Компараторы на оу: портал и журнал для разработчиков электроники

ОУ в режиме компаратора: допустимо ли это?

16 сентября 2019

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

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

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Список ранее опубликованных глав

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

Переведено Вячеславом Гавриковым по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

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 (u_вх) с опорным напряжением (U_ОП), 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 которомU_ВЫХ 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 (U_выхmax несколько меньше U_П).

Таким образом, получаем, что при U_ВХ2 – U_ВХ1 > 0 (т. е. U_ВХ2 > U_ВХ1) U_вых = U + _выхmax, а при U_ВХ2 – U_ВХ1 – _выхmax. 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, чтоU_ВХ2 = const, то при достижении напряжением U_ВХ1 уровня напряжения U_ВХ2 происходит изменение полярности напряжения на выходе ОУ, например с U + _выхmax на

U – _выхmax. При U_ВХ2 = 0 схема осуществляет фиксацию момента перехода напряжения U_ВХ1 через ноль.

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

весьма мало. Реально у операционных усилителей U_ВХН 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 u_ВХ – U_ОП 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 U_ОП. 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. УсловиюuВХ – выхmax, 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 u_вх напряжения (порога) срабатывания U_СР, а возвращение в исходное состояние u_вых = U + _выхmax – при снижении u_вх до напряжения (порога) отпускания U_ОТП. 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, U_ср и U_отп различны. Ширина гистерезиса U_Г 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 U_ОП = 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:

U_СР = ,и, где.

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

9.1.    Компараторы | Электротехника

Выходное напряжение усилителя ограничено величиной ±U_{вых max}. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя (К_{U оу})_{велик, то значение выходного напряжения (Uвых = ±Uвых max) достигается при очень малых  входных  напряжениях:}

U_вх= ±U_{вых max} / K_{U оу}.

Поэтому можно считать.

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

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

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

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

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

 мВ,

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

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

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

;

.

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

;       ;   .

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

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

Разница между дифференциальным операционным усилителем и компаратором

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

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

TL072

LM339

Общие вещи:

1. дифференциальный парный вход
2. очень высокий коэффициент усиления

Отличия:

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

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

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

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

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

Современные операционные усилители и компараторы National Semiconductor-II — Компоненты и технологии

Основанная в 1959 году фирма National Semiconductor прошла огромный путь от изготовления первых дискретных транзисторов до выпуска сложнейших современных микроэлектронных устройств. Одним из приоритетных направлений деятельности фирмы является разработка интегральных операционных усилителей (ОУ) и компараторов, объем производства которых в настоящее время составляет около 1 млрд изделий в год.

Впредыдущей статье [1] был рассмотрен ряд операционных усилителей (ОУ) и компараторов National Semiconductor, выпускавшихся в середине 2005 года. За прошедший период номенклатура изделий National Semiconductor, в частности прецизионных операционных усилителей, существенно обновилась. Произошло это в связи с началом производства интегральных микросхем (ИМС) с использованием патентованного технологического процесса VIP50, позволяющего значительно улучшить параметры ОУ и компараторов. Следует отметить, что ценовая политика фирмы осталась прежней — изделия National Semiconductor с параметрами, намного превосходящими аналогичные ИМС других фирм, стоят значительно дешевле.

В отличие от цифровых ИМС, основной проблемой разработчиков которых является повышение степени интеграции и быстродействия при снижении напряжения питания и потребляемой мощности, аналоговые микросхемы, в том числе операционные усилители, более разнообразны, поскольку предназначены для решения широкого круга задач. Например, ИМС для промышленной аппаратуры традиционно имеют напряжение питания 10 В и менее, в то время как микросхемы для стремительно развивающейся автомобильной электроники должны устойчиво функционировать при бортовом питании 12 В и сохранять работоспособность при бросках напряжения до 27 В в широком диапазоне температуры окружающей среды, достигающей +150 °С. Для медицинской техники требуются малошумящие прецизионные многоканальные ОУ с минимальным энергопотреблением в миниатюрных корпусах. Все большие требования по точности, шумам, искажениям и другим параметрам предъявляются и к аналоговым ИМС для бытовой электроники.

В итоге двухлетней работы инженеров National Semiconductor в данном направлении появился технологический процесс производства аналоговых ИМС VIP50, получивший номинацию 2005 EDN Innovation of the Year — «Лучшая инновация 2005 года по версии журнала EDN Magazines». Отметим, что VIP50 не первая революционная технология National Semiconductor, несколько лет назад фирма запатентовала технологический процесс изготовления высокочастотных интегральных комплементарных транзисторов VIP10, позволивший создать серию высокоскоростных ОУ LMH6xxx с токовой обратной связью, обладающих рекордным сочетанием скорости нарастания выходного напряжения и частоты единичного усиления [2].

Известно, что улучшение параметров интегральных транзисторов лимитировано паразитными емкостями и утечками между элементами схемы и подложкой. Процесс VIP50 использует технологию «кремний на изоляторе» — Silicon on Insulator (SOI)—с полной изоляцией элементов углубленным оксидом, ранее не применявшуюся для производства прецизионных аналоговых ИМС. Достоинством процесса VIP50 является и возможность создания на одном кристалле полностью комплементарных биполярных и 0,5 мкм МОП-транзисторов и, как следствие, использование преимуществ БиКМОП-технологии в схемотехнике — создание операционных усилителей с минимальным токопотреблением менее 700 нА, гигантским входным сопротивлением, Rail to Rail входом и выходом (RRIO) и очень малыми шумами, работающими в широком диапазоне напряжений питания от 1,8 до 12 В и более. На рис. 1а и 1б, взятых с сайта фирмы, приведены схематические разрезы n-p-n биполярного транзистора и n-канального МОП-транзистора, изготовленных по технологическому процессу VIP50. Соответственно p-n-p-биполярный и p-канальный МОП-транзистор полностью комплементарны показанным.

Рис. 1. Схематические разрезы интегральных транзисторов изготовленных, по технологическому процессу VIP50 а) биполярного n-p-n-транзистора; б) n-канального МОП-транзистора

Другая особенность процесса VIP50 — применение в ИМС тонкопленочных резисторов с низким температурным коэффициентом и лазерной подгонкой сопротивления с точностью лучше, чем 0,01%, что позволяет создавать интегральные ОУ и другие ИМС с минимальными значениями напряжения смещения и его температурного дрейфа, а также высокостабильным фиксированным или программируемым коэффициентом усиления. Сегодня National Semiconductor предлагает более десяти моделей ОУ и компараторов, выпущенных по технологическому процессу VIP50, их основные параметры при напряжении питания 5 В приведены в таблице. Там же приведены параметры других последних моделей ОУ — малошумящего быстродействующего с низким энергопотреблением LM6211 и ультрапрецизионных с автоматической коррекцией нуля LMV2011 и LMP2011, которые будут рассмотрены в конце статьи.

Таблица. Основные параметры современных ОУ National Semiconductor

Супермикромощный ОУ LPV511 работоспособен в диапазоне питающих напряжений от 2,7 до 12 В и предназначен для работы в устройствах с питанием от солнечных батарей, охранных системах с автономным питанием и другой аппаратуре со сверхнизким энергопотреблением. Номинальное значение потребляемого тока Is даже при температуре 125 °С не превышает 1,5 мкА, соответствующая зависимость Is от напряжения питания и температуры приведена на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость потребляемого тока ОУ LPV511 от напряжения питания и температуры

ОУ LPV511 выдерживает синфазное входное напряжение, равное напряжению питания, и обеспечивает размах выходного напряжения всего на 100 мВ меньше значений напряжения питания (Rail to Rail вход и выход). Скорректирован для любого значения коэффициента вплоть до единичного, обладает сравнительно высоким быстродействием — скорость нарастания выходного напряжения составляет 7,7 В/мкс. По величине напряжения смещения и его температурного дрейфа, а также величинам коэффициента усиления и подавления синфазных сигналов и помех по питанию соответствует прецизионным ОУ. Выпускается в пятивыводном миниатюрном корпусе SC70. Успешно заменяет ОУ MCP6141 и LT1494.

Программируемый ОУ LPV531 с входным каскадом на МОП-транзисторах и Rail to Rail выходом (RRO) предназначен для работы в электронной аппаратуре с автономным питанием, имеющей несколько режимов работы с различным энергопотреблением. Управление параметрами ОУ от микромощного (Low) до сравнительно быстродействующего (Full) с максимальным выходным током 24 мА производится одним внешним резистором, включаемым между выводом ИМС I_SEL и общим проводом, при этом отношение величины потребляемого тока к частоте единичного усиления остается постоянным и равно 90 мкА/МГц. ОУ LPV531 выпускается в шестивыводном корпусе TSOT-23.

Серия экономичных (I_s = 110 мкА) быстродействующих малошумящих одно-двухчетырехканальных ОУ LMV651/2/4 также ориентирована для применения в портативной аппаратуре с батарейным питанием. При частоте единичного усиления 12 МГц LMV651/2/4 потребляют значительно меньшую мощность, чем аналогичные ОУ других производителей. Отличаются низким значением напряжения смещения и его температурного дрейфа, а также малым коэффициентом нелинейных искажений 0,003% в звуковом диапазоне и низким уровнем шумов, что делает перспективным применение ОУ LMV651/2/4 в аппаратуре высококачественного звуковоспроизведения. Работоспособны в расширенном температурном диапазоне от –40 до +125 °С при напряжении питания от 2,7 до 5 В. Выпускаются в корпусах SC70, SOT-23 и TSSOP.

Сдвоенный малошумящий ОУ LMV716 с малым входным током 0,6 пА, Rail to Rail выходом и большим коэффициентом усиления 130 дБ предназначен для использования в активных фильтрах, каскадах предварительного усиления и в качестве инструментального сравнительно быстродействующего усилителя в соответствующем диапазоне частот. Размах выходного сигнала при напряжении питания 3,3 В достигает 3,29 В. LMV716 выпускается в миниатюрном восьмивыводном корпусе MSOP.

Улучшенный вариант LMV716 — серии одно-двухканальных малошумящих ОУ с малым входным током 0,1 пА LMV791/2 и LMV796/7, работоспособных при однополярном питании напряжением от 1,8 В. Особенность данных ОУ — очень низкий уровень шумов 5,8 нВ/√Гц при гигантском входном сопротивлении, что делает предпочтительным их использование в усилителях сигналов фотодиодов, активных фильтрах высоких порядков, медицинской аппаратуре и других аналогичных устройствах. Для экономии энергии батарей ИМС LMV791/2 имеют входы EN, нулевое напряжение на которых переводит ОУ в спящий режим Shutdown, в котором значение потребляемого тока составляет 140 нА на канал. Выпускаются в миниатюрных пяти-шестивыводных корпусах SOT23 и восьми-десятивыводных MSOP.

Теперь перейдем к описанию последних моделей прецизионных операционных усилителей National Semiconductor серии LMP77хх, также выполненных по технологическому процессу VIP50. Их отличает великолепное сочетание различных параметров — минимальное значение напряжения смещения и его температурного дрейфа, низкий входной ток и уровень шумов, широкая полоса усиливаемых частот и температурный диапазон. Серия одно-двух-четырехканальных ОУ LMP7701/2/4 с Rail to Rail входом и выходом работоспособна при напряжении питания от 2,7 до 12 В. Гарантируется максимальное значение напряжения смещения ±200 мкВ (типовое значение ±40 мкВ) и входного тока 100 пА (типовое значение ±0,2 пА), что позволяет эффективно использовать данные ОУ в качестве усилителей сигналов высокоомных датчиков, в инструментальных усилителях и аналогичной аппаратуре.

Рис. 3. Зависимости для ОУ LMP7711 а)распределение (%) по типовому значению напряжения смещения; б)типовая зависимость уровня шумов от частоты

Последние модели прецизионных ОУ, изготовленные по технологическому процессу VIP50 LMP7711/2 и LMP7715/6, имеют еще лучшие параметры, в частности, максимальное значение напряжения смещения у LMP7711 реально не превышает ±100 мкВ (типовое значение 10 мкВ) при температурном дрейфе –1 мкВ/°С, а уровень шумов составляет не более 5,8 нВ/√Гц. Статистическое распределение величины типового напряжения смещения для ОУ LMP7711 при напряжении питания V_S = 5 В и зависимость уровня шумов от частоты сигнала при напряжении питания V_S = 5,5 В и V_S = 2,5 В приведены на рис. 3а и 3б.

Благодаря использованию во входном каскаде ОУ высокотехнологичных МОП-транзисторов, излом зависимости шума 1/f удалось сдвинуть до частоты менее 1 кГц и тем самым значительно расширить частотный диапазон ОУ по минимуму шумов. Отметим, что подобные зависимости характерны для большинства моделей операционных усилителей, изготовленных по технологическому процессу VIP50.

ОУ LMP7711/2 и LMP7715/6 рассчитаны на одно- и двухполярное напряжение питания от 1,8 до 5,5 В и при потребляемом токе 1,15 мА на канал имеют частоту единичного усиления 17 МГц. Особенностью данных ОУ является также очень низкое значение коэффициента нелинейных искажений сигнала 0,001% в звуковом диапазоне. ИМС LMP7711/2 имеют входы EN, нулевое напряжение на которых переводит ОУ в спящий режим Shutdown. Выпускаются в миниатюрных корпусах и успешно заменяют MAX4475 и AD8615.

По технологическому процессу VIP50 выпускается также микромощный интегральный RRIO компаратор LPV7215 с двухтактным выходом. При токе потребления 0,58 мкА время переключения составляет 4,5 мкс. На рис. 4а и 4б соответственно приведены зависимости потребляемого тока IS от напряжения питания и температуры, и времени переключения компаратора t_PD от разности входных напряжений. LPV7215 выпускается в миниатюрных пятивыводных корпусах SC-70 и SOT23 и идеально подходит для применения в схемах детекторов нуля, различных генераторов и таймеров в мобильных устройствах, охранных системах и другой аппаратуре с малым энергопотреблением.

Рис. 4. Зависимости для компаратора LPV7215: а) потребляемого тока от напряжения питания и температуры; б) времени переключения от разности входных напряжений

Малошумящий экономичный широкополосный ОУ LM6211 с напряжением питания от 5 до 24 В и частотой единичного усиления 20 МГц отличается великолепным сочетанием параметров, приближающих его к прецизионным. Особенность LM6211 — небольшая входная емкость 5,5 пФ, что предоставляет возможность использовать данный ОУ в широкополосных усилителях с большим усилением. Позиционируется для применения в активных фильтрах, схемах ФАПЧ, входных каскадах высококачественных усилителей звуковых частот и других аналогичных устройствах. Выпускается в пятивыводном миниатюрном корпусе SOT-23.

Заслуживает внимания одно из последних достижений National Semiconductor — серия ультрапрецизионных одно-двух-четырехканальных операционных усилителей с автоматической коррекцией нуля LMV2011/2/4 и их последующие модификации LMP2011/2/4, работоспособные в расширенном температурном диапазоне от –40 до +125 °C. Типичное значение напряжения смещения LMP2011/2/4 составляет 0,12 мкВ, его температурный дрейф 0,015 мкВ/°C, а общий дрейф напряжения смещения за все время жизни ИМС не превышает 2,5 мкВ.

Рис. 5. а) спектральная плотность напряжения шумов и б) временная зависимость напряжения шумов в полосе частот от 0,1 до 10 Гц для ОУ LMP2011/2/4

В отличие от используемого в операционных усилителях других фирм метода коррекции нуля со сравнительно низкой частотой, создающего значительные шумы и искажения сигнала уже на частотах в десятки–сотни герц, в ОУ LMP2011/2/4 частота коррекции составляет 35 кГц, что позволяет перенести основной шумовой спектр в высокочастотную область, достигнув тем самым очень низкого уровня шумов и искажений в диапазоне частот — до нескольких десятков килогерц. График спектральной плотности шума и временная зависимость напряжения шумов в полосе частот от 0,1 до 10 Гц для ОУ LMP2011/2/4 приведены на рис. 5а и 5б соответственно. Из рисунков видно, что на частотах≤30 кГц шум не зависит от частоты и не превышает значения 35 нВ/√Гц, а максимальный уровень низкочастотного шума от пика до пика составляет 0,8 мкВ. В целом совокупность великолепных характеристик ОУ LMP2011/2/4, таких как сверхмалое смещение и дрейф, весьма высокие для прецизионных ОУ полоса пропускания и скорость нарастания выходного напряжения в сочетании с низкими шумами и малым потребляемым током, позволяет использовать эти микросхемы в широком классе устройств с повышенной точностью и температурной стабильностью — например, в прецизионных инструментальных усилителях, промышленной аппаратуре, автомобильной электронике и т. п. Операционные усилители LPM2011/2012/2014 совпадают по выводам и с превышением параметров заменяют ОУ OP184/284/484 фирмы Analog Devices Inc.

Для сокращения затрат времени на выбор и тестирование операционных усилителей и компараторов National Semiconductor предлагает ряд программных средств, существенно облегчающих поиск нужного компонента среди массы различных изделий, каждое из которых обладает множеством разнообразных электрических характеристик. Это, во-первых, простое и удобное в использовании руководство по выбору операционных усилителей и компараторов Amplifier Selection Guide — Selguide, выполненное в виде небольшой, не требующей установки, автономно работающей программы под ОС Windows (имеется также версия PalmGuide для PalmOS), которую можно бесплатно скачать с сайта www.national.com/selguide. Программа Selguide включает базу данных элементов, дополнение к которой появляется на сайте каждую неделю, и систему поиска ОУ и компараторов по различным параметрам, в том числе по температурному диапазону и типу корпуса.

Кроме того, большинство операционных усилителей и компараторов National Semiconductor поддерживаются онлайновой технологией проектирования электронных устройств Amplifiers Made Simple, которая является частью программной оболочки WEBENCH, размещенной на сайте фирмы и позволяющей выбрать оптимальный тип операционного усилителя, соответствующий требованиям пользователя, а также промоделировать его работу в типовых схемах. Как и все прочие инструментальные средства семейства WEBENCH, Amplifiers Made Simple абсолютно бесплатна. Различные инструменты WEBENCH интегрированы между собой, что создает дополнительные удобства для пользователя.

Благодаря Amplifiers Made Simple, разработчику электронных устройств больше нет необходимости производить трудоемкие расчеты схем и дорогостоящее физическое макетирование. Технология обеспечивает мгновенный доступ к самым последним SPICE-моделям, параметрам и иной информации об операционных усилителях National Semiconductor, а также позволяет проводить сравнение характеристик нескольких устройств одновременно. Компания National Semiconductor гарантирует поставку любых, поддерживаемых средствами WEBENCH продуктов в пределах 24 часов.

Широкая номенклатура и невысокая стоимость интегральных операционных усилителей National Semiconductors, возможность программного и онлайнового выбора делает их весьма привлекательными для широкого круга разработчиков РЭА. Более подробную техническую информацию можно найти на сайте фирмы www.national.com. Рассмотренные операционные усилители и другие компоненты производства компании National Semiconductor можно приобрести в ЗАО «Промэлектроника»—www.promelec.ru.

Литература

1. Штрапенин Г. Л. Современные операционные усилители фирмы National Semiconductor // Компоненты и технологии. 2005. № 7.
2. Штрапенин Г. Л. Быстродействующие операционные усилители фирмы National Semiconductor // Chip News. 2003. № 10.

Знакомство с компараторами на примере чипа LM339

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

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

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

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

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

Данная иллюстрация взята из даташита микросхемы [PDF].

На практике компараторы чаще всего используют одним из следующих образов:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

А какие безумные варианты использования компараторов приходят вам на ум?

Метки: Электроника.

Усилители

в качестве компараторов? | Аналоговые устройства

В. Что такое компаратор? Чем он отличается от операционного усилителя?

A. Основная функция компаратора с высоким коэффициентом усиления — определить, является ли входное напряжение выше или ниже опорного напряжения, и представить это решение как один из двух уровней напряжения, установленных предельными значениями выхода. Компараторы имеют множество применений, в том числе: идентификация полярности, 1-битное аналого-цифровое преобразование, управление переключателем, генерация прямоугольной / треугольной волны и генерация фронта импульса.

В принципе, для выполнения этого простого решения можно использовать любой усилитель с высоким коэффициентом усиления. Но «дьявол кроется в деталях». Итак, есть некоторые основные различия между устройствами, разработанными как операционные усилители, и устройствами, предназначенными для работы в качестве компараторов. Например, для использования с цифровой схемой многие компараторы имеют выходы с фиксацией, а все разработаны так, чтобы иметь выходные уровни, совместимые с цифровыми спецификациями уровня напряжения. Есть еще несколько важных для дизайнеров отличий — они будут обсуждаться здесь.

В. При каких обстоятельствах можно пойти по другому пути?

A. Усилители следует рассматривать для использования в качестве компараторов в приложениях, где необходимы малое смещение и дрейф, а также низкий ток смещения — в сочетании с низкой стоимостью. С другой стороны, существует множество конструкций, в которых усилитель не может рассматриваться как компаратор из-за его длительного времени восстановления после выходного насыщения, большой задержки распространения и неудобства обеспечения совместимости его выхода с цифровой логикой.Кроме того, вызывает беспокойство динамическая стабильность.

Однако есть преимущества в стоимости и производительности при использовании усилителей в качестве компараторов — если их сходства и различия четко осознаются, и приложение может выдерживать, как правило, более низкую скорость усилителей. Никто не может утверждать, что усилитель будет служить заменой компаратора во всех случаях — но для ситуаций с низкой скоростью, требующих очень точного сравнения, производительность некоторых новых усилителей не может сравниться с характеристиками компараторов, имеющих больший шум и компенсировать.В некоторых приложениях с медленно меняющимися входами шум будет вызывать быстрое переключение выходов компаратора вперед и назад (см. «Устранение нестабильности компаратора с помощью гистерезиса», Analog Dialogue , Volume 34, 2000). Кроме того, можно сэкономить на стоимости или ценной печатной плате (PCB) в приложениях, где можно использовать двойной операционный усилитель вместо операционного усилителя и компаратора, или в конструкции, где три из четырех усилителей в пакет quad уже зафиксирован, и необходимо сравнить два сигнала постоянного тока или медленно меняющиеся сигналы.

В. Можно ли использовать этот четвертый усилитель в качестве компаратора?

A. Это вопрос, который сегодня задают нам многие разработчики систем. Было бы бессмысленно покупать четырехканальный операционный усилитель, использовать только три канала, а затем покупать отдельный компаратор — если действительно этот усилитель можно было бы просто использовать для функции сравнения. Однако следует понимать, что усилитель не может использоваться в качестве компаратора во всех случаях. Например, если приложение требует сравнения сигналов менее чем за микросекунду, добавление компаратора, вероятно, является единственным выходом.Но если вы понимаете внутренние архитектурные различия между усилителем и компаратором и то, как эти различия влияют на производительность этих микросхем в приложениях, вы сможете получить неотъемлемую эффективность от использования одного чипа.

На этих страницах мы опишем параметрические различия между этими двумя ветвями технологии усилителей IC и дадим полезные советы по использованию усилителя в качестве компаратора.

В. Так чем же отличаются усилители и компараторы?

А. В целом операционный усилитель (операционный усилитель) оптимизирован для обеспечения точности и стабильности (как постоянного, так и динамического) для заданного линейного диапазона выходных значений в прецизионных схемах с обратной связью. Однако, когда усилитель с разомкнутым контуром используется в качестве компаратора с его выходами, колеблющимися в пределах своих пределов, его внутренняя компенсационная емкость, используемая для обеспечения динамической стабильности, заставляет выходной сигнал медленно выходить из насыщения и нарастать в пределах своего выходного диапазона .Компараторы, с другой стороны, обычно предназначены для работы в разомкнутом контуре, при этом выходы переключаются между указанными верхним и нижним пределами напряжения в ответ на знак чистой разницы между двумя входами. Поскольку они не требуют компенсационных конденсаторов операционного усилителя, они могут работать довольно быстро.

Если входное напряжение компаратора более положительно, чем опорное напряжение плюс смещение — V _OS (при нулевом опорном значении это просто смещение) плюс требуемая повышающая частота (из-за ограниченного усиления и нелинейности выхода), a на выходе появляется напряжение, соответствующее логической «1».На выходе будет логический «0», когда на входе будет меньше V _OS и требуемая перегрузка. Фактически, компаратор можно рассматривать как однобитовый аналого-цифровой преобразователь.

Есть разные способы определения компаратора и усилителя. Например, в усилителе напряжение смещения — это напряжение, которое должно быть приложено к входу, чтобы довести выход до заданного среднего значения, соответствующего идеальному нулю на входе. В компараторе это определение модифицируется так, чтобы его центр находился в указанном диапазоне напряжения от 1 до 0 на выходе.«Низкое» выходное значение компаратора (логический 0) задано на уровне менее 0,4 В макс. В компараторах с TTL-совместимыми выходами, в то время как для низковольтного усилителя низкое выходное значение очень близко к его отрицательной шине (например, , 0 В в системе с однополярным питанием). На Рисунке 1 сравниваются low выходных значений типичных моделей усилителя и компаратора, с дифференциальным входом –1 мВ, приложенным к каждой из них.

Рис. 1. Реакция моделей усилителя с однополярным питанием (63 пВ) и компаратора (280 мВ) на разность входных напряжений –1 мВ.

Созданные для максимально быстрого сравнения двух уровней, компараторы не имеют внутреннего компенсационного конденсатора (конденсатора «Миллера»), который обычно используется в операционных усилителях, а их выходная цепь способна обеспечивать более гибкое возбуждение, чем у операционных усилителей. Отсутствие схемы компенсации дает компараторам очень широкую полосу пропускания. На выходе обычные операционные усилители используют двухтактную схему вывода для по существу симметричных колебаний между указанными напряжениями источника питания, в то время как компараторы обычно имеют выход с «открытым коллектором» с заземленным эмиттером.Это означает, что выходной сигнал компаратора может быть возвращен через маломощный резистор нагрузки коллектора («подтягивающий» резистор) на напряжение, отличное от основного положительного источника питания. Эта функция позволяет компаратору взаимодействовать с множеством логических семейств. Использование низкого сопротивления подтягивания приводит к повышению скорости переключения и помехоустойчивости, но за счет увеличения рассеиваемой мощности.

Поскольку компараторы редко конфигурируются с отрицательной обратной связью, их (дифференциальный) входной импеданс не умножается на усиление контура, как это характерно для схем операционного усилителя.В результате входной сигнал видит изменяющуюся нагрузку и изменяющийся (небольшой) входной ток при переключении компаратора. Следовательно, при определенных условиях необходимо учитывать импеданс ведущей точки. В то время как отрицательная обратная связь удерживает усилители в пределах их линейной выходной области, таким образом сохраняя небольшое изменение большинства внутренних рабочих точек, положительная обратная связь часто используется для принудительного перехода компараторов в состояние насыщения (и обеспечения гистерезиса для снижения чувствительности к шуму). Вход компаратора обычно допускает большие колебания сигнала, в то время как его выход имеет ограниченный диапазон из-за требований к интерфейсу, поэтому внутри компаратора требуется много быстрого сдвига уровня.

Каждое из вышеперечисленных различий между усилителем и компаратором существует по определенной причине, главной целью которых является как можно более быстрое сравнение быстро меняющихся сигналов. Но для сравнения низкоскоростных сигналов — особенно там, где требуется разрешение менее милливольта — некоторые новые усилители Rail-to-Rail от Analog Devices могут быть более выгодными покупками, чем компараторы.

В. ОК. Я вижу, что есть общие различия. Как они выглядят для проектировщика, который хочет использовать операционный усилитель вместо компаратора?

А. Вот шесть основных моментов:

1. Рассмотрим нелинейность V _OS и I _B в зависимости от входного синфазного напряжения

При использовании компараторов напряжения обычно заземляют одну входную клемму и используют несимметричный вход. Основная причина заключалась в плохом подавлении синфазного сигнала входного каскада. Напротив, многие усилители имеют очень высокий уровень подавления синфазного сигнала и способны обнаруживать микровольтные разности уровней при наличии сильных синфазных сигналов.На рис. 2 показан отклик операционного усилителя AD8605 на дифференциальный скачок 100 мВ при синфазном напряжении 3 В.

Рис. 2. Реакция AD8605 без обратной связи на дифференциальный скачок 100 мВ при синфазном напряжении 3 В. Обратите внимание на практически линейное вращение между шинами 0 и 5 В и чистое насыщение.

Но для многих усилителей rail-to-rail-input, входное напряжение смещения (V _OS ) и входной ток смещения (I _B ) являются нелинейными в диапазоне входных синфазных напряжений.При использовании этих усилителей пользователь должен учитывать это изменение в конструкции. Если порог установлен на нулевом синфазном уровне, но часть используется на каком-то другом уровне синфазного сигнала, то полученный логический уровень может быть не таким, как ожидалось. Например, часть со смещением 2 мВ при нулевом синфазном режиме и от 5 до 6 мВ во всем диапазоне синфазного режима может дать ошибочный выходной сигнал при сравнении разницы в 3 мВ на некоторых уровнях в этом диапазоне.

2. Остерегайтесь входных защитных диодов

Многие усилители имеют на входе схемы защиты.Когда два входа испытывают дифференциальное напряжение, превышающее номинальное падение напряжения на диоде (скажем, 0,7 В), защитные диоды начинают проводить ток, и вход выходит из строя. Следовательно, очень важно посмотреть на входную структуру усилителя и убедиться, что она может приспособиться к ожидаемому диапазону входных сигналов. Некоторые усилители, например OP777 / OP727 / OP747, не имеют защитных диодов; их входы могут принимать дифференциальные сигналы вплоть до уровней напряжения питания. На рисунке 3 показан отклик на большой дифференциальный сигнал на входе OP777.В этом случае выходы многих усилителей выходят из строя, а OP777 реагирует правильно. Усилители с КМОП-входом не имеют защитных диодов на входе, и их входное дифференциальное напряжение может качаться по схеме «rail-to-rail». Но помните, что в некоторых случаях подача большого дифференциального сигнала на входе вызывает значительные сдвиги параметров усилителя.

Рисунок 3. Отклик усилителя OP777 на сигнал ± 2 В, 1 кГц, смещенный на +2 В, по сравнению с уровнем + 0,5 В постоянного тока. Обратите внимание, что для этого большого колебания нет инверсии фазы.Однако коэффициент усиления довольно низкий на уровне синфазного сигнала +0,5 В от отрицательной шины, что можно увидеть по необходимому перегрузу примерно на 0,3 В.

3. Следите за характеристиками диапазона входного напряжения и тенденциями изменения фаз:

В отличие от операционных усилителей, которые обычно работают с входными напряжениями на одном уровне, компараторы обычно видят большие перепады дифференциального напряжения на своих входах. Но некоторые компараторы без входов Rail-to-Rail имеют ограниченный диапазон входного синфазного напряжения.Если входы превышают указанный синфазный диапазон устройства (даже если в пределах указанного диапазона сигнала), компаратор может среагировать ошибочно. Это также может быть верно для некоторых старых типов усилителей, разработанных с использованием JFET-транзисторов и биполярных технологий. Когда входное синфазное напряжение превышает определенный предел (IVR), на выходе происходит инверсия фазы. Это явление может иметь пагубные последствия ( см. в главе 6 документа Спросите инженера по приложениям », цифра после таблицы).Поэтому крайне важно выбрать усилитель, который не проявляет реверсирование фазы при перегрузке. Это одна из проблем, которую можно решить, используя усилители с разъемами rail-to-rail.

4. Рассмотреть восстановление насыщения

Типичные операционные усилители не предназначены для использования в качестве быстрых компараторов, поэтому отдельные каскады усиления переходят в состояние насыщения, когда выход усилителя приводится к одному из крайних значений, заряжая компенсационный конденсатор и паразитные емкости.Конструктивное различие между усилителями и компараторами заключается в добавлении схемы фиксации в компараторы для предотвращения внутреннего насыщения. Когда усилитель переходит в режим насыщения, ему требуется время, чтобы восстановиться, а затем установить новое конечное выходное значение — в зависимости от выходной структуры и схемы компенсации. Из-за времени, необходимого для выхода из состояния насыщения, усилитель работает медленнее при использовании в качестве компаратора, чем при использовании под управлением в конфигурации с обратной связью. Информацию о восстановлении насыщения можно найти во многих технических паспортах усилителей.На рисунке 4 показаны графики восстановления насыщения для двух популярных усилителей (AD8061 и AD8605). Выходные структуры этих усилителей представляют собой стандартные двухтактные схемы с общим эмиттером.

Рисунок 4. Восстановление двух популярных усилителей в замкнутой конфигурации.

5. Факторы, влияющие на время перехода

Скорость — одно из отличительных отличий между семейством усилителей и компараторов. Задержка распространения — это время, которое требуется компаратору для сравнения двух сигналов на его входе и для достижения его выходом средней точки между двумя выходными логическими уровнями.Задержка распространения обычно определяется с помощью перегрузки, которая представляет собой разность напряжений между приложенным входным напряжением и опорным напряжением, которое требуется для переключения в течение заданного времени. На следующих графиках характеристики нескольких КМОП-усилителей с разъемом «rail-to-rail» сравниваются с характеристиками популярного компаратора. Все усилители сконфигурированы, как показано на Рисунке 5 (ae), с приложенным напряжением, В _IN , = ± 0,2 В, сосредоточенным вокруг 0 ​​В. В случае компаратора используется подтяжка 10 кОм вместо нагрузка на землю.Скорости усилителя сильно различаются, но из-за насыщения и более низкой скорости нарастания сигнала все они намного медленнее, чем у компаратора.

Рисунок 5а. Схема усилителя Рисунок 5б. Положительный шаг. Рисунок 5c. Отрицательный шаг. Рисунок 5г. Положительный шаг. Рисунок 5д. Отрицательный шаг.

Рисунок 5. Сравнение характеристик компаратора и трех моделей усилителя без обратной связи, напряжение ± 0,2 В. а. Схема усилителя. б. Положительный шаг. c. Отрицательный шаг. Затем с поданным сигналом 50 мВ и перегрузкой 20 мВ.Период = 10 мкс. d. Положительный шаг. е. Отрицательный шаг.

Номер детали	Ток питания (мкА)	Напряжение смещения (мВ)	Диапазон питания (В)	Скорость нарастания (В / мкс
AD8515	350	5,00	1,8-5,0	5
AD8601	1 000 90 159	0.05	2,7-5,0	4
AD8541	55	6,00	2,7-5,0	3
AD8061	8 000	6,00	2,7-8,0	300
LM139	3 200	6.00	5,0–3,6	—

В то время как большинство компараторов имеют перегрузку от 2 мВ до 5 мВ, большинство высокоточных усилителей с низким входным смещением могут надежно работать с перегрузкой всего лишь на 0,05 мВ. Величина овердрайва, применяемого на входе, оказывает значительное влияние на задержку распространения. На рисунке 6 показана реакция AD8605 на несколько значений напряжения перегрузки.

Рис. 6. Отклик AD8605 как компаратора на ступенчатые входы с перегрузкой 1, 10 и 100 мВ.

Поскольку усилителям разрешено потреблять больше энергии, их скорость существенно увеличивается, так что они могут конкурировать с компараторами по времени нарастания и спада. На рисунке 7 показан пример этого — для AD8061 со скоростью нарастания 300 В / мкс в конфигурации разомкнутого контура, реагирующей на входной сигнал перехода через синусоидальный ноль, время восстановления выхода составляет 19 нс. Однако одним из самых больших недостатков использования усилителя в качестве компаратора часто является его энергопотребление, поскольку обычно можно найти компараторы, потребляющие меньший ток питания ( I _SY ), но все же работающие хорошо.Конечно, для приборов, использующих сетевое питание, потребляемая мощность обычно не является большим движущим фактором. Кроме того, многие усилители имеют вывод отключения — функция, редко доступная в компараторах; его можно использовать для экономии энергии.

Рис. 7. Реакция AD8061 как компаратора перехода через ноль.

На рисунке 8 характеристика AD8061 на скачок сравнивается с характеристикой популярного LM139 и двух других усилителей с разомкнутым контуром, подключенных по той же схеме, что и на рисунке 6. Как видно, AD8061 реагирует в течение 300 нс, что быстрее, чем LM139.Это достигается за счет более высокого потребления тока.

Рисунок 8. Ступенчатая характеристика трех усилителей и популярного компаратора. Обратите внимание на особенно быструю реакцию AD8061.

6. Рассмотрите способ взаимодействия с различными семействами логики

Многие современные усилители с выходом rail-to-rail работают с однополярным питанием от 5 В до 15 В, что позволяет легко обеспечить TTL- или CMOS-совместимый выход без необходимости в дополнительных схемах сопряжения. Если логическая схема и операционный усилитель используют один и тот же источник питания, то операционный усилитель с рельсовой нагрузкой будет довольно успешно управлять семейством логики CMOS и TTL, но если операционный усилитель и логическая схема требуют разных уровней питания, потребуются дополнительные схемы интерфейса .Например, рассмотрим операционный усилитель с питанием ± 5 В, который должен управлять логикой с питанием +5 В: поскольку логика может быть повреждена, если к ней приложено –5 В, особое внимание следует уделить конструкции схемы интерфейса. .

На рисунке 9 показан OP1177 (усилитель с двойным питанием), подключенный к логической схеме, а на рисунке 10 показан его отклик на 100 мВ перегрузки. В источниках питания ± 5 В снижается рассеиваемая мощность в режиме покоя, а тепловая обратная связь — из-за рассеяния выходного каскада — сводится к минимуму по сравнению с режимом работы ± 15 В.Более низкое напряжение питания также уменьшает время нарастания и спада OP1177, поскольку выход нарастает в пониженном диапазоне напряжения, что, в свою очередь, сокращает время отклика выхода.

Без схемы защиты на выходе OP1177 выход будет качаться на + V _CC2 и –V _EE2 ; эти уровни могут быть вредными для последующих логических схем. Добавление Q2 и D2 предотвращает отрицательное значение выходного сигнала и переводит пределы в уровни выходного сигнала, совместимые с TTL. D2 фиксирует выход, чтобы он не опускался ниже 0.7 В, как видно на осциллограмме V (D2,2). Значение V _CC Q2 может быть выбрано (для этого анализа было выбрано 5 В) так, чтобы получился правильный логический уровень, как показано формой сигнала V _OUT .

Рисунок 9. OP1177, подключенный для работы компаратора, со схемой преобразования и защиты для выхода TTL. Рисунок 10. Формы сигналов отклика для схемы компаратора OP1177.

Для экономии энергии можно использовать N-канальный MOSFET вместо NPN-транзистора, показанного на рисунке 9.

Q. Таким образом, чистая прибыль …

A. Усилитель может использоваться в качестве компаратора с превосходной точностью на низких частотах. Фактически, для сравнения сигналов с разрешением на уровне микровольт прецизионные усилители — единственный практический выбор. Они также могут быть экономичным выбором для пользователей многоканальных операционных усилителей, когда возможно использование свободных каналов усилителя для удовлетворения требований компаратора. Опытные дизайнеры могут сэкономить деньги при оптимизации своих конструкций, если они постараются: понять сходства и различия между усилителями и компараторами; прочтите технический паспорт усилителя, чтобы узнать о его характеристиках; понимать компромиссы во времени восстановления, скорости и энергопотреблении; и готовы проверить конструкции с усилителями, сконфигурированными как 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, подаваемые на инвертирующий (-) и неинвертирующий (+) входы, 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 течет 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 рост напряжения на этом 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.Таким образом, точка A также находится в Vin. Закон Ома говорит нам, что напряжение на R ₁ равно Vin = R ₁ × I ₁ . А поскольку на любой из входов операционного усилителя по существу нет тока, отсюда следует, что I ₁ = I ₂ . А поскольку Vout представляет собой сумму напряжений при ₁ R и ₂ R, 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 положительной 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 поднимется 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 шуму. 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: Схема нестабильного мультивибратора

Эта цепь 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 ).

Однако 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 ( V _L ). Эта последовательность продолжает повторяться, заставляя Vout колебаться вверх и вниз между V _L и — V _L .

Это 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

Использование операционных усилителей в качестве компараторов

В этой статье обсуждаются спецификации и характеристики, которые следует учитывать при использовании операционных усилителей в качестве компараторов, и приводится процедура проектирования.

Компараторы часто используются для различения двух состояний в системе: например, выдачи высокого логического уровня (5 В) в ситуации перенапряжения и низкого логического уровня (0 В) для нормальной работы.Наряду со специальными компараторами можно настроить операционные усилители (операционные усилители) для работы в качестве компараторов.

Операционные усилители

имеют несколько преимуществ по сравнению со специализированными компараторами: они дешевле и занимают меньше места на печатной плате. Однако перед настройкой операционного усилителя в качестве компаратора необходимо рассмотреть несколько спецификаций или характеристик операционных усилителей.

Соображения по конструкции

При настройке операционного усилителя в качестве компаратора необходимо учитывать наличие ограничивающих диодов дифференциального входа (встречные диоды), входное синфазное напряжение, скорость нарастания напряжения и восстановление после перегрузки время.На рисунке 1 показана типичная конфигурация компаратора при использовании операционного усилителя.

Рисунок 1. Типичная конфигурация компаратора с использованием операционного усилителя.

Дифференциальные входные ограничивающие диоды

Дифференциальные входные ограничивающие диоды, также называемые встречно-параллельными входными диодами, защищают транзисторы входного каскада от больших дифференциальных входных напряжений. На рисунке 2 показаны ограничивающие диоды внутреннего дифференциального входа.

Рисунок 2. Входные ограничивающие диоды

Операционный усилитель не может иметь ограничивающих диодов дифференциального входа при использовании в качестве компаратора. При подаче дифференциального сигнала, превышающего диодное падение, на операционный усилитель с ограничивающими диодами дифференциального входа, один из диодов между неинвертирующим и инвертирующим входами будет проводить, замыкая два входа вместе. В этом случае через соответствующий диод будет протекать чрезмерный ток, что может привести к повреждению устройства. Рисунок 3 иллюстрирует этот эффект, когда входной диод проводит и ток течет от опорного источника (V _Ref ) к входному напряжению (V _в ).

Рисунок 3. Ограничивающий диод проводит, когда дифференциальный вход слишком велик.

Входное синфазное напряжение

Диапазон синфазного напряжения определяет линейную рабочую область входного каскада операционного усилителя. Напряжение на входах операционного усилителя должно быть в этом диапазоне; в противном случае — нежелательные результаты, такие как инверсия фазы.

Задержка распространения

При настройке операционного усилителя в качестве компаратора задержка распространения — это общее время перехода выходного напряжения с низкого на высокий или с высокого на низкий после переходов на входе.Общее время перехода зависит от времени восстановления операционного усилителя после перегрузки и скорости нарастания напряжения. Уравнение 1 вычисляет общее время перехода на выходе операционного усилителя:

т _ИТОГО = т _OL + т _S

, где t _OL — время восстановления после перегрузки, а tS — время нарастания.

Входное напряжение не должно изменяться до тех пор, пока выход не достигнет своего окончательного значения. На рисунке 4 показана типичная форма выходного напряжения операционного усилителя, настроенного как компаратор.Обратите внимание, что выходное напряжение полностью меняется до изменения входа.

Рисунок 4. Задержка распространения

Время восстановления после перегрузки

Время восстановления после перегрузки — это время, необходимое для того, чтобы выходное напряжение начало переходить из состояния насыщения после изменения входного напряжения. Время восстановления перегрузки операционного усилителя будет влиять на синхронизацию сигнала, если время восстановления после перегрузки слишком велико для высокочастотного входного сигнала, потому что выход может не достичь конечного уровня амплитуды для «высокого» или «низкого» состояния раньше. входной сигнал снова изменится.

На рис. 5 показано, как восстановление после перегрузки может повлиять на синхронизацию при настройке операционного усилителя в качестве компаратора. В этом примере t _OL приводит к превышению t _TOTAL допустимого времени перехода. Зеленая пунктирная линия отображает правильную синхронизацию, когда время восстановления после перегрузки достаточно велико для частоты входного сигнала. Сплошная линия выходного сигнала указывает на ситуацию, когда время восстановления устройства после перегрузки слишком велико. Обратите внимание, что выходной сигнал не достигает конечной амплитуды до изменения входного сигнала, что приводит к возможным ошибкам синхронизации, показанным как ΔV на рисунке 5.

Рисунок 5. Влияние времени восстановления после перегрузки на синхронизацию

Скорость нарастания

Скорость нарастания — это максимальная скорость изменения выходного напряжения операционного усилителя, влияющая на время нарастания и спада выходного сигнала на Рисунке 4. Для приложений компаратора выходной сигнал обычно должен изменяться с высокого на низкий или с низкого на высокий, когда входное напряжение пересекает пороговое напряжение. Скорость нарастания напряжения является ключевой характеристикой, поскольку она ограничивает скорость изменения выходного напряжения.При более низкой скорости нарастания выходного сигнала требуется больше времени для достижения конечной амплитуды, что может привести к ошибкам синхронизации, если входной сигнал изменяется до того, как выходное напряжение может достичь высокого или низкого состояния.

На рисунке 6 показано, как скорость нарастания напряжения влияет на синхронизацию при настройке операционного усилителя в качестве компаратора. В этом примере tS заставляет tTOTAL превышать допустимое время перехода. Зеленая пунктирная линия отображает правильную синхронизацию, когда скорость нарастания достаточно высока, чтобы выходной сигнал достиг высокого или низкого состояния до изменения входного сигнала.Сплошная линия выходного сигнала указывает на ситуацию, когда устройство имеет слишком низкую скорость нарастания напряжения. Обратите внимание, что выходной сигнал не достигает конечной амплитуды до изменения входного сигнала, что приводит к потенциальным ошибкам синхронизации, показанным как ΔV на рисунке 6.

Рисунок 6. Влияние скорости нарастания напряжения на синхронизацию

Задержка распространения включает эффекты времени восстановления после перегрузки и скорости нарастания напряжения, на которые влияет разностная амплитуда сигнала, подаваемого на вход.Увеличение дифференциального входного напряжения или напряжения перегрузки может уменьшить время задержки распространения. На рисунке 7 показано, как разные амплитуды входного напряжения перегрузки влияют на задержку распространения на TLV9062. Обратите внимание, что чем больше входное напряжение перегрузки, тем быстрее задержка распространения. Напряжения перегрузки менее 100 мВ приведут к более длительным задержкам распространения, поскольку время восстановления после перегрузки увеличивается, а скорость нарастания уменьшается.

Рисунок 7. Входное напряжение перегрузки в зависимости от задержки распространения спадающего фронта

Процедура проектирования

Можно упростить процедуру проектирования операционного усилителя в качестве компаратора на два этапа проектирования:

1. Установите пороговое напряжение с помощью резисторного делителя или опорного напряжения.
2. Выберите операционный усилитель, отвечающий всем обсуждаемым здесь требованиям к конструкции.

На рисунке 8 показан TLV9062, сконфигурированный как инвертирующий компаратор. Это устройство не имеет входных ограничивающих диодов (требование для работы операционного усилителя в качестве компаратора), имеет входной и выходной сигнал Rail-to-Rail и имеет скорость нарастания 6.5 В / мкс и время восстановления после перегрузки 200 нс.

Рисунок 8. Приложение компаратора с использованием TLV9062

Для топологии инвертирующего компаратора подключите входной сигнал VIN к инвертирующему выводу операционного усилителя, а пороговое напряжение VTH — к неинвертирующему выводу операционного усилителя. В этой конфигурации выход операционного усилителя переходит с высокого уровня на положительный источник питания (V +), когда входной сигнал меньше порогового напряжения, и переходит с низкого уровня на отрицательный источник питания (GND), когда входной сигнал превышает пороговое напряжение. .

А резистивный делитель R1 и R2 и напряжение питания V + задают пороговое напряжение для данной конструкции. Уравнение 2 вычисляет пороговое напряжение. Установка резистора R1 равным R2 устанавливает пороговое напряжение на среднее значение.

Кривые приложения

Использование треугольной формы волны от 0 до 5 В для входного сигнала подтверждает работу компаратора. Входной сигнал треугольной формы помогает легко определить, где выходной сигнал переходит от высокого к низкому или от низкого к высокому, поскольку форма волны представляет собой медленно движущийся входной сигнал с линейным нарастанием.На рисунке 9 показаны формы сигналов входного (черный) и выходного (красный) сигналов. Обратите внимание, что выходной сигнал переключается после того, как входной сигнал пересекает пороговое напряжение 2,5 В.

Рисунок 9. Отклик компаратора на входное напряжение (включая задержку распространения)

Рис. 10 увеличенные скриншоты нарастающих и спадающих фронтов выходного сигнала на рис. 9 показывают влияние скорости нарастания на синхронизацию схемы.TLV9062 занимает примерно 1 мкс для перехода от низкого к высокому (или от высокого к низкому) из-за скорости нарастания напряжения устройства.

Рис. 10. Передний фронт (слева) и задний фронт (справа)

Заключение

Операционные усилители, сконфигурированные для работы в качестве компараторов, представляют собой недорогую и компактную альтернативу выделенным компараторам на печатной плате. Однако для обеспечения ожидаемой производительности необходимо учитывать четыре основные характеристики операционного усилителя:

• Входные дифференциальные ограничивающие диоды.
• Входное синфазное напряжение.
• Скорость нарастания.
• Время восстановления после перегрузки.

В операционном усилителе не должно быть ограничивающих диодов на входе; в противном случае через входы может протекать чрезмерный ток и вызвать повреждение. Не превышайте диапазон входного синфазного напряжения, иначе могут возникнуть нежелательные эффекты, такие как переворот фазы. Наконец, необходимо учитывать как скорость нарастания напряжения, так и восстановление перегрузки во времени перехода выходного сигнала, чтобы избежать ошибок синхронизации и неточных показаний в схеме.Понимая, как каждая из этих характеристик влияет на характеристики схемы, вы можете разработать надежную и точную систему.

Список литературы

1. TI Precision Labs — Обучение операционным усилителям

2. Трамп, Брюс. «Операционные усилители, используемые в качестве компараторов — это нормально?» Техническая статья сообщества TI E2E ™, 14 марта 2012 г.

Отраслевые статьи — это форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного контента.Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предложить читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.

Компаратор операционных усилителей

| Основы электроники

Что такое операционные усилители?

Операционные усилители

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

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

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

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

Чтобы лучше понять диаграмму и формулу выше:

В _с ： Источник входного сигнала
R _с ： Выходное сопротивление источника сигнала
R _i ： Входное сопротивление
R _o ： Выходное сопротивление
R _L ： Сопротивление нагрузки
А _В ： Усиление

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

Однако, когда R _i достаточно велико по сравнению с R _s (R _i = ∞), первый член уравнения может быть приближен к 1 и рассматриваться как Vs = Vi.

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

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

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

Операционные усилители

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

Следовательно,

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

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

Что такое компараторы?

Компараторы

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

+ Потенциал входного контакта> -Потенциал входного контакта = Высокий выход
-Потенциал входного контакта> + Потенциал входного контакта = Низкий уровень выхода

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

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

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

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

Операционные усилители и компараторы

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Опишите, как операционные усилители могут использоваться в качестве компараторов.
• • Использование и ограничения.
• Понимание гистериза 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 положительный, так и отрицательный 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» либо на максимальном, либо на 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 терморегулирующий переключатель, 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, приложенное к контакту 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, будут делать 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 счетверенного 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.

Положительный отзыв

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 уменьшать 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 , и аналогичным образом 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 контролирует точку, 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.

В _ref изначально контролируется выбором значений делителя потенциала R1 и R2. Поскольку эти резисторы имеют одинаковые значения 10 кОм, V _ref должно 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 _{относительно} ) 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 встроенное свойство гистерезиса ± 2.25 мВ, чтобы учесть шум на входном сигнале.

Также доступны интегральные схемы 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

Операционный усилитель

— разница между дифференциальным операционным усилителем и компаратором

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

Давайте сравним внутреннюю схему обычного операционного усилителя TL072 и обычного компаратора LM339:

TL072

LM339

Общее:

1. вход дифференциальной пары
2. очень высокий коэффициент усиления

Отличий:

1. TL072 использует JFET для входа.Это связано с тем, что полевые транзисторы JFET обеспечивают чрезвычайно высокий входной импеданс, который желателен для операционного усилителя. Большинство анализов операционных усилителей предполагает, что токи смещения (токи, проходящие через входы) равны нулю, но это верно только в том случае, если входной импеданс бесконечен. Для компаратора вам действительно нужен высокий входной импеданс, чтобы избежать чрезмерной нагрузки на источник, но не так важно, чтобы входное сопротивление было очень высоким .

2. LM339 имеет выход с открытым коллектором.Для компаратора это хорошо, потому что он позволяет ему взаимодействовать с любым количеством выходных напряжений через подтягивающий резистор или просто реализовать проводную или шину. Вы бы не хотели этого для операционного усилителя, потому что обычно вы хотите, чтобы операционный усилитель был так же хорош в источнике тока, как и в его потреблении, чтобы ваша форма выходного сигнала была симметричной. Обратите внимание на выход двухтактной пары NPN-PNP TL072.

3. LM339 может потреблять выходное напряжение от 0,2 В до \ $ V_ {cc} \ $ благодаря выходу с открытым коллектором.TL072 задает размах выходного напряжения \ $ \ pm 10V \ $, когда \ $ Vcc = 15V \ $, когда нагрузка меньше \ $ 2k \ Omega \ $.

Опытный разработчик микросхем, вероятно, мог бы указать на другие отличия, исходя только из схемы. Я не из таких, но я вижу различия в таблицах данных. Например, я не вижу, чтобы для LM339 были указаны коэффициент подавления синфазного сигнала или источника питания, гармонические искажения или коэффициент шума. Их можно измерить для компаратора, и вы найдете их в каждом техническом описании операционных усилителей, но для приложения компаратора эти параметры не особенно актуальны, поэтому они не указаны, а если бы были, то, вероятно, были бы очень значительными. бедные.

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

Получите дополнительные операционные усилители с помощью запасных компараторов

Итак, вы выбрали микроконтроллер с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и периферийными аналоговыми компараторами для своего экономичного приложения.Затем вы понимаете, что сигнал вашего датчика необходимо усилить до уровня напряжения, подходящего для аналого-цифрового преобразования. Вам нужно купить дополнительное устройство на операционном усилителе или есть другая более дешевая альтернатива? Если выходной сигнал датчика представляет собой быстро движущийся сигнал, то, скорее всего, вам придется потратить больше денег, чтобы добавить этот операционный усилитель. Однако, если на выходе датчика присутствует медленно меняющееся напряжение, например, в датчиках температуры, влажности или внешней освещенности, вы можете преобразовать один из встроенных компараторов для работы в качестве усилителя.

На рисунке 1 показана схема, которая будет работать как усилитель с неинвертирующим усилением, используя компаратор в качестве активного компонента. В зависимости от выбранного микроконтроллера PIC, выход компаратора может быть дополнительно синхронизирован с помощью D-триггера. Обычно тактовую частоту синхронизации можно отрегулировать, выбрав соответствующий делитель на основном генераторе микроконтроллера. RC-цепь R1, R2 и C1 уменьшает выход компаратора, который составляет либо 5 В (напряжение питания), либо землю, и обеспечивает постоянную времени RC.На каждом активном фронте тактового сигнала синхронизации (Sync Clock) выход компаратора фиксируется на D-триггере, который затем обновляет сигнал COUT на R1.

Теперь предположим, что изначально напряжение V _CAP ниже входного напряжения V _IN . Таким образом, выход компаратора высокий. При поступлении активного фронта синхросигнала выход компаратора фиксируется на выходе триггера. Следовательно, сигнал COUT становится высоким, в результате чего напряжение на V _CAP начинает расти.При следующем активном фронте синхроимпульса напряжение V _CAP становится выше, чем V _IN , в результате чего сигнал COUT переходит в низкий уровень. Теперь напряжение V _CAP меняет направление.

Когда наступает следующий тактовый сигнал, напряжение V _CAP продолжает падать, но предположим, что оно все еще выше, чем V _IN . Затем сигнал COUT остается на низком уровне в течение еще одного периода времени. Эта операция продолжается, пока присутствуют часы. За многие тактовые циклы среднее напряжение V _CAP равно V _IN .Кроме того, среднее напряжение на COUT можно выразить с помощью уравнения неинвертирующего усилителя усиления:

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «5df275cdf6d5f267ee1fff23» data-embed-element = «aside» data-embed-align = «left» data-embed-alt = «Файлы электронного дизайна Com 29 8029 Рисунок 03 «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2004/05/electronicdesign_com_files_29_8029_figure_03.png?auto=format&fit=max&w=1440 «data- embed-caption = «»]}%

Среднее напряжение на COUT можно извлечь с помощью простого RC-фильтра нижних частот, R3 и C2, создав линейный выходной сигнал V _OUT .Тогда V _OUT может быть прочитан через АЦП, или он может управлять другим периферийным компаратором.

В зависимости от применения триггер синхронизации можно исключить. Но без синхронизации единственными элементами задержки в системе являются время отклика компаратора и постоянная времени RC, вводимая R1, R2 и C1. В этой конфигурации выход компаратора переключается с гораздо большей скоростью. Следовательно, устройство с большей вероятностью потребляет более высокий ток питания.

Был построен прототип схемы, и впоследствии ее характеристики были оценены в лаборатории.V _IN изменялся от почти 0 до 0,65 В, а V _OUT был записан. Затем были построены передаточная функция и коэффициент усиления для входного диапазона, показанного на рисунке 2.