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

Содержание

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

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

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

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

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

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

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

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

Давайте немного упростим схему.

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

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

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

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

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

ОУ в режиме компаратора: допустимо ли это?

16 сентября 2019

Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.

Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Многие разработчики (и я тоже) иногда используют операционные усилители в качестве компараторов. Обычно так происходит, когда нужен только один простой компаратор, и у вас остался «запасной» операционный усилитель в микросхеме, содержащей четыре ОУ в одном корпусе. Фазовая компенсация, необходимая для устойчивой работы операционного усилителя, приводит к тому, что из ОУ может получиться только очень медленный компаратор. Однако если требования по быстродействию являются скромными, то ОУ может быть достаточно. Иногда возникают вопросы по такому режиму использованию ОУ. В то время как некоторые операционные усилители работают нормально, другие работают не так, как ожидалось. Давайте разберемся, почему так происходит.

Многие операционные усилители имеют защитные ограничительные диоды, подключенные между входами. Чаще всего используют параллельное включение двух разнонаправленных диодов. Они защищают переход «база-эмиттер» входных транзисторов от обратного пробоя. Для многих ИС пробой перехода «база-эмиттер» начинается при подаче дифференциального входного напряжения около 6 В. Это приводит к повреждению транзисторов или нарушению их работы. На рисунке 73 защиту входного каскада из NPN-транзисторов обеспечивают диоды D1 и D2.

Рис. 73. Внутренние дифференциальные ограничительные диоды, подключенные между входами, предотвращают повреждение транзисторов, но могут помешать работе ОУ в режиме компаратора

В большинстве схем с операционными усилителями входное напряжение близко к нулю, и защитные диоды никогда не включаются. Но очевидно, что эти диоды могут стать проблемой при работе ОУ в режиме компаратора. Мы имеем ограниченный дифференциальный диапазон напряжения (около 0,7 В), при превышении которого один вход будет перетягивать другой, подтягивая его напряжение. Это не исключает возможность работы ОУ в качестве компаратора, но здесь требуется выполнение ряда условий. Эти условия в некоторых схемах могут быть абсолютно неприемлемыми.

Проблема заключается в том, что TI и другие производители операционных усилителей не всегда сообщают о наличии защитных диодов в документации. Даже когда информация о них присутствует, все равно нет четкого предупреждения о возможных проблемах. Наверное, следовало бы прямо говорить: «Будьте осторожны при использовании данного ОУ в качестве компаратора!». На самом деле авторы документации часто предполагают, что операционный усилитель будет использоваться только по прямому назначению. Мы провели встречу с нашей командой разработчиков и решили, что в будущем будем сообщать пользователям о потенциальных проблемах более четко. Но как быть с уже существующими ОУ? Ниже приведены некоторые рекомендации, которые могут помочь.

В большинстве случаев операционные усилители со входными NPN-транзисторами имеют защитные диоды. Примерами могут служить OP07, OPA227, OPA277 и многие другие. Исключением является старый усилитель μA741. У него, кроме входных NPN-транзисторов, имеются дополнительные последовательно включенные PNP-транзисторы, которые обеспечивают встроенную защиту для NPN (рисунок 74).

Рис. 74. ОУ с дополнительными последовательно включенными PNP-транзисторами лучше подходят для работы в качестве компаратора

Усилители общего назначения со входными PNP-транзисторами обычно не имеют встроенных ограничительных диодов (рисунок 75). В качестве примера можно привести LM324, LM358, OPA234, OPA2251 и OPA244. Обычно это ОУ с однополярным питанием “single-supply”, у которых диапазон входных синфазных напряжений начинается от нуля или даже немного ниже. Такие ОУ можно легко распознать: для них в документации указывается отрицательное значение входного тока смещения, то есть он вытекает из усилителя. Стоит особо отметить, что высокоскоростные ОУ со входными каскадами из PNP-транзисторов обычно имеют встроенные ограничительные диоды, так как эти транзисторы имеют невысокое напряжение пробоя.

Рис. 75. LM324 на базе PNP-транзисторов с высоким пробивным напряжением лучше подходит для работы в качестве компаратора

Усилители с JFET- и КМОП-входами, которые работают с более высокими напряжениями (до 20 В и более), могут как иметь, так и не иметь защитных диодов. Для них требуется дополнительная проверка. Особенности технологии изготовления и вид используемых транзисторов определяют, присутствуют ли внутри защитные диоды или нет.

У большинства низковольтных КМОП-усилителей нет встроенных диодов. Существует особое исключение для ОУ с автоматической коррекцией нуля (Auto-zero или чоппер), которые ведут себя так, как будто имеют встроенные защитные диоды.

И в заключение хочется сказать, что если вы рассматриваете возможность использования ОУ в качестве компаратора, будьте осторожны. Получите максимум информации из документации, в том числе вынесенной в примечания. Проверяйте поведение схемы на макете или прототипе, контролируйте взаимное влияние входов. Не полагайтесь на результаты моделирования со SPICE-макромоделями. Некоторые макромодели могут не включать дополнительные компоненты, симулирующие защитные диоды. Кроме того, особенности поведения, возникающие при подаче напряжений, близких к границе допустимых входных диапазонов, могут быть смоделированы неточно.

Список ранее опубликованных глав

    1. Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
    2. Что нужно знать о входах rail-to-rail
    3. Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
    4. Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
    5. SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
    6. Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
    7. Входной импеданс против входного тока смещения
    8. Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
    9. Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
    10. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
    11. Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
    12. Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
    13. Приручаем нестабильный ОУ
    14. Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
    15. SPICE-моделирование устойчивости ОУ
    16. Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
    17. Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
    18. Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
    19. Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ
    20. Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ
    21. Время установления: взгляд на форму сигнала
    22. Шум резисторов: обзор основных понятий
    23. Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема
    24. Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?
    25. 1/f-шум: фликкер-шум
    26. ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?
    27. Развязывающие конденсаторы: они нужны, но зачем?
    28. Неиспользуемые операционные усилители: что с ними делать?
    29. Защита входов от перенапряжений
    30. Могут ли дифференциальные ограничительные диоды на входе ОУ влиять на его работу?

Переведено Вячеславом Гавриковым по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

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 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:

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

  • 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

Аналоговый компаратор. Триггер Шмитта — chipenable.ru

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



   Разберем, как работает эта схема. 

Поведение операционного усилителя без обратной связи описывается уравнением:

 

Uout = (Uin1 – Uin2)*G

 

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

 

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

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

 

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

 

1) Uin2 < Uin1 на 1 мВ

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

 

2) Uin2 > Uin1 на 1 мВ

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

 

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

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

 

С учетом выше сказанного:

 

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

2)Uout = ~0 В

 

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

 

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

 

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

 

 

 

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


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

 

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

 

Электрическая схема инвертирующего триггера Шмитта представлена ниже. 

 

Разберемся, как она работает. 

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

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

 

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

 

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

 

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

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

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

 

 

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

 

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

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

 

 

 

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

 

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

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

 

 

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

 

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

   Теперь о недостатках схемы.

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

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

9.1.    Компараторы | Электротехника

Выходное напряжение усилителя ограничено величиной ±Uвых max. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя (КU оу)велик, то значение выходного напряжения (Uвых = ±Uвых max) достигается при очень малых  входных  напряжениях:

Uвх= ±Uвых max / KU оу.

Поэтому можно считать.

То есть операционный усилитель является схемой сравнения входных сигналов – компаратором.

Компараторы представляют собой устройства, предназначенные для сравнения по уровню двух входных напряжений и скачкообразного изменения выходного напряжения в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого.

Компаратор должен иметь низкое напряжение сдвига, низкий дрейф напряжения сдвига, устойчиво работать без самовозбуждения и иметь низкое значение тока смещения. Один вход компаратора (рис. 9.1) соединен с источником опорного напряжения, а на другой подается входной сигнал. Когда Uвх подается на инвертирующий вход и Uоп > 0, выходное напряжение будет отрицательным при Uвх > Uоп, и положительным при Uвх < Uоп.

Когда входной сигнал в процессе изменения становится больше опорного, то выход компаратора немедленно изменяет свое состояние  (рис. 9.2).

Если, например,  изменение  выходного напряжения составляет 5 В, а  коэффициент усиления компаратора равен 100 000, то разность входного и опорного напряжений (Uвх – Uоп.), вызывающая изменение выходного напряжения, будет равна:  

 мВ,

то есть сравнение  двух уровней напряжения осуществляется с высокой точностью. Но эта схема обладает существенным недостатком: если входной сигнал изменяется медленно и его величина близка к Uоп, то шумы, содержащиеся в Uвх, могут вызвать ложные срабатывания (рис. 9.3).

Более устойчивым к действиям помех является компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью (ПОС), осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторов и (рис. 9.3, а ). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом (рис. 9.3, б ). Схема известна под названием триггера Шмита или порогового устройства.

Переключение схемы (рис. 9.4) в состояние -Uвых.max происходит при достижении Uвх напряжения (порога) срабатывания (Uср), а возвращение в исходное состояние (Uвых = +Uвых.max) происходит при снижении Uвх до напряжения (порога) отпускания (-Uотп). Значения пороговых напряжений находят по схеме, положив U0 = 0:

;

.

Частным случаем схемы (см. рис. 9.4) при  = 0 является схема (рис. 9.5).  Ее пороговые напряжения и зона гистерезиса (рис. 9.6) составляют:

;       ;   .

Величина гистерезиса (зоны нечувствительности) определяется пороговыми  напряжениями. Выбирая необходимые значения пороговых напряжений  и , можно изменять «зону нечувствительности» компаратора в зависимости от уровня помех (рис. 9.6).

Компаратор с ПОС может использоваться в качестве формирователя прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы.

Использование ОУ в качестве компаратора

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

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



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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Схема компаратора на операционном усилителе, lm393 принцип работы

Работа операционного усилителя без обратной связи

Как известно напряжение на выходе ОУ UВЫХ определяется произведением входного дифференциального напряжения UД (разность напряжений между входными выводами) на коэффициент усиления ОУ по напряжению КU



Операционные усилители имеют очень большой коэффициент усиления ОУ по напряжению КU = 105 … 106, а выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания (обычно несколько меньше). Поэтому, для того чтобы ОУ работал в качестве усилителя напряжения максимальное входное дифференциальное напряжение не должно превышать нескольких десятков мкВ (при UПИТ = 15 В, КU = 105, UД ≈ 150 мкВ). С учётом вышесказанного можно сделать вывод, что без применения отрицательной обратной связи, которая снижает усиление ОУ в схеме, применение ОУ бесполезно, так как при входных напряжениях в несколько милливольт ОУ войдёт в насыщение с выходным напряжением равным напряжению питания.

Но существуют схемы, в которых операционные усилители применяются без обратной отрицательной связи, а в некоторых случаях специально вводят положительную обратную связь (ПОС) для увеличения коэффициента усиления схем. Одним из видов таких схем являются пороговые устройства, в состав которых входят различные компараторы, триггеры Шмитта, детекторы уровней напряжения.

Принцип работы компаратора

Простейшим пороговым устройством является компаратор. Он сравнивает напряжение, которое поступает на один из его входов, с опорным напряжением, которое присутствует на другом его входе. Простейший компаратор получается из операционного усилителя, в котором отсутствует отрицательная обратная связь. Рассмотрим принцип работы компаратора напряжений на основе ОУ, схема которого изображена ниже



Использование ОУ в качестве компаратора и графики входного и выходного напряжений.

В основе компаратора лежит ОУ на инвертирующий вход, которого поступает входное напряжение UBX, а неинвертирующий вход соединён с источником опорного напряжения UОП. Принцип работы компаратора изображённого на рисунке заключается в следующем: когда входное напряжение UBX больше опорного UОП, то выходное напряжение принимает значение отрицательного напряжения насыщения –UНАС и остаётся неизменным пока входное напряжение UBX не уменьшиться ниже опорного напряжения UОП, в этом случае на выходе будет напряжение положительного насыщения +UНАС.



На рисунке изображен компаратор с инвертирующим выходным сигналом по отношению к входному сигналу. Для того, чтобы не происходило инверсии на выходе необходимо поменять подключение выводов ОУ, то есть входной сигнал должен поступать на неивертирующий вход, а опорное напряжение на инвертирующий вывод. Тогда при превышении опорного напряжения на выходе ОУ будет положительное напряжение насыщения, а при входном напряжении меньше, чем опорное напряжение на выходе будет присутствовать отрицательное напряжение насыщения ОУ.



Основные схемы компаратора

Существует много разновидностей компараторов, но в из основе лежат две основные схемы: одновходовая и двухвходовая. Одновходовая схема позволяет сравнивать разнополярные напряжения по модулю, то есть по абсолютной величине. Двухвходовый же компаратор сравнивает два напряжения с учётом знака. Расссмотрим обе схемы подробнее.



Схема одновходового компаратора.

На рисунке выше изображён одновоходовый компаратор, позволяющий сравнивать два разнополярных напряжения по абсолютному значению (по модулю). В его основе лежит инвертирующий сумматор, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому ослабления коэффициент усиления операционного усилителя не происходит. В результате чего на инвертирующем входе ОУ происходит суммирование входного напряжения UBX и опорного напряжения UОП приведённого к инвертирующему входу UПРИВ, а результат суммирования усиливается ОУ и выводится на его выход. Для того чтобы происходило сравнение необходимо фактически производить операцию вычитания, то есть напряжения на входах UBX и UПРИВ должны иметь разную полярность.

Приведённое напряжение UПРИВ можно вычислить по следующему выражению



Резистор R3 предназначен для компенсации входного тока смещения и должен быть равен величине параллельно соединённых резисторов R1 и R2



Основным недостатком данной схемы является необходимость использования стабилизированного отрицательного напряжения, что приводит к усложнению схемы. Поэтому одновходовый компаратор не получил широкого распространения.

Наибольшее распространение получила схема двухвходового компаратора, в котором отсутствует необходимость в отрицательном напряжении. Схема данного компаратора приведена ниже



Схема двухвходового компаратора.

В основе двухвходового компаратора лежит дифференциальный усилитель, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому разность между входным напряжением UBX и UОП опорным напряжение усиливается ОУ, не имеющего снижения коэффициента усиления из-за отсутствуя ООС, и выделяется на выходе ОУ. В данной схеме входные резисторы R1 и R2 имеют одинаковое значение.

Компараторы применяются в широком спектре схем:

  1. Триггеры Шмитта и в схемах формирования сигнала, преобразующих сигнал произвольной формы в прямоугольный или импульсный сигнал.
  2. Детекторы уровня – схемы, в которых происходит индицирование момента достижения входным сигналом заданного уровня опорного напряжения.
  3. Генераторы импульсных сигналов, например, треугольной или прямоугольной формы.

При использовании компаратора в схемах, где входное напряжение медленно меняется и амплитуда сигнала очень близка к опорному напряжению, то шумы на входном выводе могут вызвать ложные срабатывания компаратора и на его выходе могут появиться дополнительные импульсы, что продемонстрировано на рисунке ниже



Появление ложных импульсов на выходе компаратора.

Для устранения таких ложных срабатываний компаратора, в его схему вводится некоторый гистерезис, путём добавления положительной обратной связи (ПОС) к операционному усилителю.

Триггер Шмитта

Как сказано выше для устранения ложных срабатываний компаратора, известных, как «дребезг контактов» необходимо использовать схему компаратора с петлёй гистерезиса, которая получила название триггера Шмитта.

В одной из статей я рассказывал о триггере Шмитта выполненном на транзисторах. Он характеризуется тем, что в отличие от компаратора имеет так называемую петлю гистерезиса. То есть компаратор переключается из высокого уровня напряжения в низкий при одной и той же величине входного напряжения, а триггер Шмитта имеет два уровня (порога) переключения. Данное различие иллюстрирует изображение ниже



Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева).

Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП.

Для реализации триггера Шмитта применяют ОУ охваченные положительной обратной связью (ПОС), которая реализуется подачей на неинвертирующий вход части выходного напряжения. Схема триггера Шмитта изображена ниже



Триггер Шмитта на операционном усилителе.

Работа триггера Шмитта во многом похожа на работу компаратора, только в отличие от него в триггере опорное напряжение не постоянно, а зависит от разности выходного и опорного напряжений, то есть имеет различные значения.

Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном входное напряжение не превышает верхнего уровня срабатывания триггера UВП, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения UНАС+ (примерно на 1 – 2 В ниже положительного напряжения питания UПИТ+). Когда входное напряжение достигает верхнего порога переключения UВП выходное напряжение резко упадёт до уровня отрицательного напряжения насыщения UНАС-(примерно на 1 – 2 В выше отрицательного напряжения питания UПИТ-). Верхний уровень напряжения переключения триггера Шмитта определяется следующим выражением



Далее триггер остаётся в устойчивом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания UНП, а на выходе триггера установится положительное напряжение насыщения UНАС+. Нижний порог срабатывания триггера определяется следующим выражением



Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса UГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания UВП и нижнего порога срабатывания UНП



Триггеры Шмитта на ОУ являются основой для построения различных генераторов импульсов, поэтому важнейшими характеристиками ОУ работающих в импульсных схемах является быстродействие, которое зависит от задержек срабатывания и времени нарастания выходного напряжения.

Ограничение уровня выходного напряжения компаратора и триггера Шмитта

Применение положительной обратной связи (ПОС) в компараторах и триггерах Шмитта ускоряет переключение схем, но в связи с тем, что выходное напряжение UВЫХ изменяется от UНАС+ до UНАС-, то время переключения составляет довольно значительную величину (от долей до единиц микросекунд).

Кроме того существует проблема несовместимостей уровней выходного напряжения, к примеру, при напряжении питания ОУ UПИТ = ±15 В, выходное напряжение составит UВЫХ ≈ ±14 В (UНАС+ ≈ +14 В, а UНАС- ≈ -14 В), в то время как уровни ТТЛ микросхем составляют около +5 В или 0 В.

Для устранения вышеописанных проблем применяют так называемую привязку или ограничение уровня выходного напряжения, для этого в компаратор или триггер Шмитта вводят ООС в виде различных схем ограничения. Простейшими ограничительными схемами являются диоды или стабилитроны. Схема триггера Шмитта с ограничение выходного напряжения показана ниже



Триггер Шмитта с ограничением выходного напряжения при помощи стабилитрона в цепи ООС.

Ограничение выходного напряжения в триггере Шмитта работает следующим образом. При поступлении на инвертирующий вход напряжения меньше, чем напряжение опорного уровня (UВХ ОП), то выходное напряжение UВЫХ начинает изменяться в положительном направлении и при достижении напряжения стабилизации стабилитрона UСТ напряжение на выходе перестанет расти, а будет изменяться только ток. При этом выходное напряжение будет равняться напряжению стабилизации стабилитрона (UВЫХ = UСТ).

В случае если входное напряжение начнёт увеличиваться, выше опорного напряжения, то на выходе напряжение начнёт уменьшаться и в этом случае направление тока через стабилитрон начнёт изменяться на противоположный, а стабилитрон начнёт вести себя как диод. В результате падение напряжения на нём составит примерно 0,7 В независимо от величины протекающего через него тока, а на выходе напряжение составит -0,7 В.

Таким образом, при использовании стабилитрона выходное напряжение триггера Шмитта составит: UВЫХ1 = UСТ (при отсутствии ограничения UНАС+) или UВЫХ2 ≈ 0,7 (при отсутствии ограничения UНАС-).

Для симметричного ограничения выходного напряжения могут применяться последовательно включенные диоды или стабилитроны, что показано на рисунке ниже



Триггер Шмитта с симметричным ограничением выходного напряжения.

В данной схеме реализуется симметричное ограничение выходного напряжения относительно опорного напряжения, причем выходное напряжение выше опорного напряжения ограничивается стабилитроном VD1, а напряжение при этом составит на 0,7 В больше напряжения стабилизации. В случае же выходного напряжения ниже опорного, то выходное напряжение будет на 0,7 В ниже напряжения стабилизации стабилитрона VD2.

При расчёте компараторов и триггеров Шмитта с ограничением выходного напряжения в качестве UНАС+ необходимо использовать UСТ (когда используется один стабилитрон) или UСТVD1 (при двухстороннем ограничении). А вместо UНАС- необходимо использовать значение падения напряжения на диоде примерно 0,7 В (при одном стабилитроне) или UСТVD2 (при двухстороннем ограничении).

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Прошло почти два года с тех пор, как я пытался приручить операционный усилитель УД708 для сравнения двух сигналов. Знаний тогда было мало, поэтому времени уходило много, а главное — еще и безрезультатно. Но в итоге для своей задачи я смог «договориться» с компаратором LM393N. А на днях перебирал поделку, в которой впервые использовал эту микросхему, и решил вспомнить, как работает компаратор. Заодно и другим рассказать.
Компаратор — это устройство, сравнивающее два аналоговых сигнала. В самом простом случае — операционный усилитель без обратных связей. На входы ему подаются два напряжения — эталонное, оно же опорное (известно заранее) и измеряемое. На выходе возможны два состояния:

«1» — когда напряжение на прямом входе больше, чем на инвертирующем;
«0» — когда напряжение на прямом входе меньше, чем на инвертирующем.

Некоторые компараторы самостоятельно формируют уровни логических нуля и единицы (например, «ноль» — это ноль, «единица» — плюс пять вольт), но LM393 — с открытым коллектором. Ей для создания выходного напряжения нужен внешний резистор, подключающийся либо к «плюсу» питания, либо к другому «плюсу» (в разумных пределах, конечно).

Первые две схемы — каноничное включение нагрузки под открытый коллектор. Я подключал внешний резистор к питающему «плюсу».

Включение 4


Измеряемое напряжение подается на инвертирующий вход, опорное — на прямой.


Пока напряжение на инвертирующем входе меньше, чем на прямом, компаратор выдает «ноль», и светодиод не горит. Иначе — «единица».

Вообще, лучше, конечно, пользоваться первыми двумя общепринятыми схемами, чтобы не было путаницы.


Еще один важный момент — подключение нагрузки (светодиода) к другому напряжению (как мог, изобразил 24 вольта). Справедливо для любого из ранее изображенных включений.

О нагрузке. В даташите о максимальном токе коллектора сказано, что больше 6-20 мА микросхема не выдаст. То есть включить один светодиод — не проблема, а вот что побольше…


Кусок светодиодной ленты, подключенный прямо к выходу компаратора (по третьей или четвертой схеме, без резистора R3) светил слабо (1 мА). Пришлось поддать напряжения до 12 вольт, и тогда ток коллектора вырос до 14 мА. При подключении ленты напрямую к блоку питания — 32 мА. Таким образом, как ни крути, а максимум, что можно получить конкретно от этой LM-ки — 14 мА.

Вывод — что-то прожорливое есть смысл пускать через транзистор, загнанный в ключевой режим. При этом каскаду с общим эмиттером, инвертирующему сигнал, как нельзя лучше подойдет третья или четвертая схемы включения. Ведь если сигнал инвертировать дважды — получится опять исходный сигнал.
Например, на прямом входе компаратора «единица» (по привычной логике — на прямом входе напряжение больше, чем на инвертирующем). Третья схема сделает из нее «ноль» на выходе. А каскад с общим эмиттером, «перевернув» этот «ноль», опять даст «единицу».


Стрелка цепляется к выходу компаратора (R1 — это R3 из предыдущей схемы). R2, возможно, придется подобрать: если он будет слишком маленьким, то транзистор может сгореть, а если слишком большим — не откроется (можно попробовать 4,7 кОм). При подаче «единицы» в базе транзистора должно быть примерно 0,7 В (для кремния). К R3 тоже есть вопросы, но слишком малым и он не должен быть.


Моделирование. Когда на входе «ноль» (а «ноль» третьей и четвертой схемы — это в нормальном включении «единица»), то на выходе — «единица», светодиод работает. С чего начали, к тому и пришли — «единица» опять стала сама собой.


Теперь, когда на входе «единица», то на выходе «ноль». Вот она, знаменитая инверсия каскада с общим эмиттером!

А если включать нагрузку в коллектор транзистора, то «единицы» и «нули» по входу и выходу будут совпадать.
В общем, простор для творчества — колоссальный.

Реклама

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

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

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

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

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

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

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

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

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

Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:

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

Входное напряжение смещения компаратора

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

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

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

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

Входное напряжение смещения и гистерезис

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

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

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

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

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

Компаратор. Описание и применение. Часть 2

Схема компаратора операционного усилителя

»Примечания по электронике

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


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


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

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

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

Применение компаратора

Компараторные схемы очень часто используются в электронных схемах.

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

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

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

Что такое компаратор?

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

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

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

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

Краткое описание работы компаратора

Компараторы и операционные усилители

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    Сравнение выходных схем операционного усилителя и компаратора
  • Время отклика: Компараторы оптимизированы для обеспечения очень быстрого отклика и времени переключения. Скорости нарастания высоки и обеспечивают оптимальную производительность.

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

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

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

Компаратор операционного усилителя

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

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

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

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

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

Схема компаратора базового операционного усилителя

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

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

Примечания к компаратору ОУ

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

Использование микросхемы компаратора

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

Микросхемы компаратора

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

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

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

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

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

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

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

Компаратор ОУ

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

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

Работа схемы компаратора ОУ 741 IC

Неинвертирующая схема компаратора ОУ 741 IC

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

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

741 IC Схема неинвертирующего компаратора

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

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

741 Форма волны неинвертирующего компаратора операционного усилителя IC

Инвертирующая схема компаратора ОУ 741 IC

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

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

Характеристики компаратора

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

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

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

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

(c) Очень малый входной ток смещения и входное напряжение смещения — Незначительное количество входного тока смещения и входного напряжения смещения вызывает меньшее количество проблем смещения. Чтобы уменьшить дальнейшие проблемы смещения, можно использовать схемы компенсации напряжения смещения и резисторы, минимизирующие смещение.

Конфигурации схем операционного усилителя / компаратора

| Основы электроники

Конфигурация схемы операционного усилителя

Конфигурация внутренней схемы стандартного операционного усилителя показана ниже.
Обычно операционные усилители делятся на 3 ступени: вход, усиление и выход.

Входной каскад включает в себя дифференциальный усилитель, который усиливает дифференциальное напряжение между двумя входными контактами, в то время как компонент синфазного сигнала (одинаковое напряжение на обоих контактах без разницы потенциалов между ними) работает для противодействия без усиления.

Так как коэффициент усиления, использующий только схему дифференциального усилителя, недостаточен, коэффициент усиления ОУ увеличивается на каскаде усиления. Обычно между каскадом усиления подключается емкость фазовой компенсации, чтобы предотвратить внутренние колебания.

Выходной каскад подключается в качестве буфера для предотвращения изменений характеристик операционного усилителя в зависимости от воздействия нагрузки (т. Е. Сопротивления, подключенного к выходному выводу).
Изменения выходных характеристик в зависимости от нагрузки (искажения, падение напряжения) во многом зависят от конфигурации схемы и токовой нагрузки.

Существует несколько различных типов выходных каскадов, классифицируемых по величине управляющего тока, протекающего в выходной цепи (разные напряжения смещения): класс A, класс B, класс C и класс AB.

Обычно различные типы сортируются по наименьшему количеству искажений:
класс A, класс AB, класс B, класс C и т. Д.

Конфигурация схемы компаратора

Схема стандартного компаратора показана ниже. Это то же самое, что и операционный усилитель, но поскольку компараторы не используются для настройки отрицательной обратной связи, емкость компенсации фазы для предотвращения колебаний не встроена.

Поскольку емкость фазовой компенсации ограничивает рабочую скорость между входами и выходами, время отклика значительно меньше, чем у операционных усилителей. Конфигурацию выходной цепи компараторов можно разделить на два типа: открытый коллектор (открытый сток) и двухтактный.

Эквивалентная схема BA10393 показана ниже. Выходная цепь — с открытым коллектором.

2.3: Простой компаратор операционного усилителя

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

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

\ [V_ {out} = 200 000 \ раз (0,1 \ V − 0 \ V) \ notag \]

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

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

Операционный усилитель не может выдавать 20 000 В. В таблице данных указано максимальное выходное напряжение только \ (\ pm \) 13,5 В при использовании источников питания \ (\ pm \) 15 В. Выходной сигнал будет обрезан до 13,5 В. Если входной сигнал уменьшится до 1 мВ, выходной сигнал все равно будет ограничен до 13.5 В. Это верно, даже если мы подадим сигнал на инвертирующий вход, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {2} \).

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

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

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

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

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

Компьютерное моделирование

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

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

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

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

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

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

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

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

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

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

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

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

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

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

Компараторы OPAMP

— Electronics-Lab.com

Введение

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

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

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

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

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

Презентация

Неинвертирующий компаратор

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

рис 1: Представление схемы неинвертирующего компаратора

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

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

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

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

Характеристика ввода / вывода, связанная со схемой Рис. 1 — это функция, подобная Хевисайду, показанная на Рис. 2 ниже:

Рис 2: Передаточная характеристика неинвертирующего компаратора

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

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

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

. рис. 4: Представление схемы инвертирующего компаратора

В этом случае значение выхода определяется этими двумя условиями:

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

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

рис. 5: Передаточная характеристика инвертирующего компаратора

Перевод точки опрокидывания

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

Рассмотрим компаратор, представленный на рис. 6 :

рис.6: Неинвертирующий компаратор с положительной точкой опрокидывания

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

Эти наблюдения можно обобщить в следующих передаточных характеристиках:

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

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

Вход, зависящий от времени

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

рис 8: Работа датчика уровня

Триггер Шмитта

Триггер неинвертирующий

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

рис. 9: Представление схемы неинвертирующего триггера Шмитта

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

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

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

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

рис.10: Передаточная характеристика неинвертирующего триггера Шмитта
Инвертирующий триггер

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

рис. 11: Инвертирование схемы триггера Шмитта

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

В зависимости от знака V out , могут быть определены два порога, специфичные для инвертирующей конфигурации:

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

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

рис. 12: Передаточная характеристика инвертирующего триггера Шмитта
Приложения

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

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

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

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

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

Заключение

Компараторы

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

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

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

Следует ли использовать операционный усилитель в качестве компаратора?

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

Компараторы

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

Операционные усилители

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

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

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

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

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

741 как компаратор

741 как компаратор

НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ ДЛЯ УКАЗАТЕЛЬНОЙ СТРАНИЦЫ

ОП-УСИЛИТЕЛЬ В КАЧЕСТВЕ КОМПАРАТОРОВ

Райан В. 2002-2019

PDF-ФАЙЛ — НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ ДЛЯ ПЕЧАТИ РАБОЧЕГО ЛИСТА

Ниже приведены некоторые примеры 741 I.Схемы на основе С. Однако на этот раз 741 используется как компаратор, а не усилитель. Разница между ними небольшая, но значительная. Даже если использовать как компаратор 741 по-прежнему обнаруживает слабые сигналы, так что их можно распознается легче. Эти схемы важно понимать как они очень регулярно появляются на экзаменах.

Компаратор — это схема, сравнивающая два входа напряжения.Одно напряжение называется опорным напряжением ( Vref ) и другой называется входным напряжением ( Vin ).

Когда Vin поднимается выше или падает ниже Vref , выход меняет полярность (+ становится -).

Положительный иногда называют ВЫСОКИЙ .
Отрицательный иногда называют LOW.

ПРИМЕР ЦЕПИ — СИГНАЛИЗАЦИЯ СВЕТА

Зуммер издает звуковой сигнал, когда свет падает на свет зависимый резистор.Резистор 2 регулирует чувствительность цепи.

741 работает как компаратор, и пьезозуммер звучит, когда выходная мощность 741 становится «низкой» или, другими словами, изменяется с положительный на отрицательный.

Альтернативная компоновка датчика света / темноты показана ниже.

Ниже представлен датчик температуры на основе схемы компаратора 741.

ПРИМЕР ЦЕПИ — ТЕМНО-АКТИВИРОВАННОЕ СИГНАЛИЗАЦИЯ

Это активированная темная цепь, обратная схема выше.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.