 4:

$$R_{5}=\frac{V_{th}}{V_{CC}-V_{th}}\times R_{4}=\frac{2.5\:В}{5\:В-2.5\:В}\times 100\:кОм=100\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Моделирование схемы

Временные диаграммы работы схемы представлены на рисунках 85 и 86.

Рис. 85. Временные диаграммы работы схемы: шум присутствует только в начальный короткий интервал времени 0…120 мкс

Рис. 86. Увеличенная осциллограмма напряжений: интервал 40…110 мкс

Рекомендации

Дополнительную информацию вы найдете в к документе TIPD144.

Параметры компаратора, используемого в расчете, приведены в таблице 76.

Таблица 76. Параметры компаратора, используемого в расчете

TLV3201
Vсс 2,7…5,5 В
VinCM Vee – 200 мВ…Vсс + 200 мВ
Vout Vee + 230 мВ…Vcc – 210 мВ (при 4 мА)
Vos 1 мВ
Iq 40 мкА
Ib 1 пА
UGBW
SR
Число каналов 1, 2

Список ранее опубликованных глав

      1. Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители
      2. Инвертирующий усилитель
      3. Неинвертирующий усилитель
      4. Инвертирующий сумматор
      5. Дифференциальный усилитель
      6. Интегратор
      7. Дифференциатор
      8. Трансимпедансный усилитель
      9. Однополярная схема измерения тока
      10. Биполярная схема измерения тока
      11. Однополярная схема измерения тока с широким рабочим диапазоном (3 декады)
      12. ШИМ-генератор на ОУ
      13. Инвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
      14. Неинвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
      15. Активный полосовой фильтр
      16. Однополупериодный инвертирующий выпрямитель
      17. Выпрямитель на ОУ
      18. Низковольтный выпрямитель с однополярным питанием
      19. Ограничитель скорости изменения напряжения
      20. Схема формирования дифференциального сигнала
      21. Схема инвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа
      22. Схема неинвертирующего усилителя со смещением инвертирующего входа
      23. Схема неинвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа
      24. Схема инвертирующего усилителя со смещением неинвертирующего входа

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

Расчет компаратора с гистерезисом — Знай свой компьютер

Тим Грин, Пит Семиг, Колин Веллс (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI).

Поваренная книга – сборник рецептов, а данный цикл статей – сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах каталога компании КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы операционных усилителей. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Компаратор с гистерезисом и без гистерезиса

Исходные данные для расчета представлены в таблицах 74 и 75.

Таблица 74. Исходные данные для расчета компаратора

Вход Выход Питание
ViMin ViMax VoMin VoMax Vcc Vee Vref
0 В
5 В
0 В 5 В 5 В 0 В 5 В

Таблица 75. Пороговые значения

Нижний порог переключения VL Верхний порог переключения VH VH – VL
2,3 В 2,7 В 0,4 В

Описание схемы

Компараторы используются, чтобы сравнить два входных сигнала и сформировать выходной сигнал в зависимости от того, какой из входных сигналов больше (рисунок 84). Шум или дребезг входных сигналов могут привести к множественным переключениям компаратора. Для борьбы с такими переключениями используется гистерезис, устанавливающий верхнюю и нижнюю границу переключения.

Рис. 84. Схемы компараторов с гистерезисом (слева) и без гистерезиса (справа)

Рекомендуем обратить внимание:

  • следует использовать компаратор с минимальным собственным током потребления;
  • точность задания пороговых значений гистерезиса определяется точностью номиналов резисторов;
  • задержка срабатывания определяется параметрами используемого компаратора.

Порядок расчета компаратора с гистерезисом

  • Выбираем значение резистора R1 = 100 кОм. Значения пороговых напряжений были определены в таблице исходных данных (таблица 74): VL = 2,3 В, VH = 2,7 В.
  • Рассчитаем R2 по формуле 1:
  • Рассчитаем R3 по формуле 2:
  • Проверяем полученное значение гистерезиса, согласно формуле 3:

Порядок расчета компаратора без гистерезиса

  1. Выбираем пороговое значение Vth = 2,5 В.
  2. Выбираем значение резистора R4 = 100 кОм.
  3. Рассчитываем R5 по формуле 4:

Моделирование схемы

Временные диаграммы работы схемы представлены на рисунках 85 и 86.

Рис. 85. Временные диаграммы работы схемы: шум присутствует только в начальный короткий интервал времени 0…120 мкс

Рис. 86. Увеличенная осциллограмма напряжений: интервал 40…110 мкс

Рекомендации

Параметры компаратора, используемого в расчете, приведены в таблице 76.

Таблица 76. Параметры компаратора, используемого в расчете

2,7…5,5 В
VinCM Vee – 200 мВ…Vсс + 200 мВ
Vout Vee + 230 мВ…V
cc
– 210 мВ (при 4 мА)
Vos 1 мВ
Iq 40 мкА
Ib 1 пА
UGBW
SR
Число каналов 1, 2

Список ранее опубликованных глав

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

Тим Грин, Пит Семиг, Колин Веллс (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI). Поваренная книга – сборник рецептов, а данный цикл статей – сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах каталога компании КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы операционных усилителей. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Компаратор с гистерезисом и без гистерезиса

Исходные данные для расчета представлены в таблицах 74 и 75.

Таблица 74. Исходные данные для расчета компаратора

Вход Выход Питание
ViMin ViMax VoMin VoMax Vcc Vee Vref
0 В 5 В 0 В 5 В 5 В 0 В 5 В

Таблица 75. Пороговые значения

Нижний порог переключения VL Верхний порог переключения VH VH – VL
2,3 В 2,7 В 0,4 В

Описание схемы

Компараторы используются, чтобы сравнить два входных сигнала и сформировать выходной сигнал в зависимости от того, какой из входных сигналов больше (рисунок 84). Шум или дребезг входных сигналов могут привести к множественным переключениям компаратора. Для борьбы с такими переключениями используется гистерезис, устанавливающий верхнюю и нижнюю границу переключения.

Рис. 84. Схемы компараторов с гистерезисом (слева) и без гистерезиса (справа)

Рекомендуем обратить внимание:

  • следует использовать компаратор с минимальным собственным током потребления;
  • точность задания пороговых значений гистерезиса определяется точностью номиналов резисторов;
  • задержка срабатывания определяется параметрами используемого компаратора.

Порядок расчета компаратора с гистерезисом

  • Выбираем значение резистора R1 = 100 кОм. Значения пороговых напряжений были определены в таблице исходных данных (таблица 74): VL = 2,3 В, VH = 2,7 В.
  • Рассчитаем R2 по формуле 1:
  • Рассчитаем R3 по формуле 2:
  • Проверяем полученное значение гистерезиса, согласно формуле 3:

Порядок расчета компаратора без гистерезиса

  1. Выбираем пороговое значение Vth = 2,5 В.
  2. Выбираем значение резистора R4 = 100 кОм.
  3. Рассчитываем R5 по формуле 4:

Моделирование схемы

Временные диаграммы работы схемы представлены на рисунках 85 и 86.

Рис. 85. Временные диаграммы работы схемы: шум присутствует только в начальный короткий интервал времени 0…120 мкс

Рис. 86. Увеличенная осциллограмма напряжений: интервал 40…110 мкс

Рекомендации

Параметры компаратора, используемого в расчете, приведены в таблице 76.

Таблица 76. Параметры компаратора, используемого в расчете

2,7…5,5 В
VinCM Vee – 200 мВ…Vсс + 200 мВ
Vout Vee + 230 мВ…Vcc – 210 мВ (при 4 мА)
Vos 1 мВ
Iq 40 мкА
Ib 1 пА
UGBW
SR
Число каналов 1, 2

Список ранее опубликованных глав

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

Поскольку одним из ключевых моментов при проектировании устройства является контроль заряда аккумуляторной батареи, другими словами исключения возможности ее перезаряда или недозаряда, ведущий к потере ею установленной номинальной емкости, то для сравнения заданной величины напряжения и данных, считываемых с датчика напряжения целесообразно использовать компаратора с гистерезисом. Выбор объясняется тем, что в компараторе в условиях повышенного уровня помех, при медленно меняющихся входных сигналах или когда приоритетным является снижение вероятности ошибочных переключений, возникает необходимость формирования передаточной характеристики с гистерезисом за счет введения положительной обратной связи. В этом случае сигнал подается на инвертирующий вход компаратора, а на неинвертирующий вход через резистивный делитель подается сигнал с прямого выхода. Соотношение сопротивлений резисторов обратной связи устанавливает ширину петли гистерезиса.

В качестве компаратора была выбрана микросхема АD8561.

Схема подключения компаратора с гистерезисом приведена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 – Схема включения компаратора с гистерезисом

Компаратор может питаться как разнополярным так и однополярным положительным напряжением +5 В. Делитель напряжения, состоящий из двух резисторов R4, R5, необходим для снижения напряжения на входе компаратора к 4,5В (рабочее напряжение) . Учитывая, что максимальное входное напряжение составляет 20 В , а рабочее напряжение компаратора 4,5 В, зададимся одним из сопротивлений делителя. R4 = 10 кОм.

Далее из пропорции представленной ниже в формуле (4.1) вычислим значение сопротивления R5:

По ряду Е24 выбираем наиболее приближенное

Для определения значений резисторов R6, R7, R8 необходимо знать уровни порогов петли гистерезиса Vth и Vtl. Верхний порог (Vth) составляет 15,05 В, нижний (Vtl) 14,95 В.

Далее задаемся резисторами R6 и R7. Потому как при расчетах важно учитывать, что через резисторы R6 и R7 течет постоянный ток, поэтому их суммарное значение должно быть не менее 1 кОм. Кроме того, это значение не должно выше 10 кОм от этого зависит значение резистора R10. Отсюда принято брать R6 = 10 кОм и R7 = 8,2 кОм.

После представлен алгоритм расчета сопротивления R8:

По ряду Е24 выбираем наиболее приближенное значение сопротивления R8- равно 220 кОм. Резисторы выбираются из серии С2-ЗЗН, мощностью 0,125 Вт.

солнечный контроллер заряд батарея

Аналоговый умножитель необходим для умножения значений тока и напряжения с целью определения максимума на кривой мощности и вместе с тем отбора максимальной мощности от солнечного модуля.

Практически все современные аналоговые умножители построены на основе двух дифференциальных усилителей (ДУ), объединений симметрично-перекрестными связями, управления крутизной которых за счет перераспределения токов выполняет еще один ДУ.

В качестве такого аналогового умножителя избран К525ПС2Б. Он является недорогим, легко доступным и зарекомендовал себя как надежный элемент в любой электронной системе. Схема подключения аналогового умножителя показана на рисунке 4.6.

Рисунок 4.6 – Схема подключения аналогового умножителя

Назначение подстроечных резисторов: R21 – коррекция нуля по входу Х0; R22 – коррекция нуля по входу Y0; R23 – коррекция нуля по входу Z0. На практике последовательность регулирования следующая: при нулевых напряжениях на входах Х0 и Y0 резистором R23 устанавливают ноль на выходе; подав на вход Х0 переменное напряжение амплитудой несколько вольт, резистором R22 добиваются минимального его проникновения на выход при нулевом напряжении на входе Y0; подав на вход Y0 переменное напряжение амплитудой несколько вольт, резистором R20 добиваются минимального его проникновения на выход при нулевом напряжении на входе X, R19- точка подстройки масштабного коэффициента 10 в знаменателе передаточной функции:

Вход Zin заведен в отрицательную обратную связь внутреннего операционного усилителя.

Электрический расчёт (Расчёт для Бужан И.)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ

(Расчёт для Бужан И.)

Устройство сравнения модуля МФДО обеспечивает преобразование выходного напряжения датчика магнитно-электрической системы в дискретный сигнал, он выполнен на операционном усилителе, включенном по схеме компаратора.

Схема с компаратором напряжений на основе микросхемы компаратора является эффективным решением многих задач сравнения напряжений и сопряжения аналоговых и цифровых сигналов.

Очень часто схема компаратора должна обеспечивать гистерезис с заданными в разрабатываемой схеме порогами включения (верхний порог срабатывания) Uвто и нижней точки опрокидывания Uнто (нижний порог сра­батывания) и полосой гистерезиса. Среди компараторов имеются образцы со встроенным гистерезисом, однако величина встроенного гистерезиса фиксирована и часто не удовлетворяет требованиям схемы.

Компараторы представляют собой ОУ специального назначения, предназначенные для сравнения по уровню двух входных напряжений и скачкообразного изменения выходного напряжения в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого. Любой операционный усилитель может быть использован в качестве компаратора, однако специально спроектированные компараторы удобнее для применения.

Поскольку компараторы используются не как линейные уси­лители, а как ключевые устройства, в них может успешно приме­няться положительная обратная связь, чтобы увеличить коэффи­циент усиления и получить некоторый гистерезис в переходной характеристике Увеличение коэффициента усиления при­водит к тому, что амплитуда входного напряжения, необходимого для переключения компаратора, сокращается до очень малой ве­личины. В ряде случаев наличие петли гистерезиса необходимо для исключения неопределенности момента переключения компара­тора, т. е. предотвращения «дребезга». Если ширина петли гистерезиса превышает пико­вые флуктуации входного напряжения, то момент переключения компаратора будет строго определенный, без «дребезга».

Использование положительной обратной связи для получе­ния петли гистерезиса и увеличения коэффициента усиления с обратной связью особенно полезно, когда изменение входного на­пряжения происходит очень медленно вблизи уровня опорного напряжения. Если компаратор является частью большой системы управления с
обратной связью, то при отсутствии петли гистере­зиса могут возникать еще и осложнения, связанные с колебатель­ным характером выходного напряжения.

Рисунок 2.1 – Компаратор с гистерезисом

Введение гистерезиса в работу компаратора хотя и снижает точность, но делает его невосприимчивым к шумам. Гистерезис достигается включением более высокого опорного напряжения, когда Uвх изменяется от низкого к высокому уровню по срав­нению со значением Uоп, используемым, когда Uвх изменяется от высокого к низкому уровню. Высокое значение опорного на­пряжения называется напряжением верхней точки опрокидыва­ния (верхний порог срабатывания) Uвто, а низкое — напряже­нием нижней точки опрокидывания Uнто (нижний порог сра­батывания).

Рисунок 2.2 – Изменение входного и выходного напряжения во времени


Когда UвхНапряжение верхней точки опрокидывания при этом равно

Uвто = [R2 / (R1+R2)]( + Uнас ),

где: Uнас == (+Uвых) макс компаратора обычно на 1 В меньше, чем Uвых. Когда Uвх > Uвто, то выходное напряжение становится отрицательным и стремится к -Uнас, т. е. к максималь­ному отрицательному выходному напряжению компаратора.

Отрицательное выходное напряжение вызывает падение напря­жения на неинвертирующем входе до напряжения нижней точки опрокидывания

Uнто = [R2 / (R1+R2)] ( — Uнас )

Как показано на рисунке 2.2 компаратор не изменит своего состояния, пока Uвхнто. Благодаря гистерезису небольшие шумы во входном сигнале не вызовут изменения состояния компаратора. В случае, когда входной сигнал триггера Шмитта имеет синусоидальную форму рассматриваемая схема преобразовывает его в прямоугольную.

Т.к. компаратор является основной частью формирователя импульсов датчиков похода осей модуля МФДО, поэтому рассчитаем компоненты для схемы триггера Шмитта, приведенной на Рисунке 2.1:

Пусть гистерезис составляет 2В,

+ U = +15В, U = -15В

+Uнас = +14 В , -Uнас = -14 В

Так как гистерезис задан равным 2 В, то для данной схемы получаем

Uвто = Uнто и следовательно Uвто = 1 В, а Uнто = 1 В.

Пусть I R1 = I R2 = 0,1 мА;

Током смещения можно пренебречь, так как I R1 >> I см

В ре­зультате получаем

R1 = (|Uнас|- Uвто)/ I R1 = (14В — 1В) / 0,1 мА = 130 кОм

R2 = Uнто)/ I R2 = 1В / 0,1 мА = 10 кОм

Достарыңызбен бөлісу:

Расчет компаратора на операционном усилителе

   Простая схема триггера Шмитта на операционом усилителе имеет симметричные пороговые напряжения относительно нулевой точки и требует для своей работы двуполярное питание. Симметричные пороги ограничивают возможности применения схемы, а двуполярное питание подразумевает использование соответствующего источника, что неудобно, если схема триггера используется совместно с микроконтроллером, напряжение питания которого обычно 5 или 3,3 Вольта. 

   Существует еще одна схема триггера Шмитта на операционном усилителе, в которой используется однополярное питание и можно задавать отличающиеся друг от друга пороговые напряжения. О расчете такой схемы и пойдет речь в этой статье. 


   Рассматриваемая схема имеет два устойчивых состояния — когда на выходе операционного усилителя нулевое напряжение и когда на выходе положительное напряжение насыщения (+Usat).  Нам нужно разобраться, как рассчитать номиналы резисторов R1, R2 и R3 для произвольно задаваемых верхнего и нижнего порогов. 

   Принимая во внимание упрощения, используемые при анализе схем на операционных усилителях (бесконечное входное сопротивление и, соответственно, нулевые входные токи, нулевое выходное сопротивление , бесконечный коэффициент усиления без обратной связи, бесконечная полоса пропускания),  мы можем перерисовать схему триггера Шмитта,  заменив операционный усилитель источником напряжения. 

 

U1 — источник питания операционного усилителя. 

U2 — источник напряжения, имитирующий выход операционного усилителя. 

Напряжение между точками A и B — это входное напряжение операционного усилителя. 

 

Если воспользоваться методом узловых потенциалов, то можно определить значение этого напряжения. Оно будет равно:

 

Uab = (U1*g1 + U2*g3)/(g1 + g2 + g3)

 

где g1, g2, g3 — проводимости ветвей цепи. Проводимость — это величина обратная сопротивлению  g = 1/R, если ты не знал или забыл. Измеряется в сименсах.

 

Подробное рассмотрение метода узловых потенциалов выходит за рамки этой статьи, поэтому просто прими это выражение на веру. 

 

Используя приведеное выше выражение, запишем уравнения, определяющие пороги триггера Шмитта.  

 

при U2 = 0 

Uab = Ult = U1*g1 /(g1 + g2 + g3)

 

при U2 = +Usat

Uab = Uht = (U1*g1 + Usat*g3)/(g1 + g2 + g3)

 

Ult, Uht — нижнее и верхнее пороговые напряжения. Эти значения мы задаем. U1 и Usat — напряжение питания и насыщения соответственно. 

 

   Все, что теперь от нас требуется — решить эту систему из двух уравнений, задав значение одного из резисторов, например R3. Выполнить эти вычисления вручную несложно, но довольно муторно. Нужно выразить из первого уравнения g1, подставить это выражение во второе, выразить g2 через g3, а затем последовательно вычислить значения резисторов.

 

   Лично я предпочитаю использовать для расчета компаратора  Маткад. Он позволяет изменять любые параметры схемы и тут же  получать ответ. Это удобно, когда требуется подобрать значения резисторов соответствующих номинальному ряду, например Е24.

 

   Ниже приведен пример расчета компаратора на операционном усилителе. 

   Фактическое значение задается только для резистора R3, для резисторов R1 и R2 задаются только начальные значения. Сам маткадовский файл для расчета приведен в конце статьи.

 

 

   Несколько слов по поводу выбора номиналов резисторов. 

   Номиналы резисторов должны быть достаточно большими, чтобы не нагружать источник питания и выход операционного усилителя и достаточно маленькими, чтобы входное сопротивление реального операционного усилителя оказывало как можно меньшее влияние на наши расчеты. В схемах, которые мне доводилось применять, я обычно задавал сопротивление обратной связи от 10 до 100 кОм. Получаемые расчетные значения двух других резисторов были ~от 10 кОм до 2 МОм.

 

   Также не следует забывать, что все резисторы имеют разброс номинала и это в какой-то мере будет влиять на реальные значения пороговых напряжений.

 

   Ну вот собственно и все, что я хотел поведать по этой теме. Надеюсь материал пригодится начинающим электронщикам.  

Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Компараторы — название произошло от принципа работы – сравнения. Так функционируют приборы, производящие измерения способом сравнивания с эталоном: весы с одинаковыми плечами, электрические потенциометры.

По своей принципиальной работе компараторы делятся на механические, электрические и оптические. Приборы с механической конструкцией применяются для проверки конечных мер длины. Компараторы для таких целей впервые применены во Франции в 1792 году, об этом имеется информация в энциклопедиях. Такой компаратор на механической основе работал для поверки эталонного метра во время появления метрической системы Франции. Точность таких замеров компаратора рычагами доходила до 0,0005 мм. Это большая точность для того периода времени.

Наша задача рассмотреть компараторы, применяющиеся в современное время в электротехнике для напряжения.

Принцип работы и виды интегральных компараторов

Компараторы с двумя входами и одним выходом. Причем один из входов является прямым, а другой инверсным. На эти входы поступает напряжение, которые устройство сравнивает. В зависимости от этого сравнения на своем выходе устройство устанавливает либо логический ноль, когда напряжение на инверсном входе выше, чем на прямом, либо логическую 1, когда напряжение входа прямого выше, чем на инверсном.

На схеме видно стандартное обозначение компаратора. Компаратор сам по себе достаточно универсален и находит широкое применение в радиолюбительской деятельности. На основе компаратора можно собрать таймер, мультивибратор и даже драйвер для светодиодов.

При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:
  • Диапазон напряжения питания.
  • Диапазон входных напряжений.
  • Максимальный ток на выходе компаратора.
  • Тип выхода.

Не все компараторы могут установить плюс питания на выходе.

Данная схема построена на переменном резисторе 20 кОм, двух постоянных резисторов 10 кОм, которые образуют собой делитель напряжения на постоянных резисторах. Они подключены к инвертирующему входу. К нему же подключен делитель напряжения на переменном резисторе.

Выход компаратора представляет собой коллектор внутреннего транзистора, эмиттер которого подключен к земле. Этот транзистор либо подключает выход к земле, либо отключает его, поэтому плюса питания на выходе быть не может. Поэтому мы подтягиваем выход компаратора через резистор номиналом 1 кОм к плюсу питания.

Когда на неинвертирующем входе напряжение выше, чем на инвертирующем, транзистор закрывается. Добавленный нами резистор подтягивает к его к плюсу питания, вследствие чего светодиод загорается. Когда на неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем, то транзистор открывается и притягивает выход компаратора к земле, вследствие чего светодиод перестает светиться.

Если же на двух входах напряжение примерно одинаковое, то выход компаратора логично переключается из одного состояния в другое и обратно под воздействием внутренних и внешних помех. Для борьбы с помехами и четкого переключения компаратора из одного состояния в другое собираются схемы с гистерезисом.

Обозначения выводов выглядят следующим образом:

Первая ножка – это выход первого компаратора, вторая ножка – инвертирующий вход первого компаратора, третья – неинвертирующий вход первого компаратора, четвертая – земля, восьмая ножка – напряжение питания. Второй компаратор не используется. Выход подключен желтым проводом к подтягивающему резистору и к светодиоду, зеленый провод подключен к делителю напряжения на постоянных резисторах, белый провод подключен к средней ножке переменного резистора, который является делителем напряжения.

При измерении напряжения питания на делителе напряжения на постоянных резисторах 10 кОм. При включении схемы загорается красный светодиод. Включаем мультиметр для измерения постоянного напряжения диапазона до 20 В, подключим его ко второй ножке микросхемы. Показания напряжения 2,4 В. Это постоянные резисторы, делитель напряжения не будет изменять само напряжение. Так как переменный резистор установлен на неинвертирующем входе, то переключаемся на него. Показания 0,87 В. На неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем. Следовательно светодиод не горит.

При превышении напряжения выше 2,4 В светодиод начинает светиться. При воздействии внешних помех происходит хаотичное переключение выхода компаратора. Здесь может пригодиться схема гистерезиса.

Компараторы применяются в интегральном исполнении в качестве составных деталей микросхем. Интегральные таймеры имеют в составе два входных компаратора. Этим определяется особенность работы прибора. Микроконтроллеры производят со встроенными компараторами. Независимо от конструкции и схемы принцип действия прибора не отличается.

Новые компараторы похожи на операционные усилители, у них высокий усиливающий коэффициент, не имеют обратной связи, входы такого же типа.

Работа компаратора напряжения

В различных описаниях работы устройства приводятся примеры сравнения с рычажными весами. На одну сторону весов ложится гиря – эталон, на другую товар. Когда вес товара станет равным массе гири, или больше, то гири поднимаются вверх, на этом взвешивание окончено.

С работой компаратора напряжения происходит похожий процесс. Вместо гирь выступает опорное напряжение, вместо товара – сигнал входа. При возникновении логической единицы на выходе устройства происходит сравнение напряжений. Это называют «пороговой чувствительностью» компаратора.

Для тестирования устройства не нужно сложной схемы. Необходимо включить вольтметр на выход устройства, а на входы подключить напряжение, которое регулируется. При изменении входного напряжения на вольтметре будет видна работа компаратора.

Характеристики компараторов

При применении приборов нужно учесть характеристики, делящиеся на динамические и статические. Статические – это параметры установившегося режима. Это пороговая чувствительность. Она является наименьшей разностью сигналов входа. При ней возникает логический сигнал на выходе.

Некоторые компараторы оснащены выводами для смещающего напряжения, осуществляющего смещение характеристики передачи от идеального положения. Важным параметром является гистерезис, то есть разница напряжений входа. Он обусловлен обратной связью положительного значения, предназначенного для устранения «дребезга» сигнала выхода при переключении компаратора.

Устройство

Схема прибора довольно сложная, большая и не слишком понятная. Рассмотрим простую функциональную схему по рисунку.

Показан дифференциальный каскад входа, схема уровневого смещения, логика выхода. Дифференциальный каскад производит основное усиление сигнала разности. Устройством смещения осуществляется оптимальное состояние выхода. Это дает возможность выбрать тип логики для работы. Такая настройка производится подстроченным резистором на выводах «балансировки».

Компаратор с памятью и стробированием

Современные инновационные компараторы оснащены стробирующим входом. Это значит, что сравнение сигналов входа осуществляется только при подаче импульса. Это дает возможность сравнить сигналы входа в необходимый момент.

Простая схема структуры устройства со стробированием:

Устройства по рисунку с парафазным выходом, подобно триггеру – прямой верхний выход, нижний (кружок) – инверсный. С – стробирующий вход. На рисунке а) стробирование сигналов входа осуществляется по высокому уровню входа С. На обозначении входа С изображают знак инверсии маленьким кружком.

Рисунке б) стробирующий вход с чертой /. Это значит, что стробирование проходит по восходящему импульсу. Стробирующий сигнал – разрешение сравнения. Итог сравнения появляется на выходе при действии импульса стробирования. На некоторых устройствах есть память (с триггером). Они сохраняют результат до следующего импульса.

Время импульса стробирования (фронта) должно хватать для того, чтобы сигнал входа успевал проходить через дифференциальный каскад до срабатывания ячейки памяти. Использование стробирования повышает защиту от помех, так как помеха изменяет состояние устройства за время импульса.

Классификация

Компараторы делятся на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. В практической деятельности чаще применяются устройства общего применения.

Такие устройства имеют особенности и свойства, привлекающие к себе внимание. Они потребляют небольшую мощность, могут работать при малом напряжении питания. В одном корпусе можно разместить 4 устройства. Эта группа иногда дает возможность производить полезные устройства.

Это простой преобразователь сигнала в унитарный цифровой код, который можно преобразовать в двоичный, цифровым преобразованием. На схеме имеется 4 компаратора. Напряжение опорное подается на инвертирующие входы по делителю резистивного типа. При одинаковых резисторах на инвертирующих входах устройства напряжение будет равно n * Uоп / 4, n – номер устройства. Напряжение входа подается на неинвертирующие входы, которые соединены вместе.

В итоге сравнения напряжения входа с опорным, на компараторных выходах образуется цифровой унитарный код напряжения входа.

Похожие темы:

Лекция №13. Компаратор с гистерезисом

План лекции

1. Принцип работы компаратора при сравнении сигналов одной полярности.

2. Компаратор с гистерезисной характеристикой.

Принцип работы компаратора при сравнении сигналов одной полярности

Схема компаратора, поясняющая его работу при сравнении сигналов одной полярности, представлена на рис.98.

Рис. 98. Компаратор однополярных сигналов

Рис. 99. Временные диаграммы работы компаратора

В исходном состоянии, когда Uх = 0 состояние выхода компаратора определяется опорным напряжением. Оно здесь положительной полярности и подано на неинвертирующий вход, поэтому на выходе уровень логической единицы (U1).

При увеличении сигнала Uх, в данном случае положительной полярности, величина дифференциального сигнала, определяемая потенциалами точек А и Б: уменьшается и когда Uх станет больше или равно Uоп происходит смена полярности дифференциального сигнала и за счет большого Ku компаратор резко переключается. Если нужна противоположная характеристика преобразования, надо или поменять полярности Uх и Uоп, если это возможно, если нет, то надо поменять местами точки подключения Uх и Uоп.

Рассмотрим характеристику преобразования схемы с учетом неидеальности компаратора.

Для нахождения характеристики преобразования воспользуемся эквивалентной схемой:

Рис. 100. Эквивалентная схема компаратора однополярных сигналов

Эквивалентная схема приведена без учета синфазных сопротивлений.

Используя метод эквивалентных преобразований и принцип суперпозиции определим потенциалы точек А и Б и исходя из этого найдем характеристику преобразования.

,

(159)

,

(160)

.

(161)

После упрощений:

.

(162)

Решим последнее уравнение относительно :

.

(163)

Для компенсации ошибок, связанных со входными токами компаратора, обычно R1 = R2, тогда:

.

(164)

Второе слагаемое в этом выражении определяет систематическую ошибку данного компаратора от конечной величины входного сопротивления и коэффициента усиления.

Если если , , то получаем идеальную характеристику преобразования .

Ошибку, связанную с температурным дрейфом, наличием входных токов и напряжения смещения нуля можно определить из следующей эквивалентной схемы.

Рис. 101. Эквивалентная схема учета ошибок

Как видно, по физическому смыслу она полностью соответствует эквивалентной схеме компаратора, сравнивающего сигналы разной полярности. Поэтому конечное выражение для ошибки будет полностью совпадать.

Компаратор с гистерезисной характеристикой

Рассмотрим временную диаграмму работы компаратора (рис. 98) при сравнении сигналов одной полярности и оценим ее помехоустойчивость.

Рис. 102. Компаратор с гистерезисом

В исходном состоянии и состояние выхода определяется опорным напряжением. Оно здесь подается на неинвертирующий вход, поэтому на выходе будет напряжение логической единицы U1.

В

Рис. 103. К пояснению помехоустойчивости

момент и компаратор переключается.

Следующее переключение компаратора произойдет в момент , когда .

И следующее переключение в момент , когда .

Дальше, если бы входной сигнал менялся бы по пунктирной линии, переключений в схеме больше бы не происходило.

Однако, после момента времени t3 на входной сигнал наводится помеха и под воздействием этой помехи входной сигнал несколько раз пересекает линию Uоп, поэтому произойдет соответствующее число переключений.

Оценим, какова помехоустойчивость, и с какой точностью про

исходит сравнение. Для этого предположим, что компаратор имеет, например выход элемента ТТЛ. В элементах ТТЛ диапазон изменения выходного напряжения данного компаратора можно определить:

.

Это напряжение связано с дифференциальным сигналом следующим выражением: , тогда получим: , то есть сравнение сигнала происходит с очень большой точностью. Эта высокая точность, с одной стороны, является большим преимуществом интегральных компараторов напряжения, а с другой стороны большим недостатком, так как наличие во входном сигнале и опорном напряжении помех на уровне рассчитанных величин и менее (для других компараторов с более высоким коэффициентом усиления) будет приводить к ложным срабатываниям. Поэтому в этом случае для повышения помехоустойчивости, то есть для исключения ложных срабатываний, в работу компаратора вводят гистерезис.

Гистерезис достигается путем включения большого опорного напряжения, когда входной сигнал (аналоговый) меняется от меньшего значения к большему, по сравнению с опорным напряжением, когда входной сигнал меняется от большего значения к меньшему. Физически это реализуется в схеме путем введения положительной обратной связи по опорному сигналу, при этом большее значение опорного напряжения называется напряжением верхней точки срабатывания компаратора, в меньшее значение – напряжением нижней точки срабатывания.

Рассмотрим схему с гистерезисом (рис. 102).

Пусть в исходном состоянии Uх = 0 и состояние выхода определяется опорным напряжением. Оно здесь подается на неинвертирующий вход, поэтому на выходе будет напряжение логической единицы U1.

За счет этого высокого уровня выходного сигнала потенциал точки Б принимается значение напряжения верхней точки срабатывания:

.

(269)

Поэтому переключением за счет действия безынерционной положительной обратной связи поменяет свое значение потенциал точки Б и станет равным напряжению нижней точки срабатывания:

.

(270)

Поэтому следующее переключение произойдет в момент , когда ( – напряжение нижней точки срабатывания). Одновременно с этим переключение за счет действия положительной обратной связи потенциал точки Б примет значение напряжения верхней точки срабатывания. Поэтому следующее переключение схемы произойдет в момент времени , с одновременным изменением потенциала точки Б на напряжение нижней точки срабатывания. И, как видно, переключений больше не будет.

Таким образом, мы ввели некоторую зону нечувствительности к входному сигналу, тем самым, потеряв точность сравнения входного и опорного сигнала, но зато в целом повысили помехоустойчивость системы. Поэтому параметры зоны нечувствительности (ширину получаемой петли гистерезиса) необходимо рассчитывать с учетом конкретных уровней помех, чтобы существенно не влиять на точность сравнения.

Петлю гистерезиса можно определять по АПХ компаратора, то есть по зависимости Uвых = f(Uвх), где Uвх = Uх.

теперь первое переключение схемы произойдет в момент

, когда ( – напряжение верхней точки срабатывания), одновременно с этим

Рис. 103. Характеристика преобразования компаратора с гистерезисом

За счет того, что Uоп положительно и U1 – высокий уровень, то UБ равен напряжению верхней точки срабатывания. Поэтому пока входной сигнал не станет больше, чем напряжение верхней точки срабатывания, переключение компаратора не будет. После этого переключения UБ станет равен напряжению нижней точки срабатывания, поэтому при дальнейшем увеличении входного сигнала переключений больше не будет.

Если теперь начать уменьшать входной сигнал, то переключение произойдет, когда он достигнет значения напряжения нижней точки срабатывания. Одновременно с этим потенциал точки Б примет значение верхней точки срабатывания, поэтому при дальнейшем уменьшении Uх переключение больше происходить не будет.

Контрольные вопросы

1. Компаратор для сравнения сигналов одной полярности.

2. Компаратор с гистерезисом.

Компаратор с гистерезисом на LM358 в автомобиль.

Компаратор с гистерезисом на LM358 в автомобиль.

Схема и печатаная плата компаратора с гистерезисом на ОУ LM358 для авто с регурировкой в DipTrace.

Знакомый попросил сделать автоматическое отключение видео-регистратора или радар-детектора в автомобиле. Основная проблема в том, что он не хотел тянуть провод для определения включения зажигания. В лампе подсветки над лобовым стеклом присутствует питание постоянно. Он сам нашел даже схему на attiny, а я решил что хоть на мк это и просто, но не интересно 🙂

Выбор пал на ОУ LM358, так как валялись без дела и достаточно распространенный ОУ.

Схема включения самая обычная, но я в нее добавил, для более точной настройки пару потенциометров.

C1, C2 я установил для сглаживания питания.

Стабилитрон D3 на 6.8В (какой был, можно меньше). Чем больше R3 тем меньше будет потребление платки, но стабилитрон может перестать работать, нужно смотреть характеристики стабилитрона.

Так как включать устройство мне нужно примерно около 13В, то цепочка R7, R6, R9 должна обеспечивать возможность регулировки срабатывания компаратора. 6.8В это примерно половина от 13В.

Формула делителя напряжения U(вых) = U(вх) * R2 / (R1 + R2) = 13В * 11000 / 21000 = около 6.8В.

С3, С4 должны помочь сгладить скачки и не дать переключится компаратору от кратковременных скачков напряжения.

R4, R8, R5 обратная связь, обеспечивающая гистерезис. Формулу расчета с картинками легко найти в интернете. Я подобрал опытным путем номиналы R4 = 10k, R5 = 220k, и для регулировки гистерезиса установил R8 на 100k.

Так как в авто все вокруг это масса, то решение было принято рвать + цепь с помощью P-канального полевого транзистора. Я установил IRF9540N. На плате есть два вывода питания, на всякий случай. К одному из них я припаял понижающий преобразователь на 5В для питания видео-регистратора.

На коленке все работает, в авто пока не проверял.

https://www.instagram.com/p/CKn_b_SlJNC

При копировании материалов ссылка на https://terraideas.ru/ обязательна

Нестабильность компаратора отверждения с гистерезисом

О компараторах

ИС компаратора предназначены для сравнения напряжений, которые появляются на их входах, и для вывода напряжения, представляющего знак чистой разницы между ними. В схеме компаратора, если дифференциальное входное напряжение выше, чем входное напряжение смещения (V OS ), плюс требуемая повышающая передача, выходное напряжение изменяется до напряжения, представляющего логической 1. Фактически, можно подумать о компараторе. как однобитовый аналого-цифровой преобразователь.Помимо того, что они являются ключевыми компонентами аналого-цифровых преобразователей, компараторы также широко используются для определения уровня, двухпозиционного управления, схем восстановления тактовой частоты, оконных детекторов и триггеров Шмитта.

Операционные усилители (операционные усилители) могут использоваться — и часто используются — в качестве компараторов либо с разомкнутым контуром, либо в режиме высокого усиления, но лучший способ — использовать специальные интегральные схемы, оптимизированные для этой цели. Выходной каскад компаратора более гибок, чем у операционного усилителя .В операционных усилителях используются двухтактные выходы, которые обычно качаются как можно ближе к шинам питания, в то время как некоторые компараторы могут иметь выход с открытым коллектором с заземленным эмиттером. Это позволяет источнику повышающего напряжения для выходного каскада изменяться в широком диапазоне, позволяя компараторам взаимодействовать с различными семействами логики или схемами нагрузки. Пониженное значение подтягивающего резистора, обеспечивающее повышенный ток, приведет к повышению скорости переключения и помехоустойчивости, но за счет увеличения рассеиваемой мощности.Компараторы часто имеют защелку , которая позволяет стробировать вход в нужное время, и функцию выключения , которая экономит энергию, когда компаратор не нужен.

Созданные для максимально быстрого сравнения двух уровней за счет работы по существу «разомкнутого контура», компараторы обычно не имеют внутренних конденсаторов компенсации Миллера или схемы интеграции и поэтому имеют очень широкую полосу пропускания. Из-за этого компараторы обычно конфигурируются без отрицательной обратной связи (или с очень маленькими значениями, если желательно контролируемое высокое усиление).

Это отсутствие отрицательной обратной связи означает, что, в отличие от схем операционного усилителя, входное сопротивление не умножается на усиление контура. В результате входной ток изменяется при переключении компаратора. Следовательно, управляющее сопротивление, наряду с паразитными обратными связями, может играть ключевую роль в влиянии на стабильность схемы. В то время как отрицательная обратная связь имеет тенденцию удерживать усилители в пределах их линейной области, положительная обратная связь заставляет их насыщаться.

Какова роль гистерезиса?

Даже без реальной схемы обратной связи, емкостные паразиты с выхода на вход (обычно неинвертирующий вход) или соединение выходных токов с землей (к которой часто подключен неинвертирующий вход) могут привести к тому, что схема компаратора станет нестабильный.Защита узлов с высоким импедансом и уделение особого внимания компоновке и заземлению могут помочь свести к минимуму эти эффекты связи. Также полезно фиксация.

Но предотвратить нестабильность этими мерами не всегда возможно. Часто эффективным решением является использование положительной обратной связи для введения небольшого гистерезиса. Это имеет эффект разделения восходящей и нисходящей точек переключения, так что после начала перехода вход должен подвергнуться значительному изменению направления, прежде чем может произойти обратный переход.

При обработке медленно меняющихся сигналов даже с небольшим количеством наложенного шума компараторы имеют тенденцию создавать множественные выходные переходы или отражения, когда входной сигнал пересекает и повторно пересекает пороговую область (рисунок 1). Шумные сигналы могут возникать в любом приложении, особенно в промышленных условиях. Когда сигнал пересекает пороговую область, шум усиливается коэффициентом усиления разомкнутого контура, заставляя выходной сигнал кратковременно колебаться вперед и назад. Это неприемлемо для большинства приложений, но обычно можно исправить путем введения гистерезиса.

Рисунок 1. Шум вызывает множественные переходы.

Где использовать гистерезис

Помимо снижения шума компаратора, системный гистерезис используется для двухпозиционного управления, чтобы избежать слишком частого включения насосов, печей и двигателей. В простейших приложениях контроллер включает и выключает привод, когда системный параметр падает ниже или выше контрольной уставки. При гистерезисе привод остается включенным до тех пор, пока параметр не поднимется несколько выше заданного значения, переключается, а затем остается выключенным, пока параметр не упадет до значения ниже заданного значения.Уровни, при которых происходит переключение, называются верхним и нижним пороговыми напряжениями, V th и V tl . Примером гистерезиса заданного значения является домашний термостат, который использует некоторую форму компаратора для включения или выключения печи. Допущение гистерезиса для изменения температуры на несколько градусов сокращает ненужные циклы в достаточной степени для домашних условий. На рисунке 2 показана типовая схема компаратора IC, используемого для контроля температуры.

Рис. 2. Схема контроля температуры с эталоном / датчиком REF-02 и компаратором AD8561.При необходимости гистерезис вводится через резистор положительной обратной связи R4.

Проектирование схем компаратора с гистерезисом

Гистерезис применяется путем подачи на положительный вход небольшой части выходного напряжения (которое находится на верхнем или нижнем пределе). Это напряжение добавляет ко входу чувствительное к полярности смещение, увеличивая диапазон пороговых значений.

Выбрав компаратор, разработчик должен определить, использовать ли его в инвертирующей или неинвертирующей конфигурации, т.е.е., будет ли положительная перегрузка переключать выход на отрицательный или положительный предел. Некоторые компараторы имеют положительный и отрицательный выходы, что придает большую гибкость их использованию в системе. Гистерезис можно применить, подключив положительную входную клемму к отводу двухрезисторного делителя напряжения между положительным выходом и опорным источником; количество возвращаемого выходного напряжения зависит от соотношения сопротивлений. Это освобождает инвертирующий вход для прямого подключения входного сигнала, как показано на рисунке 2.

Если сигнал подается на неинвертирующий вход , его полное сопротивление источника должно быть достаточно низким, чтобы оказывать незначительное влияние на масштабирование входа или коэффициент гистерезиса. Чтобы получить максимальную производительность от устройства, гистерезис должен быть достаточно большим, чтобы преодолеть V OS (по всей рабочей температуре) плюс требуемый перегруз, как определено в таблице данных производителя. Увеличение перегрузки уменьшает задержку распространения детали.Требуемый уровень повышающей передачи увеличивается с увеличением температуры окружающей среды.

На рисунках 3 и 4 показано использование гистерезиса с двойным питанием. На рисунке 3 сигнал подается на инвертирующий вход. График зависимости выхода от входа показывает близость точки переключения. R2 обычно намного выше по сопротивлению, чем R1. Если бы R 2 было бесконечным, не было бы гистерезиса, и устройство переключилось бы на V ref . Гистерезис определяется выходными уровнями и отношением сопротивлений R 1 / (R 1 + R 2 ), а напряжение точки переключения немного смещено от V ref на коэффициент затухания R 2 / ( 1 + 2 ).

Рисунок 3. Компаратор, использующий инвертирующий вход, двойное питание.

На рисунке 4 сигнал подается на неинвертирующий вход через R1. Поскольку входной сигнал немного ослаблен, гистерезис будет немного больше, чем в случае инвертирования.

Рисунок 4. Компаратор, использующий неинвертирующий вход, двойное питание.

Если опорное напряжение находится посередине между высоким и низким выходными напряжениями компаратора (как в случае с симметричным источником питания и опорным заземлением), введение гистерезиса сместит верхний и нижний пороги на равные расстояния от опорного напряжения.Если опорный сигнал находится ближе к одному выходу, чем к другому, пороговые значения будут асимметрично размещены относительно опорного напряжения.

При работе компаратора с однополярным питанием возникает необходимость смещения опорного значения, чтобы схема работала полностью в пределах первого квадранта. На рисунке 5 показано, как этого можно достичь. Резисторный делитель (R2 и R1) создает положительное опорное напряжение, которое сравнивается с входным. Уравнения для расчета порогов постоянного тока показаны на рисунке.

Рисунок 5. Компараторы в режиме однополярного питания.

Размещение конденсатора на резисторе обратной связи в вышеуказанных конфигурациях приведет к появлению полюса в цепи обратной связи. Это имеет «запускающий» эффект увеличения гистерезиса на высоких частотах. Это может быть очень полезно, когда входной сигнал представляет собой относительно медленно меняющийся сигнал в присутствии высокочастотного шума. На частотах больше, чем f (p) = 1 / (2πC f R f ), гистерезис приближается к V th = V cc и V tl = 0 В.На частотах меньше f (p) пороговые напряжения остаются такими, как показано в уравнениях.

Для компараторов с дополнительными (Q и Q) выходами положительная обратная связь и, следовательно, гистерезис могут быть реализованы двумя способами. Это показано на рисунке 6. Преимущество рисунка 6b состоит в том, что положительное соотношение ввода-вывода может быть получено без загрузки источника сигнала.

Рисунок 6 Компараторы с дополнительным выходом. а. Выгруженная ссылка. б. Выгруженный ввод.

На рисунке 7 показана схема для сравнения биполярного сигнала с землей с использованием компонента с одним источником питания.

Рисунок 7. Компаратор с однополярным питанием и биполярным входом.

Переменные, влияющие на гистерезис

Напряжение смещения, входные токи смещения и конечный коэффициент усиления в линейной области компаратора ограничивают точность порогов переключения, V th и V tl . Входной ток смещения обычно не является проблемой, поскольку в большинстве приложений используются малые исходные резисторы, чтобы воспользоваться преимуществом высокой скорости компараторов. Хотя это снижает рассеиваемую мощность, высокое сопротивление источника увеличивает задержку распространения сигнала компаратора.Чтобы поддерживать требуемую пониженную передачу на низком уровне, смещение должно быть как можно меньшим. Усилители с разомкнутым контуром могут использоваться вместо компараторов, когда в конструкции требуются чрезвычайно низкие смещения.

На точность срабатывания (с гистерезисом) также влияет изменение от устройства к устройству V oh и V ol . Одно из возможных решений — использовать программируемую ссылку, но этот процесс может стать дорогостоящим и трудоемким. Лучшим способом, хотя и несколько громоздким, является использование схемы прецизионного зажима, чтобы удерживать выходной сигнал на фиксированном значении, когда оно становится высоким (рис. 8).

Рисунок 8. Схема прецизионных зажимов.

Заключение

Разработчики могут использовать гистерезис, чтобы избавить схемы компаратора от нестабильности из-за шума. Гистерезис надежен и может применяться предсказуемо с использованием небольшого количества положительной обратной связи.

Гистерезис компаратора — Circuit Cellar

Мы, наверное, все знакомы с компараторами. Типичная схема «инвертирующего» компаратора показана на рис. 1 . Резисторы R1 и R2 обеспечивают опорное напряжение на неинвертирующем входе, а входное напряжение Vin подается на инвертирующий вход.Большинство компараторов имеют выходы с открытым стоком, поэтому на выходе требуется подтягивающий резистор Rp. Резистор Rh обеспечивает гистерезис. Выход компаратора будет высоким, когда входное напряжение ниже, чем напряжение в узле, где встречаются R1, R2 и Rh.

РИСУНОК 1. Классический «инвертирующий» компаратор с гистерезисом. Входной импеданс высокий, поскольку вход подключен непосредственно к инвертирующему входу компаратора.

В отсутствие Rh это напряжение будет фиксироваться делителем, образованным R1 и R2.Когда входное напряжение действительно близко к этому напряжению, выход компаратора может колебаться между состояниями, особенно если есть какие-либо помехи на входе или напряжении питания. Не очень желательно. Решение состоит в том, чтобы ввести гистерезис через Rh. Когда Vin низкий, открытый сток компаратора будет иметь высокий импеданс, и выход будет повышен за счет Rp. Теперь Rp и Rh фактически параллельны R1, и напряжение на неинвертирующем входе будет немного выше, чем было без гистерезиса.Теперь, когда Vin высокий, на выходе компаратора устанавливается низкий уровень. Теперь Rh фактически включен параллельно R2, немного уменьшая напряжение на неинвертирующем входе по сравнению с тем, где оно было бы без гистерезиса.

График справа от Рисунок 1 показывает это графически — теперь у нас фактически есть два порога: более высокий, когда Vin превышает номинальный порог, и более низкий, когда он падает. Если мы сделаем гистерезис шире, чем шум, мы сможем устранить любое дребезжание или колебания при прохождении порога.Уравнения, описывающие два порога, приведены ниже.

Но что, если нам нужен «неинвертирующий» компаратор? Мы можем использовать схему, показанную на Рисунок 2 . Он имеет фиксированную ссылку на инвертирующем входе, полученную от делителя, образованного R1 и R2. Rin, Rh и Rp обеспечивают гистерезис.

РИСУНОК 2. Неинвертирующая версия имеет недостаток в том, что входной импеданс относительно низкий, и, что еще хуже, он изменяется в зависимости от состояния выхода компаратора. Любое сопротивление источника влияет на пороговые значения.

Формулы для этого немного сложнее вычислить.

Недостатком этой схемы по сравнению с «инвертирующей» версией является то, что входной импеданс ниже и изменяется в зависимости от состояния компаратора. Любое полное сопротивление источника будет составлять часть Rin и должно приниматься во внимание при вычислении гистерезиса. Беспорядочный.

Другой подход — использовать полевой МОП-транзистор, как показано на рис. 3 . Vin подается непосредственно на неинвертирующий вход компаратора, поэтому проблемы с сопротивлением исчезают.Когда входное напряжение низкое, выходное напряжение компаратора также низкое и полевой МОП-транзистор выключен. Порог переключения устанавливается делителем, образованным R1 и R2 + R3. Когда на входе высокий уровень, выход компаратора имеет высокий импеданс, и Rp включает полевой МОП-транзистор, удаляя R3 из цепочки делителя и уменьшая порог переключения.

РИСУНОК 3. Эта версия неинвертирующего компаратора устраняет проблемы, показанные на рисунке 2. Он имеет высокое фиксированное входное сопротивление, и на пороговые значения не влияет полное сопротивление источника.Это происходит за счет дополнительного полевого МОП-транзистора.

Уравнения для повышения и понижения пороговых значений легко выводятся.

Ссылки:

Кей, Артур и Тимоти Клейкомб. «Компаратор с гистерезисным эталонным дизайном». Texas Instruments, 2014. https://www.ti.com/lit/ug/tidu020a/tidu020a.pdf.

«Руководство по добавлению дополнительного гистерезиса к компараторам | Максим Интегрированный ». По состоянию на 18 сентября 2020 г. https://www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/app-notes/3/3616.html.

Эндрю Левидо ([email protected]) получил степень бакалавра в области электротехники в Сиднее, Австралия, в 1986 году. Прежде чем перейти на руководящие должности, он несколько лет работал в сфере НИОКР для компаний силовой электроники и телекоммуникаций. В свободное время Эндрю проявлял непосредственный интерес к электронике, особенно к встроенным системам, силовой электронике и теории управления. За эти годы он написал ряд статей для различных изданий по электронике и время от времени предоставляет консультационные услуги.

Спонсируйте эту статью

Руководство по добавлению дополнительного гиперезиса к компараторам

Аннотация: Аналоговые компараторы всегда находятся в тени своего более популярного собрата, вездесущего операционного усилителя. Разработчики могут использовать множество указаний по применению операционных усилителей, но не компараторов. Одним из следствий этой нехватки является то, что клиенты обращаются в службу поддержки Maxim за помощью при добавлении гистерезиса компаратора. В этом примечании объясняется, как добавить гистерезис к некоторым распространенным схемам компаратора, обеспечивая повышенную помехозащищенность и стабильность.

Обсуждение гистерезиса компаратора начинается с определения этого слова. Как и многие другие научные слова, оно происходит от греческого. В данном случае это означает отставание или следование, или сопротивление изменению от предыдущего состояния. Мы используем его в технике для описания несимметричной операции, т. Е. Ее путь от A к B не такой, как от B к A. Гистерезис обнаруживается в явлениях магнетизма и непластической деформации, а также в электронных схемах, таких как компараторы.

Гистерезис разработан в большинстве компараторов, обычно со значением от 5 мВ до 10 мВ. Внутренний гистерезис помогает компаратору избегать колебаний из-за небольшого количества паразитной обратной связи. Хотя этого достаточно для предотвращения автоколебаний компаратора, такой внутренний гистерезис может быть легко подавлен любым внешним шумом большей амплитуды. В этом случае вы можете улучшить производительность, добавив гистерезис извне.

Сначала рассмотрим передаточную функцию идеального компаратора без внутреннего гистерезиса (, рис. 1, ).Напротив, передаточная характеристика реального компаратора (, рис. 2, ) показывает изменение выходного сигнала, которое требует увеличения входного напряжения примерно на 2 мВ (V IN ).


Рисунок 1. Передаточная характеристика идеального компаратора.


Рисунок 2. Передаточная характеристика для практического компаратора.

Для операционных усилителей с разомкнутым контуром, которые часто используются в качестве компараторов, небольшое количество шума или помех в сочетании с входным сигналом может вызвать нежелательные быстрые изменения между двумя выходными состояниями (, рис. 3, ).Замена компаратора с гистерезисом может предотвратить быстрые изменения выходного сигнала и колебания. Или вы можете создать внешний гистерезис, подав положительную обратную связь на компаратор. Поскольку положительная обратная связь гарантирует быстрый переход выхода из одного состояния в другое, выход компаратора проводит незначительное количество времени в неопределенном состоянии.


Рисунок 3. Неопределенные и быстро меняющиеся выходы компараторов без гистерезиса.

В качестве примера рассмотрим простую схему на рис. 4 с передаточной характеристикой, показанной на рис. 5 , с линейным нарастанием напряжения, начинающимся с нуля, поданным на инвертирующий вход компаратора.Резисторный делитель R1-R2 обеспечивает положительную обратную связь. Когда входной сигнал начинает увеличиваться с точки 1 (, рис. 6, ), выход находится на уровне V CC и остается на нем до тех пор, пока входной сигнал не преодолеет положительный порог: V TH + = V CC R2 / (R1 + R2). В этот момент выходной сигнал резко меняется с V CC на V SS , потому что инвертирующий вход более положительный, чем неинвертирующий вход. Выход остается низким до тех пор, пока вход не превысит новый порог в точке 5: V TH- = V SS R2 / (R1 + R2).В это время выход немедленно переключается на V CC , потому что положительный (неинвертирующий) вход имеет более высокий потенциал, чем инвертирующий.


Рисунок 4. Простая схема с гистерезисом.


Рисунок 5. Передаточная характеристика для схемы на Рисунке 4.


Рисунок 6. Формы входных / выходных сигналов для схемы на Рисунке 4.

Передаточная функция V OUT по сравнению с V IN для схемы на Рисунке 4 показывает, что выход изменяется в ответ на изменение входа не менее 2V TH .Таким образом, в отличие от реакции на Рисунке 3 (операционный усилитель без гистерезиса), любое небольшое количество шума или помех менее 2 В TH не может вызвать быстрое изменение выходного сигнала. Для конкретного приложения положительные и отрицательные пороговые напряжения могут быть установлены на желаемые значения с помощью подходящего выбора цепи обратной связи.

Доступны другие конфигурации для добавления гистерезиса с различными пороговыми напряжениями. Схема на рис. 7 использует два полевых МОП-транзистора и цепь резисторов для регулировки или смещения порогового уровня в любом направлении.В отличие от выхода компаратора на Рисунке 4, этот не загружен цепью резисторов обратной связи. Выход реагирует на изменения входа, как показано на Рисунок 8 .


Рисунок 7. Добавление гистерезиса с использованием внешних полевых МОП-транзисторов и резисторов.


Рис. 8. Формы сигналов на входе / выходе для схемы на рис. 7.

Для различных внутренних конфигураций выхода компаратора требуются разные реализации внешнего гистерезиса.Например, в компараторах с внутренними двухтактными выходами можно использовать резистор с положительной обратной связью непосредственно между выходом и неинвертирующим входом. Схема резисторного делителя подает входной сигнал на неинвертирующий вход компаратора, а инвертирующий вход фиксируется на некотором опорном уровне (, рис. 9, ).


Рис. 9. Добавление гистерезиса к компаратору с двухтактным выходом.

Как уже отмечалось, компаратор с внутренним гистерезисом представляет одну точку срабатывания для возрастающего входного напряжения (V THR ) и одну для падающего входного напряжения (V THF ), что соответствует V Th2 и V Th3. на рисунке 8.Разница между этими точками срабатывания — диапазон гистерезиса (V HB ). Когда входные напряжения компаратора равны, гистерезис заставляет один вход быстро перемещаться мимо другого, тем самым удаляя входные напряжения из области, где возникают колебания. На рисунке 10 показано поведение компаратора с фиксированным напряжением, подаваемым на инвертирующий вход, и изменяющимся напряжением, подаваемым на неинвертирующий вход. (Замена входов дает аналогичную фигуру, но с инвертированным выходом.)


Рисунок 10. Формы входных / выходных сигналов для схемы на Рисунке 9.

Значения резисторов для цепи делителя обратной связи основаны на простых расчетах двух известных случаев, когда выход находится на одном пределе или другой (две направляющие).

Рассмотрим компаратор с внутренним гистерезисом 4 мВ и конфигурацией двухтактного выхода, такой как Maxim MAX9015, MAX9017 и MAX9019. Эти компараторы предназначены для систем с однополярным питанием, в которых две шины — V CC и 0V.Следующая процедура позволяет выбрать или рассчитать компоненты на основе требований и заданных данных, таких как напряжение на шине питания, напряжение полосы гистерезиса (В HB ) и опорное напряжение (В REF ):

Шаг 1.

Выберите R3. Ток через R3 в точке срабатывания равен (V REF — V OUT ) / R3. Рассмотрение двух возможных выходных состояний при решении для R3 дает две формулы:
R3 = V REF / IR3 и R3 = (V CC — V REF ) / IR3.
Выберите меньшее из двух результирующих значений резистора. Например, для V CC = 5 В, IR3 = 0,2 мкА и компаратора MAX9117 (V REF = 1,24 В) значения двух резисторов равны 6,2 МОм и 19 МОм. Поэтому для R3 следует выбрать стандартное значение 6,2 МОм.

Шаг 2.

Выберите необходимый диапазон гистерезиса (V HB ). В этом примере выберите 50 мВ.

Шаг 3.

Рассчитайте R1 по следующей формуле:
В этом примере вставьте значение

Шаг 4.

Выберите точку срабатывания для подъема V IN (V THR ) так, чтобы:

Это пороговое напряжение, при котором компаратор переключает свой выход с низкого на высокий, когда V IN поднимается выше точки срабатывания. В этом примере выберите V THR = 3V.

Шаг 5.

Рассчитайте R2 следующим образом:

В этом примере выберите стандартное значение 44,2 кОм.

Шаг 6.

Проверьте напряжения отключения и гистерезис следующим образом: V IN нарастание = 2.992V, что эквивалентно REF V, умноженному на R1, разделенному на параллельную комбинацию R1, R2 и R3:

V IN падение = 2.942V. Следовательно, гистерезис = V THR — V THF = 50 мВ.

Наконец, компараторы с выходами с открытым стоком и встроенной полосой гистерезиса 4 мВ (MAX9016, MAX9018, MAX9020) требуют внешнего подтягивающего резистора ( Рисунок 11 ). Дополнительный гистерезис можно создать с помощью положительной обратной связи, но формулы немного отличаются от формул для двухтактных выходов.Гистерезис = V THR — V THF = 50 мВ. Используйте следующую процедуру для расчета номиналов резисторов:

Шаг 1.

Выберите R3. Входной ток смещения на IN_ + меньше 2 нА, поэтому для минимизации ошибок, вызванных входным током смещения, ток через R3 должен быть не менее 0,2 мкА. Ток через R3 в точке срабатывания равен (V REF — V OUT ) / R3. Рассмотрение двух возможных выходных состояний при решении для R3 дает две формулы:
R3 = V REF / IR3 и R3 = [(V CC — V REF ) / IR3] — R4.
Используйте меньшее из двух результирующих значений резистора. Например, для V CC = 5 В, IR3 = 0,2 мкА, R4 = 1 МОм и компаратора MAX9118 (В REF = 1,24 В) значения двух резисторов составляют 6,2 МОм и 18 МОм. Поэтому для R3 выберите стандартное значение 6,2 МОм.

Шаг 2.

Выберите необходимый диапазон гистерезиса (V HB ).

Шаг 3.

Рассчитайте R1 по следующей формуле:

В этом примере вставьте значение

Шаг 4.

Выберите точку срабатывания для увеличения V IN (V THR ) так, чтобы

V THR — это пороговое напряжение, при котором компаратор переключает свой выход с низкого на высокий, поскольку V IN поднимается выше точки срабатывания.В этом примере выберите V THR = 3V.

Шаг 5.

Рассчитайте R2 следующим образом:

В этом примере выберите стандартное значение 49,9 кОм.

Шаг 6.

Проверьте напряжения отключения и гистерезис следующим образом:


Рисунок 11. Добавление гистерезиса к компаратору с выходом с открытым стоком.

Гистерезис операционного усилителя — расчеты и соображения проектирования

В большинстве схем автоматического зарядного устройства в этом блоге вы могли видеть операционный усилитель с функцией гистерезиса, включенной для некоторых важных функций.В следующей статье объясняется значение и методы проектирования функции гистерезиса в схемах операционных усилителей.

Чтобы точно узнать, что такое гистерезис, вы можете обратиться к этой статье, в которой гистерезис объясняется на примере реле

Принцип работы

На рисунке 2 показана обычная конструкция компаратора без использования гистерезиса. Эта схема работает с использованием делителя напряжения (Rx и Ry) для установления минимального порогового напряжения.

Компаратор будет оценивать и сравнивать входной сигнал или напряжение (Vln) с установленным пороговым напряжением (Vth).

Входное питающее напряжение компаратора, которое необходимо сравнить, подключено к инвертирующему входу, в результате выход будет иметь инвертированную полярность.

Каждый раз, когда Vin> Vth, выход должен приближаться к отрицательному напряжению питания (GND или низкий логический уровень для показанной схемы). и когда Vln

Это простое решение позволяет вам решить, превышает ли истинный сигнал, например, температуру, заданный решающий пороговый предел.

Даже в этом случае использование этой техники может вызвать затруднения. Помехи входному сигналу подачи потенциально могут вызвать переключение входа выше и ниже установленного порога, вызывая противоречивые или колеблющиеся выходные результаты.

Компаратор без гистерезиса

На рисунке 3 показан выходной отклик компаратора без гистерезиса с изменяющейся структурой входного напряжения.

В то время как напряжение входного сигнала достигает установленного предела (по сети делителя напряжения) (Vth = 2,5 В), оно регулируется как выше, так и ниже минимального порога в ряде случаев.

В результате выход тоже колеблется в соответствии с входом. В реальных схемах этот нестабильный выход может легко вызвать нежелательные проблемы.

В качестве иллюстрации представьте, что входной сигнал — это температурный параметр, а выходной отклик — это критически важное приложение, основанное на температуре, которое интерпретируется микроконтроллером.

Колебательный отклик выходного сигнала может не передавать достоверную информацию микроконтроллеру и может приводить к «сбивающим с толку» результатам для микроконтроллера на критических пороговых уровнях.

Кроме того, представьте, что выход компаратора необходим для работы двигателя или клапана. Это непоследовательное переключение во время пороговых значений может привести к многократному включению / выключению клапана или двигателя в критических пороговых ситуациях. включают гистерезис, который, в свою очередь, полностью устраняет нестабильный выходной сигнал во время переключения пороговых значений.

Гистерезис использует несколько различных пределов порогового напряжения, чтобы избежать флуктуирующих переходов, как показано в обсуждаемой схеме.

Подача входного сигнала должна превышать верхний порог (VH) для переключения низкого выхода или ниже нижнего установленного порогового значения (VL) для переключения на высокий выход.

Компаратор с гистерезисом

На рисунке 4 показан гистерезис компаратора. Резистор Rh фиксируется на уровне порога гистерезиса.

Каждый раз, когда на выходе высокий логический уровень (5 В), Rh остается параллельно с Rx. Это подталкивает дополнительный ток к Ry, повышая пороговое предельное напряжение (VH) до 2,7 В. Входной сигнал, вероятно, должен будет превышать VH = 2,7 В, чтобы выходной сигнал сместился до низкого логического уровня (0 В).

Пока на выходе низкий логический уровень (0 В), Rh устанавливается параллельно Ry. Это снижает ток Ry, снижая пороговое напряжение до 2,3 В. Входной сигнал должен быть ниже VL = 2,3 В, чтобы установить на выходе высокий логический уровень (5 В).

Выход компаратора с переменным входом

На рисунке 5 показан выход компаратора с гистерезисом и колеблющимся входным напряжением. Предполагается, что уровень входного сигнала переместится за верхний предел порога (VH = 2,7 В), чтобы выход операционного усилителя упал до низкого логического уровня (0 В).

Кроме того, уровень входного сигнала должен опускаться ниже нижнего порога, чтобы выход операционного усилителя плавно поднялся до высокого логического уровня (5 В).

Помехой в этом примере можно пренебречь, и поэтому ее можно игнорировать благодаря гистерезису.

Но, сказав это, в случаях, когда уровни входного сигнала были выше расчетного диапазона гистерезиса (2,7–2,3 В), это могло привести к генерации дополнительных флуктуирующих переходных характеристик выходного сигнала.

Чтобы исправить это, настройку диапазона гистерезиса необходимо расширить в достаточной степени, чтобы исключить наведенные помехи в данной конкретной модели схемы.

Раздел 2.1 предоставляет вам решение для определения компонентов для установки пороговых значений в соответствии с выбранными вами требованиями приложения.

Конструкция компаратора гистерезиса

Уравнения (1) и (2) могут помочь при выборе резисторов, которые должны создавать пороговые напряжения гистерезиса VH и VL. Требуется произвольно выбрать одно значение (RX).

На этом рисунке RX был определен на 100 кОм, чтобы помочь уменьшить потребление тока. Rh был вычислен равным 575k, соответственно было реализовано непосредственное стандартное значение 576k. Подтверждение для уравнений (1) и (2) представлено в Приложении A.

Rh / Rx = VL / VH — VL

Обсуждение гистерезиса на практическом примере

Мы возьмем пример схемы зарядного устройства IC 741 и узнаем, как резистор гистерезиса обратной связи позволяет пользователю установить полное отключение заряда выключение и восстановление низкого заряда реле за исключением некоторой разницы напряжений. Если бы гистерезис не был введен, реле бы быстро выключилось на уровне отключения, вызывая серьезную проблему с системой.

Вопрос был задан одним из преданных читателей этого блога Mr.Майк.

Почему используется эталонный стабилитрон

Вопрос:

1) Привет, эта схема очень гениальна!

Но у меня есть вопросы по операционным усилителям компаратора;

Почему для опорного напряжения используются 4,7 стабилитрона? Если мы не хотим, чтобы 12 вольт опускались ниже 11 для разряда, почему такое низкое значение стабилитрона?

Подходит ли резистор обратной связи к точке виртуальной земли резистором 100 кОм? Если да, то почему было выбрано это значение?

Спасибо за любую помощь!

2) Также прошу прощения, забыл, почему там 4.7 стабилитронов в базах транзисторов BC 547?

3) Также мой последний вопрос на сегодня по этой схеме. Светодиоды индикации красный / зеленый; как они загораются? Я имею в виду, что красный светодиод подключается через резистор к верхней шине +, подключается к выходу OPAMP, а затем идет вниз последовательно к зеленому светодиоду.

Казалось бы, они оба должны быть включены одновременно, поскольку они включены последовательно в обеих цепях.

Это как-то связано с цепью обратной связи и виртуальной землей? О, я думаю, что смогу увидеть.Итак, когда OPAMP выключен, верхний красный светодиод

Ток проходит через резистор обратной связи (таким образом, он включен) к виртуальной точке заземления? Но как его выключить, когда у OPAMP есть выход? Когда OP AMP получает выходной сигнал, я вижу, что он опускается до зеленого светодиода, но как в этом состоянии красный светодиод затем выключается?

Еще раз спасибо за любую помощь!

My Reply

4.7 не является фиксированным значением, его также можно изменить на другие значения, предустановка контакта № 3 в конечном итоге регулирует и калибрует порог в соответствии со значением селектора стабилитрона.

Вопрос

Значит, опорное напряжение стабилитрона правильно на контакте 2 (операционный усилитель, вид сверху)? Резистор обратной связи 100 кОм и потенциометр создают значение гистерезиса (что означает, что разница между контактами 2 и 3 заставляет операционный усилитель размахиваться до своего напряжения + шины)?

Операционный усилитель в этой конфигурации всегда пытается заставить контакты 2 и 3 прийти к одному и тому же значению через резистор обратной связи, правильно (ноль, так как делитель обратной связи @ 0, а контакт 3 @ земля)?

Я видел этот контроллер солнечного зарядного устройства без обратной связи, просто с использованием нескольких операционных усилителей с контактами опорного напряжения и потенциометром на другом.

Я просто пытаюсь понять, как работает гистерезис в этом случае. Я не понимаю математику в этой схеме. Является ли предустановленная обратная связь 100k 10k абсолютно необходимой?

В других схемах операционных усилителей они не используют никакой обратной связи, просто используйте их в режиме конфигурации компаратора с опорным напряжением на инвертированном / неинвертированном выводе, и когда оно превышено, операционный усилитель переключается на напряжение своей шины

делает? Я понимаю формулу усиления операционного усилителя, в данном случае это 100 кОм / 10 кОм разность напряжений от значения напряжения POT (заданное) и 4.7 зенеров?

Или это тип триггера Шмидта гистерезисной цепи UTP LTP

Я все еще не получаю обратную связь с 100k / 10k; большинство компараторов операционных усилителей, которые я видел, просто используют операционные усилители в режиме насыщения, не могли бы вы объяснить, почему для этого используются обратная связь и усиление?

Хорошо, я дурак; предустановка 10K используется для разделения напряжения на шине 12 вольт, верно? Итак, когда его предустановленное значение по данным стеклоочистителя POT больше? чем стабилитрон 4,7В, качаем операционный усилитель высоко? до сих пор не получается 100 кОм и почему он используется в схеме компаратора

Почему используется резистор обратной связи

Мой ответ

Пожалуйста, обратитесь к приведенному выше иллюстративному рисунку, чтобы понять, как резистор обратной связи работает в схеме операционного усилителя Вы уверены, что знаете, как работают делители напряжения? Как только будет обнаружен полный порог заряда

, в соответствии с настройкой предустановки контакта №3, напряжение на контакте №3 становится чуть выше, чем напряжение стабилитрона на контакте №2, это заставляет выход операционного усилителя качаться до уровня питания от его предыдущий ноль вольт…. это означает, что он мгновенно меняется с 0 до 14 В.

В этой ситуации мы можем предположить, что теперь обратная связь подключена между «положительным питанием» и контактом № 3 … когда это происходит, резистор обратной связи начинает подавать эти 14 В на контакт № 3, что означает, что он дополнительно усиливает заданное напряжение и добавляет несколько дополнительных вольт в зависимости от значения его сопротивления, технически это означает, что эта обратная связь становится параллельной с предварительно установленным резистором, который установлен между его центральным плечом и положительным плечом.

Итак, предположим, что во время перехода штифт № 3 был 4.8 В, и это переключило выход на уровень питания и позволило питанию вернуться к контакту № 3 через резистор обратной связи, что привело к тому, что контакт № 3 стал немного выше, скажем, на 5 В … из-за этого контакта № 3. Для возврата напряжения ниже уровня значения стабилитрона 4,7 В потребуется больше времени, поскольку оно было повышено до 5 В … это называется гистерезисом.

Оба светодиода никогда не загорятся, потому что их переход подключен к контакту №6 операционного усилителя, который будет либо на 0 В, либо на напряжении питания, что гарантирует, что загорится красный или зеленый светодиод, но никогда вместе.

Что такое гистерезис

Вопрос

Спасибо за ответы на все мои вопросы, особенно вопрос об обратной связи, который кажется немного продвинутой конфигурацией, поэтому для меня это новшество: эта опция схемы уставки низкого напряжения также будет работать; 14 В на неинвертированном, 12 В стабилитроне на инвертированном опорном выводе.

Как только на шине 14 В пост. Тока упадет до 12, сработает выход операционного усилителя. Это активирует низковольтную часть цепи. В вашем случае потенциометр на 10 кОм просто «регулирует», «делит» или приводит шину 14 вольт к напряжению, близкому к 4.7zener? Вы все еще контролируете 14 В постоянного тока.

Я имею в виду, что когда он выйдет на 11 В постоянного тока и т. Д., Вам понадобится коэффициент, который будет сильно качать операционный усилитель. если вы замените 4,7 другим значением стабилитрона, делитель потенциометра установит новое соотношение, но потенциометр все еще «следует» или находится в соотношении с шиной 14 В постоянного тока? Вместо того, чтобы подавать 14 В постоянного тока на один вывод операционного усилителя, вы пропускаете его через делитель, но соотношение все еще контролирует небольшое падение с, скажем, 14 В постоянного тока до 11 В постоянного тока через потенциометр 10 кОм, которое упадет до 4,7 В?

Я просто пытаюсь понять, как схема замыкает «разброс» от 11 В постоянного тока (где мы хотим, чтобы было заданное значение низкого напряжения) и опорного напряжения, равного 4.7 в постоянного тока. большинство схем компаратора, которые я видел, имеют только ref vdc на выводе 2, например 6 VDC. и напряжение на шине, скажем, 12 В постоянного тока. Затем горшок устанавливает делитель с этой шины на 12 В постоянного тока, понижая, скажем, до 6 В постоянного тока через среднюю точку делителя. Как только напряжение на контакте 3 приближается к опорному 6 В постоянного тока на контакте 2, операционный усилитель качается в соответствии с его конфигурацией (инвертировать или не инвертировать)

Возможно, я ошибаюсь здесь — в других схемах, на которые я смотрел , предполагается, что напряжение на шине жесткое, но в этом случае оно упадет. Это падение (с 14 до 11 В постоянного тока) нарушает коэффициент делителя напряжения 10 кОм?

И вы используете это соотношение для ссылки на 4.7 зенеров? поэтому, если у вас есть потенциометр 10K в его среднем положении 5 k, этот делитель установит 14VDC на 7 VDC (R2 / R1 + R2), если шина 14 перейдет в 11 VDC, среднее положение делителя теперь равно 5,5, поэтому он зависит от того, где находится дворник, я начинаю его получать?

Мы просто регулируем дворник, пока 4,7 не будет в соотношении с делителем напряжения и желаемым падением напряжения на шине?

, значит, эта схема использует принципы обычного компаратора операционных усилителей, но с дополнительным эффектом гистерезиса для управления уставкой низкого напряжения?

Мой ответ

Да, вы все правильно поняли.

Стабилитрон 12 В также будет работать, но это приведет к переключению операционного усилителя между 12 В и 12,2 В, система обратной связи позволяет оператору переключаться между 11 В и 14 В, что является основным преимуществом использования резистора гистерезиса обратной связи.

Точно так же в моем случае, если бы резистор обратной связи был удален, операционный усилитель начал бы часто колебаться между уровнем отсечки 14,4 В и уровнем возврата 14,2 В. потому что в соответствии с настройкой предустановки 10K операционный усилитель отключится при 14,4 В, и как только напряжение батареи упадет на несколько милливольт, операционный усилитель снова выключится, и это будет продолжаться непрерывно, вызывая постоянное включение / выключение переключение реле.

Однако вышеупомянутая ситуация была бы хорошей, если бы не использовалось реле, а использовался транзистор.

Вопрос

Обычно то, что я вижу в компараторах, — это фиксированное напряжение, как у вас на контакте 2, обычно через делитель напряжения или стабилитрон и т. Д., Затем на контакте 3 переменное напряжение от источника — потенциометра — заземления конфигурации с дворником ( pot) посередине, и стеклоочиститель найдет заданное значение на контакте 2.

В вашем случае фиксированное напряжение стабилитрона 4,7 и поверните операционный усилитель примерно к его направляющим, в соответствии с его конфигурацией. установлен на 14.4 вольта? Тогда что же должно отключать стабилитрон 4,7? Я не понимаю совпадения?

Как установить пороговые значения срабатывания

My Reply

мы сначала устанавливаем верхний порог отключения через потенциометр, подавая 14,4 В от источника переменного тока с отключенным резистором обратной связи.

После того, как указанное выше установлено, мы подключаем правильно выбранный гистерезисный резистор в слот, а затем начинаем снижать напряжение, пока не обнаружим, что операционный усилитель отключается при желаемом более низком значении, например, 11 В.

это идеально настраивает схему.

ТЕПЕРЬ, прежде чем подтвердить это на практике, мы убеждаемся, что сначала подключен аккумулятор, а затем включено питание.

это важно, чтобы источник питания мог снижаться из-за уровня заряда батареи и начинать с уровня, который точно равен уровню разряда батареи.

вот и все, после этого все идет гладко, операционный усилитель следует шаблону отключения, установленному пользователем.

Еще одна важная вещь заключается в том, что ток источника питания должен составлять примерно 1/10 от батареи AH, чтобы источник питания мог легко снижаться из-за уровня заряда батареи на начальном этапе.

Вопрос

Да, я подумал и без гистерезиса не получится. Если я поставлю стабилитрон 7 на вывод 2, установлю Vin @ вывод 3 через делитель напряжения 5k на 7 вольт и разряженную батарею в цепи, как только батарея будет заряжена до 14 вольт, реле упадет и втяните нагрузку, но нагрузка сразу упадет на 7 в горшке, так что реле выпадет. Без гистерезиса теперь я понимаю, почему бы мне не работать, спасибо

My Reply

Даже без нагрузки аккумулятор никогда не будет цепляться за 14.Ограничение 4 В и мгновенно попытается стабилизироваться до 12,9 или 13 В.

Когда операционный усилитель переключается на (+), он становится таким же хорошим, как и шина питания, что означает, что резистор обратной связи подключается к шине питания, что дополнительно означает, что на контакт № 3 дополнительно подается отдельное параллельное напряжение. к заданному сопротивлению верхней секции, соединенной с питающей шиной.

Это добавленное напряжение от обратной связи заставляет вывод 3 повышаться с 4,7 В до 5 В … это изменяет расчет для контакта 3/2 и заставляет операционный усилитель оставаться в фиксированном состоянии, пока 5 В не упадет ниже 4.7 В, что происходит только тогда, когда напряжение батареи упало до 11 В … без этого операционный усилитель постоянно переключался бы между 14,4 В и 14,2 В

Что такое полное напряжение зарядки и гистерезис

Следующее обсуждение говорит нам о том, что напряжение полного заряда для свинцово-кислотных аккумуляторов и значение гистерезиса в системах зарядки аккумуляторов. Вопросы задавал г-н Гириш

Обсуждение параметров зарядки аккумулятора
У меня есть пара вопросов, которые заставляют меня почесать голову:
1) Какое полное напряжение аккумулятора для стандартной свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, при каком напряжении требуется аккумулятор. отключить от зарядного устройства.Каким должно быть напряжение холостого хода свинцово-кислотного аккумулятора.
2) Резистор гистерезиса имеет решающее значение в схеме компаратора? без него он будет нормально работать? Я погуглил и нашел много запутанных ответов. Надеюсь, ты сможешь ответить. Реализуются проекты.
С уважением.

Отсечка полного заряда и гистерезис
Hi Girish,
1) Для свинцово-кислотных аккумуляторов на 12 В полный заряд от источника питания составляет 14,3 В (предел отсечки), плавающий заряд может быть самым низким значением тока при этом напряжение, которое предотвращает саморазряд батареи, а также предотвращает чрезмерную зарядку батареи.

Как показывает практика, этот ток может составлять около 70 Ач / 70, что в 50-100 раз меньше, чем номинал батареи в Ач.
Гистерезис требуется в операционных усилителях, чтобы они не создавали флуктуирующий выходной сигнал (ВКЛ / ВЫКЛ) в ответ на флуктуирующий входной сигнал, который контролируется операционным усилителем.

Например, если операционный усилитель без функции гистерезиса настроен для отслеживания ситуации избыточного заряда в системе зарядки аккумулятора, то при полном уровне заряда, как только он отключит подачу заряда на аккумулятор, аккумулятор покажет тенденцию к понизьте его напряжение и попытайтесь установить его в положение с более низким напряжением.

Вы можете сравнить это с закачкой воздуха внутри трубки, пока давление накачки остается, воздух внутри трубки удерживается, но как только прокачка прекращается, трубка начинает медленно спускаться… То же самое происходит с батареей.

Когда это происходит, входное задание операционного усилителя восстанавливается, и его выходу предлагается снова включить зарядку, что снова подталкивает напряжение батареи к более высокому порогу отключения, и цикл повторяется ……. это действие вызывает быстрое переключение выхода операционного усилителя при пороге полной зарядки.Это условие обычно не рекомендуется в любой системе компаратора, управляемой операционным усилителем, и это может вызвать дребезг реле.

Чтобы предотвратить это, мы добавляем гистерезисный резистор между выходным контактом и измерительным контактом операционного усилителя, чтобы на пределе отсечки операционный усилитель отключал свой выход и фиксировался в этом положении, и до тех пор, пока датчик входной сигнал действительно упал до небезопасного нижнего предела (при котором гистерезис усилителя не может удерживать защелку), операционный усилитель затем снова включается.

Загрузите исходный контент здесь:

https://www.homemade-circuits.com/wp-content/uploads/2021/03/op-amp-hysteresis-calculations.pdf

Если у вас есть еще сомнения Что касается напряжения полной зарядки для свинцово-кислотных аккумуляторов и значения гистерезиса в системах зарядки аккумуляторов, не стесняйтесь сообщать о них в комментариях.

7.5: Компараторы — Разработка LibreTexts

Простой компаратор на операционном усилителе без обратной связи обсуждался в главе 2.Хотя эта схема является функциональной, это не последнее слово о компараторах. Он страдает двумя недостатками: (1) он не очень быстрый и (2) не использует гистерезис. Гистерезис обеспечивает запас прочности и «убирает» переходы переключения. Наличие у компаратора гистерезиса означает, что его задание зависит от его выходного состояния. Например, для положительного перехода опорное значение может составлять 2 В, а для отрицательного перехода опорное значение может составлять 1 В. Этот эффект может значительно улучшить производительность при использовании с шумными входами.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Скачок ложного выключения.

Посмотрите на зашумленный сигнал на рисунке \ (\ PageIndex {1} \). Если этот сигнал подать на простой компаратор, шум вызовет ложный всплеск выключения. Если этот же сигнал подается в компаратор с гистерезисом, как на рисунке \ (\ PageIndex {2} \), получается чистый переход. Для перехода от низкого к высокому уровню сигнал должен превышать верхнее задание. Для перехода с высокого на низкий уровень сигнала должен упасть ниже нижнего опорного значения.Это очень полезная функция. Компаратор с гистерезисом показан на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Чистый переход с использованием гистерезиса.

Выходное напряжение этой цепи будет либо + \ (V_ {sat} \), либо — \ (V_ {sat} \). Предположим, что устройство находится в — \ (V_ {sat} \). Чтобы перейти на + \ (V_ {sat} \), инвертирующий вход должен быть ниже неинвертирующего входа. Неинвертирующий вход получается от делителя напряжения \ (R_1 / R_2 \).Делитель управляется выходом операционного усилителя, в данном случае — \ (V_ {sat} \). Следовательно, чтобы изменить состояние, \ (V_ {in} \) должно быть

\ [V_ {in} = V _ {\ text {lower thres}} = −V_ {sat} \ frac {R_2} {R_1 + R_2} \ label {7.4} \]

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Компаратор с гистерезисом.

Аналогично, чтобы перейти от положительного к отрицательному,

\ [V_ {in} = V _ {\ text {upper thres}} = + V_ {sat} \ frac {R_2} {R_1 + R_2} \ label {7.5} \]

Верхняя и нижняя точки срабатывания обычно называются верхним и нижним порогами.Регулировка \ (R_1 \) и \ (R_2 \) создает «полосу ошибок» около нуля (земля). Обратите внимание, что при достижении точки срабатывания состояние выхода компаратора изменяется, тем самым изменяя задание. Это усиливает первоначальное изменение. Фактически, компаратор теперь использует положительную обратную связь (обратите внимание, как сигнал обратной связи привязан к неинвертирующему терминалу). Эту схему иногда называют триггером Шмитта. Неинвертирующая версия триггера Шмитта показана на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). Обратите внимание, что для изменения состояния напряжение неинвертирующего терминала будет приблизительно равно нулю.Если схема находится в низком состоянии, напряжение на \ (R_1 \) будет равно — \ (V_ {sat} \) во время перехода. В этот момент напряжение на \ (R_2 \) будет равно \ (V_ {in} \). Ток в операционном усилителе незначителен, поэтому ток через \ (R_1 \) равен току через \ (R_2 \).

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): неинвертирующий компаратор с гистерезисом

\ [V_ {R1} R_1 = V_ {R2} {R_2} \ notag \]

\ [- \ frac {(- V_ {sat})} {R_1} = \ frac {V_ {in}} {R_2} \ notag \]

Поскольку \ (V_ {in} \) равно пороговому напряжению при переходе,

\ [V_ {in} = V _ {\ text {upper thres}} = V_ {sat} \ frac {R_2} {R_1} \ label {7.6} \]

Аналогично для противоположного перехода

\ [V_ {in} = V _ {\ text {lower thres}} = −V_ {sat} \ frac {R_2} {R_1} \ label {7.7} \]

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Нарисуйте форму выходного сигнала для схемы на рисунке \ (\ PageIndex {5} \), если входной сигнал представляет собой пиковую синусоидальную волну 5 В.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Компаратор для примера \ (\ PageIndex {1} \).

Сначала определите верхнее и нижнее пороговые напряжения.

\ [V_ {upper \ thres} = V_ {sat} \ frac {R_2} {R_1} \ notag \]

\ [V_ {upper \ thres} = 13 V \ frac {2k} {20 k} \ notag \]

\ [V_ {верхний \ порог} = 1.3 В \ notag \]

\ [V_ {lower \ thres} = −V_ {sat} \ frac {R_2} {R_1} \ notag \]

\ [V_ {lower \ thres} = −13 V \ frac {2 k} {20 k} \ notag \]

\ [V_ {нижний \ порог} = -1,3 В \ notag \]

Выходное значение будет равно +13 В, когда входное напряжение превышает +1,3 В, и станет -13 В, когда входное напряжение упадет до -1,3 В. Эскизы формы входного / выходного сигнала показаны на рисунке \ (\ PageIndex {6} \ ).

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Формы сигналов компаратора.

Компьютерное моделирование

На рисунке \ (\ PageIndex {7} \) показано моделирование схемы и сигналов из примера \ (\ PageIndex {1} \) с использованием Multisim.Для моделирования был выбран достаточно быстрый операционный усилитель LF411, чтобы минимизировать эффекты поворота. Формы сигналов на входе и выходе накладываются в Анализ переходных процессов. Это позволяет точно определять уровни переключения. Из графика очень ясно, что переход от высокого к низкому выходу происходит, когда входное напряжение падает ниже примерно -1,3 вольт. Точно так же переход из низкого уровня в высокий происходит, когда входное напряжение превышает 1,3 вольт. Это в точности так, как ожидалось, и визуально усиливает концепцию гистерезиса.Другой эффект, который можно здесь отметить, — это эффективная задержка импульсного сигнала относительно синхронизации при переходах через ноль на входе. Это неприятный побочный эффект, который усугубляется широкими порогами и замедлением меняющихся входных сигналов.

Рисунок \ (\ PageIndex {7a} \): Моделирование компаратора.

Рисунок \ (\ PageIndex {7b} \): Формы сигналов компаратора.

Хотя использование положительной обратной связи и гистерезиса — шаг вперед, скорость переключения по-прежнему зависит от скорости операционного усилителя.Кроме того, выходные уровни примерно равны шинам источника питания, поэтому для взаимодействия с другими схемами (такими как логика TTL) требуются дополнительные схемы. Чтобы решить эти проблемы, были разработаны специализированные схемы компараторов. Как правило, ИС компаратора можно разделить на несколько основных категорий: универсальные, высокоскоростные и маломощные / недорогие. Типичным устройством общего назначения является LM311, тогда как LM360 — это высокоскоростное устройство с дифференциальными выходами. Примеры маломощного компаратора включают двойной компаратор LM393 и счетверенный компаратор LM339.Как и в случае с обычными операционными усилителями, существует определенный компромисс между скоростью компаратора и потребляемой мощностью. Как вы могли догадаться, высокоскоростной LM360 страдает от самого высокого энергопотребления, тогда как более скупые LM393 и LM339 демонстрируют значительно меньшую скорость переключения. Высокоскоростные устройства также часто демонстрируют высокие входные токи смещения и смещения.

LM311 общего назначения — один из наиболее популярных компараторов, используемых сегодня. Также доступна версия с полевым транзистором LF311.Как правило, все уже упомянутые схемы компаратора на базе ОУ могут быть адаптированы для использования с LM311. Однако LM311 гораздо более гибок, чем компаратор среднего операционного усилителя. Схема и таблица данных для LM311 показаны на рисунках \ (\ PageIndex {8a} \) и \ (\ PageIndex {8b} \).

Прежде всего, обратите внимание, что LM311 достаточно быстр, обеспечивая время отклика примерно 200 нс. Это помещает его прямо в средний диапазон производительности, поскольку он примерно в 10 раз быстрее, чем маломощный компаратор, но как минимум в 10 раз медленнее, чем высокоскоростные устройства.Коэффициент усиления по напряжению относительно высокий, обычно составляет 200000. Входное напряжение смещения обычно составляет 0,7 мВ, а максимальное — 3,0 мВ при комнатной температуре. Входные токи смещения и смещения составляют 10 нА и 100 нА в худшем случае соответственно. Доступны устройства с улучшенными характеристиками смещения и смещения, но эти значения приемлемы для большинства приложений. (Например, вход LF311 полевого транзистора показывает входное смещение и токи смещения примерно в 1000 раз меньше, с лишь небольшим увеличением в худшем случае входного напряжения смещения.Напряжение насыщения показывает, насколько на самом деле низок потенциал «низкого состояния». Для типичной нагрузки типа TTL низкий выход LM311 будет не более 400 мВ. Наконец, обратите внимание на ток, потребляемый от источников питания. В худшем случае значения составляют 6,0 мА и 5,0 мА для положительного и отрицательного источников питания соответственно. Для сравнения: маломощные компараторы обычно находятся в диапазоне 1 мА, тогда как высокоскоростные устройства могут работать в диапазоне от 20 до 30 мА.

Рисунок \ (\ PageIndex {8a} \): Компаратор LM311.

LM311 может быть сконфигурирован для управления логическими схемами TTL или MOS и нагрузками, привязанными к земле, положительному или отрицательному источнику питания. Наконец, он может напрямую управлять реле или лампами с выходным током 50 мА.

LM311 работает следующим образом:

  • Если \ (V_ {in +}> V_ {in -} \) выход переходит в состояние открытого коллектора. Следовательно, для установления высокого выходного потенциала требуется подтягивающий резистор. Подтягивание не обязательно должно возвращаться к тому же источнику питания, что и LM311.Это помогает взаимодействовать с различными логическими уровнями. Для интерфейса TTL подтягивающий резистор будет подключен к логическому источнику +5 В.
  • Если \ (V_ {in-}> V_ {in +} \) выход будет закорочен на вывод «заземления компаратора». Обычно этот вывод идет на землю, указывая на низкий логический уровень 0 В. При необходимости он может быть связан с другими потенциалами.
  • Стробоскоп влияет на общую работу устройства. Обычно его оставляют открытым. Если он подключен к земле через токоограничивающий резистор, выход перейдет в состояние открытого коллектора независимо от входных уровней.Обычно LM311 стробируется логическим импульсом, который включает переключающий транзистор.

Рисунок \ (\ PageIndex {8b} \): лист данных LM311. Перепечатано любезно Texas Instrutments

Схема компаратора на базе LM311 показана на рисунке \ (\ PageIndex {9} \). Он работает от источников питания \ (\ pm \) 15 В, так что входы совместимы с обычными схемами операционных усилителей. На выходе используется подтягивающий источник +5 В, поэтому логика выхода является TTL-совместимой. Транзистор слабого сигнала, такой как 2N2222, используется для стробирования LM311.Низкий логический уровень на базе транзистора выключает транзистор, оставляя LM311 в нормальном рабочем режиме. Высокий уровень на базе включает транзистор, тем самым переводя выход LM311 на высокий логический уровень.

Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): LM311 со стробоскопом.

Наш последний тип схемы компаратора — это оконный компаратор. Компаратор окна используется для определения того, находится ли конкретный сигнал в допустимом диапазоне уровней. Эта схема имеет два разных пороговых входа, верхний порог и нижний порог.Не путайте эти элементы с одноименными уровнями, связанными с триггерами Шмитта. Блок-схема оконного компаратора показана на рисунке \ (\ PageIndex {10} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {10} \): Компаратор окон

Эта схема состоит из двух отдельных компараторов с общими входами и выходами. Пока входной сигнал находится между верхним и нижним пороговыми значениями, на выходе обоих компараторов будет высокий логический уровень на выходе схемы.Если входной сигнал больше верхнего порога или меньше нижнего порога (т.е. вне допустимого окна), то один из компараторов закоротит свой выход на массу компаратора, создав низкий логический уровень. Другой компаратор перейдет в состояние открытого коллектора. В результате на выходе схемы будет низкий логический уровень. Поскольку для оконного компаратора требуются два отдельных компаратора, пакет с двумя компараторами, такой как LM319, может оказаться удобным.

Интересное приложение, использующее компараторы и генерацию функций, показано на рисунке \ (\ PageIndex {11} \).Это одиночный нейрон из непрерывной рекуррентной нейронной сети с импульсным кодированием. 1 Нейронные сети моделируются по образцу биологических нервных систем и используются в различных приложениях, таких как управление движением роботов. Такие сети могут быть реализованы с использованием цифровых или аналоговых методов, с преимуществами и недостатками в каждом подходе. Эта конкретная система в основном является аналоговой, хотя ее конечным выходом является прямоугольный сигнал с широтно-импульсной модуляцией 2 . Это позволяет избежать проблемы ослабления сигнала, от которой может пострадать чисто аналоговый подход.

Полная система состоит из нескольких нейронов. Каждый нейрон имеет один выход и несколько входов. Эти входы поступают с выходов других нейронов (включая его самого). Сигналы взвешиваются, а затем суммируются для создания составного сигнала возбуждения. Составной сигнал суммируется со смещением или уровнем смещения, а затем обрабатывается с помощью сигмоидной функции для получения окончательного результата. В чисто аналоговой схеме сигналы представляют собой просто аналоговые напряжения. Эта схема немного отличается тем, что использует широтно-импульсную модуляцию для кодирования уровней сигнала.Сигналы низкого уровня представлены в виде прямоугольных волн с небольшими рабочими циклами. Сигналы высокого уровня представлены большими рабочими циклами. Одним из удобных аспектов этого представления является то, что сигнал уже имеет форму для непосредственного управления определенными устройствами, такими как двигатели.

Давайте проследим за потоком сигналов. Первый каскад представляет собой инвертирующий / неинвертирующий усилитель с регулируемым усилением, как показано в главе 4. Усиление этого этапа соответствует взвешиванию нейронов. Поскольку вес может быть как положительным, так и отрицательным, простого потенциометра недостаточно.Второй каскад — это неплохой суммирующий усилитель (тоже из четвертой главы). Его задача — объединить сигналы от различных взвешенных входов. Его выходной сигнал представляет собой очень сложную форму волны: это комбинация прямоугольных сигналов с широтно-импульсной модуляцией, каждая из которых имеет свой рабочий цикл и амплитуду. Средняя «площадь под кривой» представляет общую мощность сигнала. Это достигается через регулируемую сеть RC. Постоянная времени намного медленнее, чем базовая частота прямоугольной волны, поэтому происходит усреднение сигнала.{-Икс}\)). Результирующий выходной уровень затем кодируется импульсами. Широтно-импульсный модулятор состоит из простого генератора треугольной волны (описанного в девятой главе) и компаратора. Диапазон амплитуд треугольной волны точно соответствует диапазону сигналов, ожидаемых от сигмовидной цепи. Чем больше сигмовидный выход, тем дольше будет высокий выходной сигнал компаратора. Другими словами, рабочий цикл будет следовать за уровнем выходного сигнала сигмоидной схемы, создавая сигнал с широтно-импульсной модуляцией. Этот выходной сигнал будет подаваться на входы других нейронов в сети, а также может использоваться в качестве одного из конечных желаемых выходных сигналов.Например, этот сигнал может использоваться для приведения в действие одного из двигателей ног шагающего робота.

Рисунок \ (\ PageIndex {11} \): Импульсно-кодированная непрерывная рекуррентная нейронная сеть (показан один нейрон).

Список литературы

1 Для получения дополнительной информации о непрерывных рекуррентных нейронных сетях с импульсным кодированием см. Алан Мюррей и Лайонел Тарассенко. Аналоговые нейронные СБИС — подход импульсного потока (Лондон: Chapman and Hall, 1994).

2 См. J.К. Галлахер и Дж. М. Фиоре, «Рекуррентные нейронные сети с непрерывным временем: парадигма для эволюционирующих схем аналогового контроллера», NAECON 2000

Конструкция КМОП-компаратора с гистерезисом в каденции

Существует много типов компараторов, в этом примере анализируется и моделируется компаратор с гистерезисом .

Какова функция гистерезиса в компараторе?

Используя порог, мы можем уменьшить выбросы на выходе , вызванные небольшой пульсацией входного сигнала.Когда сравниваемые напряжения аналогичны , тогда выход будет мерцать, если мы не реализуем минимальный гистерезис. И, конечно же, множественных переходов в управляющих сигналах нужно избегать .

Гистерезис необходим для сравнения зашумленных сигналов или аналогичных напряжений.

Схема

Предлагаемая схема основана на двухступенчатом компараторе с разомкнутым контуром, , но с добавлением внутренней положительной обратной связи для достижения гистерезиса.[1] Это дифференциально-несимметричный компаратор с одноступенчатым выходным буфером (при необходимости можно добавить дополнительные выходные буферы).

Базовую топологию можно увидеть на схеме:

Компаратор гистерезиса

Следующие 2 схемы реализованы в Cadence. Оба одинаковые , просто у них разное представление. Может быть, второе представление более четкое и понятное.

Схема компаратора с внутренним гистерезисом Второй вариант схемы компаратора с внутренним гистерезисом

В этой топологии можно найти два вида обратной связи с входами (IN- и IN +) : положительный и отрицательный .Отрицательная обратная связь идет через транзисторы M1 и M2. Положительная обратная связь есть на транзисторах М14 и М15.

Отношение между M1 и M15 будет определять общий знак обратной связи . Чтобы иметь гистерезис, отношение mult_M15 / mult_M1 должно быть больше 1.

В обычном компараторе нам нужно рассмотреть два случая: когда токи в M0 и M3 различны, но ни один из них не равен нулю, и когда один из входные транзисторы имеют ток, равный стоку (в следующем случае IPOL), а другой ток равен нулю.

Стенд для испытаний компаратора

Для проверки поведения этого компаратора к выходу подключена емкостная нагрузка ~ 1 пФ. Чем больше установлен выходной предел, тем медленнее будет ответ. Чтобы улучшить управляющие возможности компаратора, вы можете добавить инкрементную цепочку буферов только перед выходом компаратора . В моем случае одного небольшого инвертора хватило для требуемой производительности.

  • Ток смещения установлен на 80 нА.
  • В данном случае используется технология TSMC 180 нм общего назначения.

В этом испытательном стенде я подключил несколько источников напряжения к положительному входу. Таким образом, я могу комментировать (игнорировать) источник, который не хочу использовать. Таким образом, я могу легко настроить и изменить источник ввода.

Test Bench

Чтобы увидеть несколько гистерезисов, я проверим разное соотношение транзисторов между положительной и отрицательной обратной связью. Для этого я установил переменную с именем «mult», с помощью которой я контролирую, сколько тока течет в положительную обратную связь.

После моделирования

гистерезис с «mult» в качестве переменной качания

Мы видим, что чем больше соотношение между M15 и M1, тем больше гистерезис.

Для графического представления гистерезиса обычно строится график зависимости входного напряжения качания от выходного. Это лучше показывает так называемую бистабильную характеристику.

Это можно сделать в Cadence !! щелкнув по меню: Axis >> Yvs Y.

Представление гистерезиса

Для случая mult = 20 напряжение отключения составляет прибл. 1,02 В и 1,98 В, которые лучше видно на следующем графике:

Текущее поведение

Текущая волновая диаграмма очень помогает понять, что происходит на компараторе, вот скриншот:

Текущее поведение компаратора Транзисторы M14-M15 и M1 и M0

Односторонний гистерезис

Для этого размер транзистора M14 был уменьшен до mult = 1, а размер M15 — до mult = 20. Как следующая схема:

Результаты показывают, как, когда in + меньше I- (прикреплен к 1.5V), мы получаем больший гистерезис, потому что обратная связь In + слабее

Односторонняя гистерезисная характеристика

Чтобы получить больший гистерезис, вы можете поиграть с множителями M14 и M15, а также вы можете увеличить длину M1 и M2 ( или даже M0 и M3)

[1] Разработка аналоговых схем CMOS. Дуглас Р. Холберг, Филипп Э. Аллен

Применение компараторов с гистерезисом | Отсутствие фокуса

Вам нужно реализовать схему компаратора с гистерезисом, и вы вытащите некоторые примечания к приложению.Они выглядят примерно так, кредит Analog Devices:

Если у вас есть схема, в сети обсуждается около дюжины или около того, чтобы определить характеристики компаратора: высокий порог \ (V_ {TH} \), низкий порог \ (V_ {TL} \) и гистерезис \ (V_ {HYST} \). Мы предполагаем, что \ (R_ {PULL-UP} \) достаточно мало по сравнению с сетью обратной связи, так что \ (V_ {OH} \) фиксировано. Эти уравнения довольно легко вывести на основе основных принципов построения схем, но их наличие позволяет сэкономить время.Теперь, если вы хотите разработать схему компаратора и уже знаете ее характеристики, вам нужно либо угадать и проверить значения, реализовать решатель, либо выполнить некоторую базовую алгебру, чтобы решить уравнения, чтобы получить значения резистора с точки зрения характеристик компаратора. . Каждый раз, когда я это делаю, я теряю свои записи, поэтому на этот раз они выходят в Интернет.

Допущения

Рассматривая эти решения, мы предположим, что разработчик схем знает следующее:

  • \ (V_ {TH} \)
  • \ (V_ {TL} \)
  • \ (V_ {HYST} \) — разница между \ (V_ {TH} \) и \ (V_ {TL} \)
  • \ (V_ {OH} \) — напряжение на выводе 2, когда на выходе высокий уровень.Для компараторов с выходом открытого компаратора и небольшим \ (R_ {PULL-UP} \) по отношению к сети обратной связи это будет \ (V_ {PULL-UP} \)
  • \ (V_ {OL} \) — напряжение на выводе 2, когда на выходе низкий уровень. Для компараторов с выходом с открытой землей это будет 0 или около 0. Я собираюсь предположить, что \ (V_ {PULL-UP} \) привязан к \ (V_ {CC} \).

Кроме того, вы выберете некоторые номиналы резисторов, чтобы уравнения были решаемы. Они в некоторой степени произвольны, но должны быть выбраны как компромисс между потерей тока и уменьшением сети обратной связи по отношению к \ (V_ {PULL-UP} \).Если вы проектируете на печатной плате, выбор резисторов слишком большого размера может привести к утечке на печатной плате, что существенно повлияет на точность.

Неинвертирующий гистерезис с однополярным питанием

Это самый простой из двух типов компараторов, поскольку уравнение гистерезиса зависит только от \ (R_3 \) и \ (R_4 \). Выбирая произвольный \ (R_3 \), имеем:

\ [ R_4 = \ frac {R_3 (V_ {OH} -V_ {OL})} {R_4} \]

Затем мы можем выполнить некоторые математические вычисления, чтобы определить \ (V_ {REF} \) как функцию точки срабатывания, которая находится на полпути между \ (V_ {TH} \) и \ (V_ {TL} \).Обратите внимание, что \ (V_ {REF} \) не то же самое, что \ (V_ {TRIP} \).

\ [ V_ {REF} = \ frac {2 R_4 V_ {TRIP} + R_3 (V_ {OH} + V_ {OL})} {2R_3 + 2 R_4} \]

Если у вас есть $ V_ {REF} $, поиск $ R1 $ и $ R2 $ — это просто решение делителя напряжения. Выбор произвольного $ R1 $:

\ [ R_2 = R_1 \ left (\ frac {V_ {CC}} {V_ {REF}} — 1 \ right) \]

Гистерезис инвертирования с однополярным питанием

Это еще более неприятно, потому что гистерезисная обратная связь и цепи напряжения отключения взаимодействуют. Уловка (может быть и лучшая) состоит в том, чтобы переставить \ (V_ {TL} \) и \ (V_ {TH} \) так:

\ [ V_ {TH} = \ frac {R_1 R_3 V_ {CC} + R_1 R_2 V_ {OH}} {R_1 R_2 + R_1 R_3 + R_2 R_3} V_ {TL} = \ frac {R_1 R_3 V_ {CC} + R_1 R_2 V_ {OL}} {R_1 R_2 + R_1 R_3 + R_2 R_3} \]

Затем вы можете разделить эти уравнения так, чтобы \ (R_2 \) и \ (R_3 \) были вашими единственными неизвестными:

\ [ \ frac {V_ {TH}} {V_ {TL}} = \ frac {R_3 V_ {CC} + R_2 V_ {OH}} {R_3 V_ {CC} + R_2 V_ {OL}} \]

Вы получите:

\ [ R_3 = \ frac {R_2 (V_ {TL} V_ {OH} -V_ {TH} V_ {OL})} {V_ {CC} (V_ {TH} — V_ {TL})} \]

Мы можем использовать это отношение, чтобы найти \ (R_2 \) только с точки зрения \ (R_1 \):

\ [ R_2 = R_1 \ left [\ frac {V_ {CC} V_ {HYST} (V_ {OL} -V_ {TL})} {V_ {TL} (V_ {TL} V_ {OH} -V_ {TH} V_ { OL})} + \ frac {V_ {CC} — V_ {TL}} {V_ {TL}} \ right] \]

Итак, выберите \ (R_1 \), затем решите последовательно для \ (R_2 \) и \ (R_3 \).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *