Компаратор на оу с гистерезисом: Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 25

Содержание

Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 25

21 августа 2019

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

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

Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

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

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Компаратор с гистерезисом и без гистерезиса

Исходные данные для расчета представлены в таблицах 74 и 75.

Таблица 74. Исходные данные для расчета компаратора

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

Таблица 75. Пороговые значения

Нижний порог переключения V
L
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

Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ).

» ХабстабПрежде 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.

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы

Для управления электронными схемами применяются различные устройства, которые помогают настраивать и разветвлять сигналы. Для сравнения двух разных импульсов часто используется компаратор с однополярным питанием.

Обозначение и технические характеристики

Компаратор – это устройство, которое сравнивает два разных напряжения и силу тока, выдает конечный силовой сигнал, указывая на большее из них, одновременно производя расчет соотношения. У него есть две аналоговые вводные клеммы с положительным и отрицательным сигналом и один двоичный цифровой выход, как и у АЦП. Для отображения сигнала используется специальный индикатор.

УГО отображение компаратора выглядите следующим образом:

Фото — УГО компаратора

Изначально использовался только интегрированный компаратор напряжения (MAX 961ESA, PIC 16f628a), который известен как высокоскоростной. Он требует определенного дифференциального напряжения в определенном диапазоне, который существенно ниже, чем напряжение сети питания. Эти приборы не допускают никаких других внешних сигналов, которые находятся вне диапазона напряжения сети.

Сейчас гораздо чаще используется аналоговый цифровой компаратор (Attiny/ Atmega 2313), у которого транзисторный ввод. У него вводный потенциал сигнала находится в диапазоне менее 0,3 Вольт и не поднимается выше. Устройство может быть также ультра быстрого типа (стереокомпаратор), благодаря чему входной сигнал меньше обозначенного диапазона, к примеру, 0,2 Вольта. Как правило, используемый диапазон ограничивается только конкретным входным напряжением.

Фото — Компаратор

Помимо простого прибора, также существует видеоспектральный компаратор на ОУ (операционном усилителе). Это прибор, у которого очень тонко сбалансирована разница входа и высокого сопротивления сигнала. Благодаря такой характеристики, операционный компаратор используется в низкопроводимых схемах с небольшим вольтажем.

Фото — схема компаратора

В теории, частотный операционный усилитель работает в конфигурации с открытым контуром (без отрицательной обратной связи) и может быть использован в качестве компаратора низкой производительности. Но при этом, не инвертирующий вход (+ V) находится на более высоком напряжении, чем на инвертирующий (V-). Высокое усиление, выходящее из операционного усилителя, провоцирует выход низкого напряжения на входе в устройство.

Когда неинвертирующий вход падает ниже инвертирующего входа, выходной сигнал насыщается при отрицательном уровне питания, то он все равно может проводить импульсы. Выходное напряжение ОУ ограничивается только напряжением питания. Принципиальная электрическая схема ОУ работает в линейном режиме с отрицательной обратной связью, с помощью сбалансированного сплит-источника питания (питание от ± V S ).

Многие приборы, работающие с компаратором, также имеют свойство фиксировать полученные данные при помощи видео-, фото- или документальной записи. Эти электронные принципы не работают в системах, где используются разомкнутые контуры и низкопроводящие элементы.

Фото — простой компаратор

Но у компараторного усилителя существует несколько существенных недостатков:

  1. Операционные усилители предназначены для работы в линейном режиме с отрицательной обратной связью. Но при этом, ОУ имеет более длительный режим восстановления;
  2. Почти все операционные усилители имеют конденсатор внутренней компенсации, который ограничивает скорость нарастания выходного напряжения для высокочастотных сигналов. Исходя из этого, данная схема немного задерживает импульс;
  3. Компаратор не имеет внутреннего гистерезиса.

Из-за этих недостатков, компаратор для управления различными схемами, в большинстве случаев, используется без усилителя, исключением является генератор.

Компаратор предназначен для производственных процессов с ограниченным выходным напряжением, которое легко взаимодействует с цифровой логикой. Поэтому его часто используются в различных термических приборах (терморегулятор, реле температуры). Также его применяют для сравнения сигналов и сопротивлений таких устройств, как таймер, стабилизатор и прочая схемотехника.

Фото — аналоговый компаратор

Видео: компараторы

Принцип работы

Для того, чтобы продемонстрировать, как работает быстродействующий компаратор с гистерезисом, нужно взять схему с двумя выходами.

Фото — схема работы компаратора

Схема включения, по которой можно понять принцип работы компаратора, показана выше. Используя аналоговый сигнал во + входе, именуемым «неинвертируемым», и выходе, который называется под названием «инвертируемый», устройство использует два аналогичных разнополярных сигнала. При этом если аналоговый вход больше, чем аналоговый выход, то выход будет «1», и это включит открытый коллектор транзистора Q8 на эквивалентной схеме LM339, которую нужно включить. Но, если вход находится на отрицательном уровне, то сигнал будет равняться «0», из-за чего, коллектор будет находиться в закрытом виде.

Практически всегда двухпороговый или фазовый компаратор (например, на транзисторах, без усилителя) воздействует на входы в логических цепях, соответственно, работает по уровню определенной сети питания. Это своеобразный элемент перехода между аналоговыми и цифровыми сигналами. Такой принцип действия позволяет не уточнять определенность или неопределенность выходов сигналов, т. к. компаратор всегда имеет некий захват петли гистерезиса (независимо от её уровня) или окончательный коэффициент усиления.

Назначение

Зачем нужен компаратор и как его использовать без усилителя? В большинстве случаев, этот прибор применяется в несложных компьютерных схемах, где нужно сравнивать сигналы входящего напряжения. Это может быть зарядное устройство для ноутбука или телефона, весы (определитель массы), датчик сетевого напряжения AVR, таймер (компоратор типа lm 358, микроконтроллер и т. д. Также его применяют различные интегральные микросхемы для контроля входных импульсов, обеспечивая связь между источником сигнала и его центром назначения.

Фото — компараторы для компьютера

Наиболее популярным примером является компаратор триггер (регулятор) Шиммера. Он работает в режиме многоканальности, соответственно, может сравнивать большое количество сигналов. В частности, данный триггер применяется для того, чтобы восстановить цифровой сигнал, который искажает связь в зависимости от уровня напряжения и расстояния источника питания.

Это аналог стандартного компаратора, просто с более расширенным функционалом, который обеспечивает измерение нескольких входящих сигналов.

Фото — ОУ компаратор

Также есть компаратор шероховатости. Это устройство, которое помогает визуально определить состояние поверхности, которая уже подвергалась обработке. Применение этого приспособления обосновано необходимостью определять допуски обработанных ранее поверхностей.

Программирование и компаратор

Компоратор используется не только как часть электрической схемы ШИМ и т. д., его часто используют для создания отдельных программ или их компонентов. Например, устройство часто используется для создания java-коллекций.

  1. Чтобы работать, Вам понадобится специальная программа Maven. Для начала Вам нужно создать проект, для полноценной работы необходимо подключение к интернету. Создаете новый проект, в структуре выберете два компонента: comparator и pojo. Наличие проверяется при помощи утилиты JUnit 4.11;
  2. Установите pom.xml и создайте новый файл. Прерывание процесса недопустимо, поэтому очень важно на каждом этапе сохранять. После осуществляется создание и настройка POJO, где указываются нужные настройки. Параметры зависят от требований к конкретной библиотеке. Это могут быть даты рождения, общая информация по проживанию и т. д.;
  3. И только после создается компаратор. Это класс, который используется для поверки данных и их распределения по нужным папкам. Использование данного класса необходимо, если нужно отсортировать определенную информацию по заданным параметрам (цвета, размеры, даты). Благодаря этому обеспечивается защита данных и их классификация по определенному принципу.

Купить готовый компаратор можно в любом магазине радиотехнических приборов и электротехники. Цена прибора варьируется в зависимости от его назначения и количества каналов.

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….

Схемы компараторов на операционных усилителях

В данной статье разберёмся как работает компаратор на операционном усилителе.

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

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

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

Наглядно эта схема показана на следующем рисунке:

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

Давайте вместе разберемся в её работе.

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

Сигнал 1 больше по напряжению, чем сигнал 2?

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

Рис.2. Наглядное описание работы компаратора

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

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

1. Датчик перегрева радиатора

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

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

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

Рис.3. Схема подключения датчика температуры.

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

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

Рис. 4. Расположение выводов у микросхемы ОУ NE5532.

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

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

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

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

Рис.5. Схема индикатора зарядки/разрядки батареи.

Несколько тонкостей работы с компараторами.

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

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

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

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

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

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

Заключение

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

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

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

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

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

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

Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

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

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

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

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

Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:

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

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

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

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

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

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

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

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

Описание работы компаратора

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

Сигнал на выходе:

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

Входное напряжение смещения компаратора

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

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

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

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

Входное напряжение смещения и гистерезис

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

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

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

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

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

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

1.1. Краткие теоретические сведения

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

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

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

Импульсный режим работы операционного усилителя.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Регенеративный компаратор (триггер Шмитта).

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

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

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

(1.1)

, (1.2)

Откуда ширина зоны гистерезиса

. (1.3)

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

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

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

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

UСР = ,и, где.

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

Компаратор с гистерезисом на LM358 в автомобиль.

Компаратор с гистерезисом на LM358 в автомобиль.

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

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

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

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

C1, C2 я установил для сглаживания питания.

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

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

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

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

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

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

На коленке все работает, в авто пока не проверял.

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

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

Компаратор с гистерезисом – ElettroAmici

Всем доброго времени суток. В предыдущих статьях я рассказывал о применении операционных усилителей в линейных схемах, где ОУ охвачен отрицательной обратной связью, которая позволяет строить усилители, параметры которых будут в основном определяться элементами обвязки ОУ. Данная статья расскажет о применении ОУ без обратной связи или даже с положительной обратной связью (ПОС).

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

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.

Типы компараторов

Специалисты разделяют компараторы на такие типы:

  • аналоговые изделия;
  • компараторы на операционном усилителе.

Аналоговый компаратор

В данное время довольно часто применяется аналоговый компаратор, который оснащен специальным транзисторным входом. Входящий потенциал сигнала в устройстве имеет значение не меньше 0,4 вольта и никогда не увеличивается. Изделие часто делают очень быстрого реагирования, из-за чего входящий сигнал будет меньше указанного диапазона, например, 0,3 вольта. Зачастую подобный диапазон может ограничиваться лишь определенным входным напряжением на транзисторе.

Компаратор на операционном усилителе

Кроме простого устройства, еще изготавливают видеоспектральный компаратор на операционном усилителе. Такое изделие обладает довольно точной балансировкой разницы входного напряжения и большим сопротивлением сигнала на выходе. Из-за такого свойства, компаратор на операционном усилителе можно применять в низко проводимых электрических цепях с маленьким напряжением.

Другими словами, операционный усилитель частоты способен работать совместно с открытым контуром и используется как изделие небольшой производительности. В процессе работы, не инвертирующий вход имеет более высокое значение напряжения, нежели инвертирующий вход. Большое усиление сигнала, который выходит из усилителя, провоцирует выход маленького напряжения на входе устройства.

Если не инвертирующий вход спадает меньше инвертирующего, то сигнал на выходе способен насытиться при отрицательном уровне напряжения, но он будет проводить электрические импульсы. Значение напряжения на выходе операционного усилителя может ограничиваться лишь напряжением питающей сети. Вся электрическая цепь усилителя работает только в линейном режиме при отрицательном значении обратной связи. Этому способствует специальный хорошо сбалансированный источник питания. Практически вся аппаратура, которая работает вместе с компаратором, оборудована функцией фиксации полученной информации. Подобные электронные принципы не способны работать в схемах, в которых применяются плохо проводящие радиоэлементы и разомкнутые контуры.

Недостатки устройства на операционном усилителе

У компаратора с операционным усилителем есть такие недостатки:

  1. Подобные усилители способны работать только в линейном режиме с отрицательным значением обратной связи. Однако операционные усилители довольно долго восстанавливаются.
  2. Практически все усилители оборудованы специальным конденсатором для внутренней компенсации, который способен ограничить скорость увеличения напряжения на выходе для сигналов с большой частотой. Другими словами, подобная схема может задержать электрический импульс.
  3. Устройство не обладает внутренним гистерезисом.

Обладая такими недостатками, компаратор для управления разными цепями применяется без операционного усилителя. Единственным исключением можно считать только генератор. Это устройство необходимо для различных процессов с ограничительным значением напряжения на выходе, которое способно осуществлять взаимодействие с цифровой логикой. Именно поэтому они применяются в разной термической аппаратуре. А также его используют, чтобы сравнивать электрические сигналы и сопротивления таких приборов, как стабилизатор или таймер.

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.

Компаратор с гистерезисом и без гистерезиса

Исходные данные для расчета представлены в таблицах 74 и 75.

Таблица 74. Исходные данные для расчета компаратора

ВходВыходПитание
ViMinViMaxVoMinVoMaxVccVeeVref
0 В5 В0 В5 В5 В0 В5 В

Таблица 75. Пороговые значения

Нижний порог переключения VLВерхний порог переключения VHVH – VL
2,3 В2,7 В0,4 В

Описание схемы

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

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

Рекомендуем обратить внимание:

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

Порядок расчета компаратора с гистерезисом

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

Нестабильность компаратора отверждения с гистерезисом

О компараторах

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

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

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

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

Какова роль гистерезиса?

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

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

При обработке медленно меняющихся сигналов даже с небольшим количеством наложенного шума компараторы, как правило, создают несколько выходных переходов или отражений, когда входной сигнал пересекает и повторно пересекает пороговую область (Рисунок 1). Шумные сигналы могут возникать в любом приложении, особенно в промышленных условиях. Когда сигнал пересекает пороговую область, шум усиливается коэффициентом усиления разомкнутого контура, в результате чего выходной сигнал на короткое время колеблется взад и вперед. Это неприемлемо для большинства приложений, но обычно можно исправить путем введения гистерезиса.

Рисунок 1. Шум вызывает множественные переходы.

Где использовать гистерезис

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

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

Проектирование схем компаратора с гистерезисом

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 5. Компараторы в режиме однополярного питания.

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

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

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

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

Рисунок 7. Компаратор с однополярным питанием и биполярным входом.

Переменные, влияющие на гистерезис

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

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

Рисунок 8. Схема прецизионных зажимов.

Заключение

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

Руководство по добавлению дополнительного Hyseresis к компараторам

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

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

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

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


Рисунок 1. Передаточная характеристика идеального компаратора.


Рисунок 2.Передаточная характеристика для практического компаратора.

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


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

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


Рисунок 4. Простая схема с гистерезисом.


Рисунок 5. Передаточная характеристика для схемы на Рисунке 4.


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

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

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


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


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

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


Рисунок 9. Добавление гистерезиса к компаратору с двухтактным выходом.

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


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

Значения резисторов для цепи делителя обратной связи основаны на простых расчеты двух известных случаев, когда выход находится на одном или другом крайнем уровне (две шины питания).

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

Шаг 1.

Выберите R3. Ток через R3 в точке срабатывания равен (V REF — V OUT ) / R3. Рассмотрение двух возможных выходных состояний при решении для R3 дает две формулы:
R3 = V REF / IR3 и R3 = (V CC — V REF ) / IR3.
Выберите меньшее из двух результирующих значений резистора. Например, для V CC = 5 В, IR3 = 0,2 мкА и компаратора MAX9117 (V REF = 1,24 В) значения двух резисторов составляют 6,2 МОм и 19 МОм. Поэтому для R3 следует выбрать стандартное значение 6.2 МОм.

Шаг 2.

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

Шаг 3.

Рассчитайте R1 по следующей формуле:
В этом примере вставьте значение

Шаг 4.

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

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

Шаг 5.

Рассчитайте R2 следующим образом:

В этом примере выберите стандартное значение 44,2 кОм.

Шаг 6.

Проверьте напряжения отключения и гистерезис следующим образом: V IN нарастание = 2,992 В, что эквивалентно V REF , умноженному на R1, разделенному на параллельную комбинацию R1, R2 и R3:

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

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

Шаг 1.

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

Шаг 2.

Выберите необходимый диапазон гистерезиса (V HB ).

Шаг 3.

Рассчитайте R1 по следующей формуле:

В этом примере вставьте значение

Шаг 4.

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

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

Шаг 5.

Рассчитайте R2 следующим образом:

В этом примере выберите стандартное значение 49.9кОм.

Шаг 6.

Проверьте напряжения отключения и гистерезис следующим образом:


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

Аналоговые компараторы и гистерезис

Стандартным системным требованием является использование результата простого сравнения «A и B» в качестве основы для принятия решения. Например, если температура выше заданного значения, выключите источник тепла; и если температура ниже этой уставки, включите источник тепла.Или, возможно, будет звучать сигнал тревоги, если какой-то критический параметр выходит за пределы порогового значения, например, чрезмерная скорость.

Q: Как функция компаратора реализована в аналоговой схеме?

Элемент схемы компаратора, который делает это, концептуально прост. Он имеет два входа, один из которых является уставкой или желаемым опорным (пороговым) напряжением и может иметь фиксированное значение или настраиваться пользователем, в зависимости от конструкции, Рисунок 1 . Неизвестное напряжение входного сигнала, такое как показание температуры, постоянно сравнивается с заданным значением; если этот вход больше уставки, выход становится высоким; если вход меньше, чем вход, выход становится низким.

Рис. 1. Компаратор реализует простую и очень нелинейную передаточную функцию: когда один вход больше другого, выход высокий; когда этот вход меньше, чем другой, выход становится низким. (Источник изображения: Analog Devices, Inc.)

В: К какому выходу подключен компаратор?

Конечно, это зависит от приложения и архитектуры системы. В некоторых в основном аналоговых схемах или в тех, где необходимо свести к минимуму проблемы с взаимодействием с программным обеспечением и связанные с этим риски, выход компаратора может быть напрямую связан с функцией, которой он управляет, например, с управлением нагревательным элементом.Однако в большинстве схем вывод либо сканируется (проверяется) периодически процессором (программируемого логического контроллера или микроконтроллерной системы), либо используется для генерации прерывания для процессора. Как только система на базе процессора видит изменение выходного состояния компаратора, она инициирует действие, которое она запрограммирована для выполнения.

В: В чем разница между обычным операционным усилителем и компаратором?

Компаратор — это специализированный операционный усилитель (операционный усилитель), оптимизированный для работы с высоким коэффициентом усиления, дифференциальными входами и очень нелинейным выходным состоянием — высоким или низким.Желательные атрибуты операционных усилителей, такие как низкий ток смещения, низкое смещение и высокая линейность, не требуются для компаратора, которому вместо этого требуется быстрый отклик и стабильная производительность, когда два входных сигнала очень близки друг к другу по значению. Несмотря на общее сходство, для этой роли лучше подходит компаратор, хотя в некоторых случаях можно использовать стандартный операционный усилитель (см. FAQ: следует ли использовать операционный усилитель в качестве компаратора?).

Q: Что еще требуется для практичной и полезной функции компаратора?

Одним словом: гистерезис.Это потому, что у «идеального» компаратора есть некоторые отрицательные стороны. Рассмотрим такой сценарий: неизвестный сигнал очень близок к пороговому значению уставки. По мере того, как он немного перемещается вверх и вниз, выходной сигнал компаратора постоянно меняется с высокого на низкий и обратно. Результат — постоянное «мерцание» или «дребезжание» выхода, когда неизвестный сигнал находится около заданного значения. Это не только раздражает (как в случае системы отопления дома или кондиционера), но и вызывает шум, преждевременный износ клапанов, механическую усталость и другие нежелательные последствия.

Кроме того, даже если это дребезжание не считалось проблемой (редкое явление), идеальный компаратор был бы проблемой, потому что в сигнале всегда присутствует электрический шум, и этот шум может вызвать случайное высокое / низкое воздействие на компаратор. выход.

Q: Что делает гистерезис?

Гистерезис устанавливает буферную зону вокруг порогового значения точки срабатывания, в течение которой выход не изменяется от своего предыдущего значения, в зависимости от направления изменения сигнала.Это работает следующим образом: Рисунок 2 : предположим, что входной сигнал ниже уставки, поэтому выход компаратора низкий. По мере увеличения входного сигнала выход компаратора не изменяется и становится высоким до тех пор, пока входной сигнал не станет «немного» на выше заданного значения. Теперь посмотрим на обратный случай, когда входной сигнал выше уставки, а выход компаратора высокий. По мере уменьшения входного сигнала выход компаратора не меняет своего состояния до тех пор, пока входной сигнал не станет немного на ниже заданного значения.

Рис. 2: Гистерезис добавляет «мертвую зону» вокруг порога кроссовера для предотвращения вибрации выхода, при этом состояние выхода зависит от направления движения входного сигнала при его переходе. (Источник изображения: Analog Devices, Inc.)

В: Как реализуется гистерезис с использованием аналоговой схемы?

Это относительно просто и делается с помощью нескольких постоянных резисторов, размещенных вокруг компаратора, Рисунок 3 . В случаях, когда необходимо изменить величину гистерезиса, можно использовать переменные резисторы (настраиваемые вручную или настраиваемые цифровым способом).

Рис. 3: Гистерезис в аналоговой схеме очень легко включить, добавив пару резисторов. (Источник изображения: Analog Devices, Inc.)

В: Какое «правильное» значение гистерезиса?

Как и в большинстве инженерных ситуаций, ответ: «в зависимости от обстоятельств». Меньшая зона гистерезиса означает более жесткое и точное управление, а также большее количество включений / выключений из-за незначительных изменений сигнала и электрических помех. Более широкая зона означает уменьшение дребезга при включении / выключении и повышение помехоустойчивости, но за счет повышения точности вывода.Например, домашняя газовая духовка со стандартным гистерезисом может легко иметь колебания температуры на ± 20 ° F относительно заданной пользователем уставки; Лабораторная печь будет спроектирована с гораздо меньшей полосой гистерезиса, например, ± 1 ° F, но будет иметь больше циклов включения / выключения нагревательного элемента.

Q: Всегда ли функция компаратора и гистерезис реализуются через аналоговые компоненты?

Нет. В случаях, когда входной сигнал изменяется очень медленно, системный процессор может вместо этого считать оцифрованную версию входного сигнала, сравнить ее в программном обеспечении с уставкой и решить, должно ли выходное действие представлять высокое или низкое состояние.Затем величина гистерезиса может быть полностью установлена ​​в программном обеспечении, что добавляет гибкости. Использование цифрового подхода и программного сравнения и гистерезиса практично для медленно меняющихся сигналов и низких частот дискретизации. Но это становится трудным и обременительным для системных ресурсов, поскольку интересующий сигнал достигает диапазона сотен кГц и выше, и его очень трудно реализовать для сигналов в диапазоне МГц. Напротив, полностью аналоговый компаратор можно легко спроектировать для работы в диапазоне десятков МГц и выше с использованием стандартных компонентов.

Номер ссылки

Analog Devices MT-083 Учебное пособие, «Компараторы»

операционных усилителей, схема компаратора | Renesas

Введение в электронные схемы: 3 из 3

На этом занятии мы рассмотрим операционные усилители (операционные усилители) и их использование в усилителях и компараторах.

Операционные усилители

: универсальные ИС для множества приложений

Операционный усилитель работает на аналоговом входе. Его можно использовать для усиления или ослабления этого входного сигнала, а также для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование.Из-за широкого диапазона применения операционные усилители встречаются в большинстве электрических цепей.

Типичный операционный усилитель, показанный на рисунке 1, оснащен неинвертирующим входом (Vin (+)), инвертирующим входом (Vin (-)) и выходом (Vout). Хотя это не показано на схеме, операционный усилитель также имеет два входа питания (положительный и отрицательный), а также может включать в себя вход смещения и другие клеммы.

Рисунок 1: Схема операционного усилителя

Основная функция операционного усилителя заключается в значительном усилении разницы между двумя входами и выходе результата.Если вход на V (+) больше, чем на V (-), операционный усилитель будет усиливать и выводить положительный сигнал; если V (-) больше, операционный усилитель выдает усиленный отрицательный сигнал. Две другие особенности типичного операционного усилителя: (а) входное сопротивление чрезвычайно велико и (б) выходное сопротивление чрезвычайно низкое.

Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя настолько велик, даже небольшие различия на входах быстро приведут выходное напряжение к максимальному или минимальному значению. По этой причине операционные усилители обычно подключаются к отрицательной обратной связи.Давайте посмотрим на пример.

Основы операционного усилителя

(1): схема инвертирующего усилителя

Схема, показанная на рис. 2, усиливает и инвертирует (меняет фазу) входной сигнал и выводит результат. В схеме используется отрицательная обратная связь: часть выходного сигнала инвертируется и возвращается на вход. В этом примере обратная связь возникает из-за того, что выход Vout подключен через резистор R2 к инвертирующему входу (-).

Давайте посмотрим, как работает эта схема.Если выход не подключен к напряжению питания, тогда напряжения, приложенные к инвертирующему (-) и неинвертирующему (+) входам, равны; два входа действуют так, как будто закорочены вместе; мы можем представить себе воображаемую короткую. Поскольку разница напряжений между этим воображаемым коротким замыканием и неинвертирующим входом составляет 0 В, точка A также будет иметь значение 0 В. Тогда по закону Ома I 1 = Vin / R 1 .

Рисунок 2: Схема инвертирующего усилителя

Поскольку операционные усилители имеют чрезвычайно высокий входной импеданс, ток на инвертирующий вход практически отсутствует (-).Соответственно, I 1 проходит через точку A и R 2 ; это означает, что I 1 и I 2 практически равны. Тогда по закону Ома Vout = −I 1 × R 2 , где I 1 отрицательно, потому что I 2 течет из точки A, где напряжение равно 0. Рассмотрим это с другой стороны. : любая попытка поднять входное напряжение на инвертирующем входе (-) создает инвертированное и сильно усиленное выходное напряжение, которое течет в обратном направлении, проходит через R 2 и подключается к инвертированной входной клемме (-), тем самым подавляя повышение напряжения Терминал.Система стабилизируется при выходном напряжении, которое доводит напряжение на инвертирующем входе (-) до 0 В, что эквивалентно напряжению на неинвертирующем входе.

Теперь давайте посмотрим, как мы можем использовать взаимосвязь между входом и выходом, чтобы найти коэффициент усиления операционного усилителя. В частности, Vout / Vin = (−I 1 × R 2 ) / (I 1 × R 1 ) = −R 2 / R 1 . Коэффициент усиления отрицательный, потому что фаза выходного сигнала противоположна фазе входного сигнала.

Важно отметить, что в приведенном выше уравнении коэффициент усиления полностью определяется соотношением сопротивлений R 2 и R 1 . Соответственно, вы можете изменить усиление, просто изменив сопротивления. Таким образом, хотя сам операционный усилитель имеет высокое усиление, соответствующее использование отрицательной обратной связи может снизить фактическое усиление до желаемого уровня.

Основы операционного усилителя

(2): Схема неинвертирующего усилителя

В предыдущем разделе мы видели, как операционный усилитель можно использовать для реализации инвертирующего усилителя.На рисунке 3 показано, как мы можем использовать его для создания неинвертирующего усилителя. Неинвертирующий усилитель отличается от инвертирующего по двум основным направлениям: (1) форма выходного сигнала находится в фазе с формой входного сигнала, и (2) входной сигнал поступает на неинвертирующий входной терминал (+). Но обратите внимание, что как неинвертирующие, так и инвертирующие схемы используют отрицательную обратную связь.

Так как же работает эта схема? У нас все еще есть воображаемое короткое замыкание, что означает, что неинвертирующий (+) и инвертирующий (-) входы находятся под напряжением Vin.Так что точка A также находится в Vin. Закон Ома говорит нам, что напряжение на R 1 равно Vin = R 1 × I 1 . А поскольку ток по существу не поступает ни на один из входов операционного усилителя, отсюда следует, что I 1 = I 2 . А поскольку Vout представляет собой сумму напряжений при R 1 и R 2 , мы знаем, что Vout = R 2 × I 2 + R 1 × I 1 . Мы можем изменить эти выражения, чтобы найти коэффициент усиления G следующим образом: G = Vout / Vin = (1 + R 2 / R 1 )

Рисунок 3: Схема неинвертирующего усилителя

Поскольку этот усилитель сохраняет фазу, его часто можно встретить в приложениях, где важно учитывать фазу.

Также обратите внимание, что если R 1 удален из схемы, а R 2 установлен на 0 Ом (или закорочен), схема становится повторителем напряжения с коэффициентом усиления 1. Этот тип схемы часто используется для буферизации. схемотехника и схемы преобразования импеданса.

Схема компаратора

Схема компаратора сравнивает два напряжения и выдает либо 1 (напряжение на плюсовой стороне; VDD на иллюстрации), либо 0 (напряжение на отрицательной стороне), чтобы указать, какое из них больше.Компараторы часто используются, например, для проверки того, достиг ли вход некоторого заранее определенного значения. В большинстве случаев компаратор реализуется с использованием специальной микросхемы компаратора, но в качестве альтернативы можно использовать операционные усилители. На схемах компараторов и схемах операционных усилителей используются одни и те же символы.

На рисунке 4 показана схема компаратора. Прежде всего обратите внимание, что схема не использует обратную связь. Схема усиливает разницу напряжений между Vin и VREF и выводит результат на Vout. Если Vin больше, чем VREF, то напряжение на Vout повысится до положительного уровня насыщения; то есть к напряжению на положительной стороне.Если Vin ниже, чем VREF, то Vout упадет до своего отрицательного уровня насыщения, равного напряжению на отрицательной стороне.

На практике эту схему можно улучшить, включив диапазон напряжения гистерезиса, чтобы снизить ее чувствительность к шумам. Например, схема, показанная на рис. 5, будет обеспечивать стабильную работу, даже когда сигнал Vin несколько зашумлен.

Рисунок 4: Схема компаратора

Рисунок 5: Схема компаратора с гистерезисом

Цепь генератора

с положительной обратной связью

Обратная связь — это возврат части выхода схемы обратно на вход схемы с целью некоторого регулирования схемы.При отрицательной обратной связи более высокая обратная связь снижает выходной сигнал схемы. При положительной обратной связи, как в примере здесь, более высокий выход увеличивает выход. Когда положительная обратная связь включена в схему с положительным усилением, схема становится генератором.

Существует множество типов схем генератора. На рисунке 6 показан пример нестабильного мультивибраторного генератора.

Рисунок 6: Цепь нестабильного мультивибратора

Эта схема называется нестабильной, потому что она нестабильна при обоих максимальных напряжениях, напряжении V L на положительной стороне и -V L на отрицательной стороне, и будет колебаться между этими двумя уровнями.Давайте посмотрим, как работает эта схема. Во-первых, обратите внимание, что выход Vout проходит через R 2 и обратно на неинвертирующий вывод операционного усилителя (+), образуя цепь положительной обратной связи. Отметим также, что Vout, R 3 и C содержат схему интегратора RC; или, другими словами, часть напряжения на Vout будет постепенно заряжать конденсатор.

Вначале цепь обратной связи быстро приводит Vout к максимальному положительному выходу (равному V L ).Но схема интегратора R3 (R 3 и C) постепенно увеличивает напряжение на инвертирующей входной клемме (-), пока через определенное время это напряжение не станет выше, чем напряжение на неинвертирующей входной клемме (+). Когда это происходит, отрицательное напряжение поступает на дифференциальный вход, быстро понижая Vout до максимума на отрицательной стороне (-V L ).

Теперь, когда Vout находится на отрицательной стороне, схема интегратора R 3 начинает постепенно повышать отрицательное напряжение на инвертирующей клемме (-).И снова, через определенное время, это отрицательное напряжение становится больше, чем напряжение на неинвертирующем выводе (+), вызывая ввод положительного напряжения на дифференциальный вход, который быстро подталкивает Vout обратно к его положительному максимуму ( В Л ). Эта последовательность продолжает повторяться, заставляя Vout колебаться вверх и вниз между V L и — V L .

Это была третья и последняя сессия нашего обзора основных электронных схем. Мы надеемся, что этот обзор был полезен, даже несмотря на то, что мы признаем, что объем был весьма ограничен.В следующий раз мы начнем изучение цифровых схем. Надеемся на ваше дальнейшее участие.

Список модулей

  1. Пассивные элементы
  2. Диоды, транзисторы и полевые транзисторы
  3. Операционные усилители, схема компаратора

Операционные усилители и компараторы

  • Изучив этот раздел, вы сможете:
  • Опишите, как операционные усилители могут использоваться в качестве компараторов.
  • • Использование и ограничения.
  • Понимание гистерезиса применительно к компараторам.
  • • Скорость переключения.
  • • Влияние шума при переключении.
  • Опишите работу триггерного компаратора Шмитта.
  • • Эффект положительной обратной связи.
  • • Контроль гистерезиса.
  • Общие сведения о типичных технологиях, используемых в специализированных ИС компаратора.
  • • Гистерезис и опорное напряжение.
  • • Низкое энергопотребление и скорость переключения.
  • • Типичные применения компаратора.

Использование коэффициента усиления разомкнутого контура операционного усилителя

Выход операционного усилителя может качаться как положительное, так и отрицательное до максимального напряжения, близкого к потенциалам шины питания. Например, максимальное выходное напряжение для популярного операционного усилителя 741 при подключении к источнику питания ± 18 В составляет ± 15 В.

Поскольку коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя чрезвычайно высок (обычно от 10000 до одного миллиона), это означает, что без отрицательной обратной связи любой вход, создающий разницу в напряжении между двумя входными контактами более ± 150 мкВ, может быть усилен на: например, 100000 или более раз и довести выход до насыщения; тогда выход будет казаться «застрявшим» на максимальном или минимальном значении.

Использование максимального коэффициента усиления разомкнутого контура таким образом может быть полезно либо при работе с очень маленькими (и низкочастотными или постоянными) входами в измерительных приборах или медицинских приложениях, либо для сравнения двух напряжений с использованием операционного усилителя в качестве компаратора.В этом режиме выходной сигнал перейдет либо на максимальный высокий, либо на минимальный низкий уровень, в зависимости от того, на несколько микровольт выше или ниже опорного напряжения, подаваемого на другой вход.

Операционный усилитель в качестве компаратора

Рис. 6.6.1 Использование операционного усилителя в качестве компаратора

Базовые типы операционных усилителей, такие как 741, будут адекватно работать в качестве компараторов в простых схемах, таких как переключатель с регулируемой температурой, который требуется для включения или выключения схемы, когда входное напряжение от датчика температуры выше или ниже заданного значения. значение.

На рис. 6.6.1 опорное напряжение приложено к неинвертирующему входу, в то время как переменное напряжение приложено к инвертирующему входу. Всякий раз, когда напряжение, подаваемое на контакт 2, выше, чем опорное напряжение на контакте 3, на выходе будет низкое напряжение, лишь немного выше, чем -Vs, а если на контакте 2 напряжение ниже, чем на контакте 3, выходное напряжение будет высоким. , чуть меньше + Vs.

Однако стандартные операционные усилители разработаны для целей усиления малой мощности, и если они выйдут из состояния насыщения, то потребуется некоторое время для восстановления выходного напряжения и для того, чтобы операционный усилитель снова начал работать в линейном режиме.

Операционные усилители

, разработанные как усилители, не особенно подходят для использования в качестве компараторов, особенно там, где входные сигналы быстро меняются в таких приложениях, как датчики уровня звука или аналого-цифровые преобразователи. Другая проблема с базовой компараторной схемой, показанной на рис. 6.6.1, которая решается операционными усилителями, специально разработанными как компараторы, а не усилители, — это проблема шума. Если во входном сигнале присутствует значительный шум, особенно когда напряжение входного сигнала близко к уровню опорного напряжения, высокочастотные колебания напряжения, вызванные случайным характером шума, сделают напряжение входного сигнала выше или ниже, чем опорное напряжение в быстрой последовательности, заставляя выход мгновенно колебаться между максимальным и минимальным уровнями напряжения.Однако во многих специализированных компараторах эта проблема решается применением гистерезиса.

Гистерезис

В компараторах и схемах переключения это относится к свойству выхода при переключении в высокое или низкое состояние при различных входных значениях. Если компаратор переключил свой выход на один уровень входного напряжения, как объяснено в предыдущем параграфе, или если разница в двух уровнях, обеспечиваемая гистерезисом компаратора, недостаточно велика, переключение с одного из двух выходных условий на другое может быть очень неуверенным.Гистерезис может быть применен к компаратору операционного усилителя и отрегулирован для получения подходящего гистерезисного промежутка с помощью положительной обратной связи в схеме, называемой триггером Шмитта.

Триггер Шмитта

Рис. 6.6.2 Триггер Шмитта операционного усилителя

Схема триггера Шмитта, показанная на рис. 6.6.2, представляет собой инвертирующий компаратор, основанный на микросхеме квадрупольного компаратора LM339 от Texas Instruments, с эталонным значением, приложенным к неинвертирующему входу с помощью делителя потенциала R1 и R2.Это устанавливает опорное напряжение на уровне половины однополярного питания 5 В.

R3 — это подтягивающий резистор, который используется в LM339, поскольку этот компаратор имеет выход с открытым коллектором, то есть выходной каскад, на котором коллектор не имеет внутреннего нагрузочного резистора, подключенного к источнику питания. Причина этого в том, что это позволяет выходу иметь более широкий диапазон напряжений постоянного тока, а не просто варьироваться между питанием и землей.

положительных отзывов

Резистор R4, подключенный между выходом и контактом 5 (неинвертирующий вход), обеспечивает положительную обратную связь для ускорения переключения выхода следующим образом.Предположим, что напряжение V в на выводе 4 повышается до опорного напряжения V ref на выводе 5, а на выходе на выводе 2 высокий уровень. Как только V в будет немного выше, чем V ref , выход начнет падать до 0 В. Часть этого падения напряжения подается через R4 на контакт 5, и поэтому начинает уменьшаться V ref , увеличивая разницу между V ref и V в . Это приводит к более быстрому падению выходного напряжения, и поскольку это падение постоянно возвращается к V ref , падение выходного напряжения ускоряется, вызывая очень быстрое падение до нуля вольт.Аналогичное действие происходит, когда высокое напряжение на выводе 4 падает до более низкого значения, чем на выводе 5, что обеспечивает очень быстрое переключение выхода.

Однако происходит еще одно действие; в предыдущем абзаце было упомянуто, что падение выходного напряжения возвращается через R4 и вызывает падение V ref , а также повышение выходного напряжения вызывает повышение V ref , изменяя опорную точку V . ref в зависимости от того, высокое или низкое выходное напряжение.Разница между высоким и низким значениями V ref называется гистерезисом цепи и является важным свойством триггера Шмитта.

Управление гистерезисом

Рис. 6.6.3 Влияние R4 на гистерезис

V ref управляет точкой, в которой выходной сигнал LM339 IC изменяется с низкого на высокий или с высокого на низкий. Изменение значения V ref в зависимости от того, высокий или низкий уровень на выходе, вносит некоторый гистерезис (разницу между двумя точками переключения) в работу схемы.

V ref изначально контролируется выбором значений делителя потенциала R1 и R2. Поскольку эти резисторы имеют равные значения 10 кОм, V ref должен быть на половине напряжения питания (т.е. 2,5 В). Однако наличие резистора обратной связи R4 вызывает гистерезис, изменяя значение V ref в зависимости от того, находится ли выход в низком или высоком состоянии, как показано на Рис. 6.6.3a и Рис. 6.6.3b.

На рис. 6.6.3a показано, что когда выходной сигнал низкий, контакт 2 LM339 находится на 0 В, а R4 эффективно подключается между V ref на контакте 5 LM339 и 0 В, эффективно соединяя R4 параллельно с R2, уменьшая V исх. по 2.175В.

Однако на рис. 6.6.3b показано, что при высоком уровне выходного сигнала R4 подключает V ref на выводе 5 LM339 к + 5 В и, таким образом, изменяет V ref на 2,82 В, поскольку R4 теперь эффективно подключен к R1.

Путем выбора подходящего значения для R4 величина гистерезиса (изменение V ref ) может быть изменена в соответствии с различными ожидаемыми уровнями шума.

Специализированные ИС компаратора

Для высокоскоростных сравнений доступно множество специализированных операционных усилителей-компараторов, которые изменяют свое выходное состояние менее чем за 1 мкс.Однако, как это принято в большинстве электронных схем, чем быстрее меняются выходы, тем больше потребляется энергии. Доступны компараторы с различными скоростями и разными показателями энергопотребления, так что можно использовать идеальную ИС для данного приложения, в зависимости от того, что важнее — энергопотребление или скорость.

Используя методы, аналогичные по действию описанным выше, доступны интегральные схемы высокоскоростного компаратора со встроенным гистерезисом, такие как LTC1541 от Linear Technology, который имеет свойство встроенного гистерезиса ± 2.25 мВ, чтобы учесть шум на входном сигнале.

Также доступны ИС компаратора

с переменным гистерезисом, позволяющим справляться с различными уровнями шума, и встроенным прецизионным опорным напряжением. Некоторые компараторы, такие как LMP7300 от Texas Instruments, также могут работать при очень низких напряжениях одинарного питания и при очень низких токах. Это делает их идеальными для таких приложений, как датчики низкого напряжения батарей в портативном оборудовании.

Начало страницы

Компараторы OPAMP

— Лаборатория электроники.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 в конфигурации с разомкнутым контуром . Компараторы — это специальные схемы операционных усилителей, которые предназначены для работы в нелинейном режиме и могут использоваться как простые логические вентили.

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 какого-либо 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 питание — 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- ).

Функционирование этой схемы чрезвычайно простое и может быть резюмировано 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 питания, когда дифференциальный вход V в = V 1 -V ref = V 1 становится немного выше нуля в абсолютное значение

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

рис 2: Передаточная характеристика неинвертирующего компаратора

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

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

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

Рис. 4: Представление схемы инвертирующего компаратора

В этом случае значение выхода определяется этими двумя условиями:

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

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

рис. 5: Передаточная характеристика инвертирующего компаратора

Перевод точки опрокидывания

Некоторая сложность может быть добавлена ​​делителем напряжения в опорной ветви либо неинвертирующего, либо инвертирующего компаратора, чтобы преобразовать точку опрокидывания.Точка перелома — 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 ее 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). Кроме того, сигнал инвертируется, как показано на Рис. 5 .

Вход, зависящий от времени

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

рис 8: Работа датчика уровня

Триггер Шмитта

Триггер неинвертирующий

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

рис. 9: Представление схемы неинвертирующего триггера Шмитта

В ситуации, предложенной в рис. 9 , дифференциальный вход может быть записан как V в = 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 можем также рассмотреть тот же положительный отзыв для инвертирующей конфигурации:

Рис 11: Инверсия схемы триггера Шмитта

В этом случае дифференциальный вход может быть записан 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 ( 1 / ( 1 + 2 ))
  • V T- = + V S (R 1 / ( 1 + R 2 ))

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

рис. 12: Передаточная характеристика инвертирующего триггера Шмитта
Приложения

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

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

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

Благодаря гистерезису, который может быть достигнут с 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 не срабатывают из-за фонового шума, 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.

7.5: Компараторы — Разработка LibreTexts

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

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

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

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

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

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

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

Аналогично, чтобы перейти от положительного к отрицательному,

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

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

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

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

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

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

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

Аналогично для противоположного перехода

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

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

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

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

Сначала определите верхнее и нижнее пороговые напряжения.

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

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

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

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

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

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

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

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

Компьютерное моделирование

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

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

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

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

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

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

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

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

LM311 работает следующим образом:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Список литературы

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

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

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *