Компаратор из операционного усилителя: Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ). » Хабстаб

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

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

Давайте подробнее рассмотрим назначение выводов:

• два вывода для подключения питания, плюс и минус напряжения питания;
  
• два входа, один неинвертирующий, обозначенный V+ и один инвертирующий, обозначенный V-;
  
• один выход, обозначенный Vвых;
  

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

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

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

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

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

Давайте немного упростим схему.

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

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

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

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

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

Аналоговый компаратор. Триггер Шмитта — chipenable.ru

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

   Разберем, как работает эта схема. 

Поведение операционного усилителя без обратной связи описывается уравнением:

 

Uout = (Uin1 – Uin2)*G

 

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

 

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

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

 

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

 

1) Uin2 < Uin1 на 1 мВ

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

 

2) Uin2 > Uin1 на 1 мВ

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

 

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

 

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

 

С учетом выше сказанного:

 

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

2)Uout = ~0 В

 

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

 

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

 

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

 

 

 

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

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

 

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

 

Электрическая схема инвертирующего триггера Шмитта представлена ниже. 

 

Разберемся, как она работает.  

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

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

 

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

 

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

 

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

Это изменит напряжение на неинвертирующем входе, оно станет равным (-1) вольт. 

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

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

 

 

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

 

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

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

 

 

 

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

 

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

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

 

 

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

 

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

   Теперь о недостатках схемы.

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

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

Простейшие компараторы на операционных усилителях

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

Рис. 14.5. Простейшая схема компаратора

 

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

Передаточная характеристика такого компаратора изображена на рис. 14.6. Благодаря высокому коэффициенту усиления схема переключается при очень малой величине разности напряжений U

1 – U₂, поэтому она пригодна для сравнения двух напряжений с высокой точностью.

 

 

Рис. 14.6. Передаточная характеристика компаратора

 

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

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

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

 

 

Рис. 14.7. Суммирующий компаратор

 

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

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

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

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

 

 

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

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

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

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

 

Рис. 14.10. Двухпороговый компаратор

 

 

 

 

 

 

Рис. 14. 10 — Временные диаграммы работы двухпорогового компаратора

Операционный усилитель

как схема компаратора и его рабочая операция

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

Операционный усилитель

Операционный усилитель

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

Выход усилителя может быть задан как

Vout = AOL (V + — V-)

Где

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

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

Схема компаратора

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

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

Схема компаратора

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

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

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

Операционный усилитель в качестве компаратора

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

Если мы рассмотрим базовую схему компаратора, то из-за шума будут высокочастотные колебания напряжения. Эту проблему необходимо учитывать в случае операционных усилителей, которые специально разработаны как схемы компаратора. Этот шум возникает всегда, когда входной сигнал напряжения и сигнал опорного напряжения находятся близко друг к другу.

ОУ в качестве компаратора Circuit

Вариация напряжения высокой частоты вызвана из-за случайный характер шума, из-за этого, в быстрых сукцессиях, напряжение входного сигнала становится больше или меньше, чем опорное напряжение. Таким образом, выходной сигнал будет колебаться между максимальным и минимальным уровнем напряжения. Эту проблему можно уменьшить, применив гистерезис. Мы можем регулировать гистерезисный зазор в схеме триггера Шмитта, применяя гистерезис к схеме компаратора операционного усилителя с использованием положительной обратной связи. На рисунке показан операционный усилитель в виде схемы компаратора с гистерезисом.

Операционный усилитель как рабочая схема компаратора

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

как компаратор Принцип работы Принципиальная схема

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

Опорное напряжение подается на входной терминал неинвертирующий ОУ и переменного напряжения подается на инвертирующий входной вывод операционного усилителя. Рассмотрим схему компаратора схемы ОУ, показанного на рисунке, если напряжение подается на контакт 2 больше, чем опорное напряжение подается на контакт 3, то выходное напряжение становится низким, и это незначительно больше, чем -vs. Если напряжение подается на контакт 2 меньше, чем опорное напряжение подается на контакт 3, то выходное напряжение становится высоким, и это незначительно меньше, чем + Vs.

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

Применение операционного усилителя в качестве компаратора в практических электронных схемах

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

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

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

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

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

Операционный усилитель

в качестве компаратора [Analog Devices Wiki]

Цель:

В этой лабораторной работе мы представляем операционный усилитель (ОУ) в конфигурации режима переключения, получая характеристики компаратора напряжения ОУ. Схема компаратора напряжения предназначена для выделения через два различных состояния выходного напряжения относительного состояния двух входных напряжений. Сравнение выполняется с использованием знака разницы между двумя входными напряжениями, а отклик — это одно из двух возможных выходных значений, зависящее от знака этой конкретной разницы.

Фон:

ОУ как «компаратор»:

Рассмотрим операционный усилитель, используемый для усиления сигнала без обратной связи, как показано на рисунке 1a.Поскольку обратная связь не используется, входной сигнал усиливается полным усилением операционного усилителя без обратной связи. Даже очень маленького входного напряжения (менее милливольта с каждой стороны от Vth) будет достаточно, чтобы довести выход до минимального или максимального выходного напряжения, как показано на графиках Vin и Vout. Таким образом, в этом случае, поскольку вход операционного усилителя подключен к Vth, выход представляет знак Vin («0», если Vin Vth) 1, и схема похожа на -разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и работает как компаратор напряжения.

Рисунок 1a, операционный усилитель, используемый в качестве компаратора

На первый взгляд операционные усилители и компараторы могут показаться взаимозаменяемыми, исходя из их обозначений и выводов. В комплект аналоговых деталей входят различные операционные усилители и высокоскоростной компаратор напряжения AD8561, который использовался в других целях. У некоторых разработчиков может возникнуть соблазн использовать или заменить доступные операционные усилители в качестве компараторов напряжения в своих проектах. Однако есть очень важные отличия.Компараторы предназначены для работы без отрицательной обратной связи или разомкнутого контура, они обычно предназначены для управления цифровыми логическими схемами со своих выходов и предназначены для работы на высокой скорости с минимальной нестабильностью. Операционные усилители обычно не предназначены для использования в качестве компараторов, их входные структуры могут насыщаться при перегрузке, что может вызвать сравнительно медленную реакцию. Многие из них имеют входные каскады, которые ведут себя неожиданным образом при работе с большими дифференциальными напряжениями или за пределами указанного синфазного диапазона.Фактически, во многих случаях диапазон дифференциального входного напряжения операционного усилителя ограничен или ограничен, чтобы предотвратить повреждение устройств входного каскада.

Предупреждение: использование операционных усилителей со встроенными входными зажимами в качестве компаратора напряжения может привести к повреждению ИС!

Тем не менее, многие дизайнеры все еще пытаются использовать операционные усилители в качестве компараторов. Хотя в некоторых случаях это может работать на низких скоростях и низких разрешениях, во многих случаях результаты неудовлетворительны. Не все проблемы, связанные с использованием операционного усилителя в качестве компаратора, можно решить с помощью ссылки на техническое описание операционного усилителя, поскольку операционные усилители не предназначены для использования в качестве компараторов.

Наиболее частыми проблемами являются скорость (как мы уже упоминали), влияние входных структур (защитные диоды, инверсия фазы в усилителях на полевых транзисторах, таких как ADTL082 и многие другие), выходные структуры, которые не предназначены для управления логикой, гистерезис и стабильность и синфазные эффекты.

Для компаратора операционного усилителя мы можем рассматривать один вход v _D как разницу между v ⁺ и v ^— . Следовательно, выходное напряжение В, , _, , может принимать одно из двух возможных значений:

• V _O = V _OH (High), что означает, что v ⁺ > v ^— (v _D > 0)
• V _O = V _OL (Низкий), что означает, что v ^{+ —} (v _D

Мы рассматриваем пороговое напряжение V _Th как конкретное значение / значения входного напряжения v _I , при котором происходит переключение на выходе. (установка v _D = 0).

Следует рассмотреть два основных типа компараторов напряжения:

Материалы:

Модуль активного обучения ADALM2000
Макетная плата без пайки и комплект перемычек
3 резистор 10 кОм
1 резистор 20 кОм
1 OP97 (усилитель с низкой скоростью нарастания напряжения, поставляемый с последними версиями комплекта аналоговых деталей ADALP2000)

Простой компаратор

Фон:

Высокое собственное усиление операционного усилителя и эффекты насыщения выходного сигнала можно использовать, настроив операционный усилитель в качестве компаратора, как показано на рисунке 1.По сути, это схема принятия решения с двоичным состоянием: если напряжение на клемме «+» больше, чем напряжение на клемме «-», Vin> Vref, выход становится «высоким» (насыщается до максимального значения) . И наоборот, если Vin В отличие от всех предыдущих схем, между входом и выходом нет обратной связи; мы говорим, что схема работает «без обратной связи».

Рисунок 1 Операционный усилитель в качестве компаратора

Настройка оборудования:

Компараторы используются по-разному, и в следующих разделах мы увидим их в действии в нескольких лабораторных работах. Здесь мы будем использовать компаратор в общей конфигурации, которая генерирует прямоугольный сигнал с переменной шириной импульса:

Начните с отключения источников питания и соберите схему. Как и в схеме суммирующего усилителя, использованной ранее, используйте второй выход генератора сигналов для источника постоянного тока Vref, установите амплитуду на ноль и смещение выходного сигнала до упора вниз, чтобы вы могли отрегулировать от нуля во время эксперимента.

Снова настройте генератор сигналов Vin для синусоидальной волны с амплитудой 2 В на частоте 1 кГц . При включенном источнике питания и нулевом напряжении Vref экспортируйте форму выходного сигнала.

Теперь медленно увеличивайте Vref и наблюдайте, что происходит. Запишите форму выходного сигнала для Vref = 1 В. Продолжайте увеличивать Vref, пока оно не превысит 2 В, и посмотрите, что произойдет. Вы можете это объяснить?

Повторите вышеуказанное для треугольной формы входного сигнала и запишите свои наблюдения для лабораторного отчета.

Рисунок 2. Схема макетной платы компаратора

Процедура:

Используйте первый генератор сигналов в качестве источника Vin для обеспечения возбуждения синусоидальной волны амплитудой 2 В от пика до пика 1 кГц в схему. Подайте на операционный усилитель +/- 5 В от источника питания. Настройте осциллограф так, чтобы входной сигнал отображался на канале 1, а выходной сигнал отображался на канале 2.

Пример графика представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Формы сигналов компаратора

Компаратор гистерезиса

Гистерезис — это зависимость текущего состояния системы от предыдущих значений определяющих его величин. Выходное значение не является строгой функцией соответствующего входа, но также включает некоторую задержку, задержку или зависимость от истории. В частности, реакция на уменьшение входной переменной отличается от реакции на увеличение входной переменной.

В этой конфигурации есть два пороговых значения: V _ThH и V _ThL с двумя выходными значениями: V _OH и V _OL .Пороговые значения должны зависеть от выходного значения, которое возвращается на вход и вносит вклад в пороговые значения (положительная обратная связь). Через резистивный делитель часть выходного напряжения возвращается на неинвертирующий вход.

Анализируя гистерезисные компараторы, мы должны принимать во внимание направление движения гистерезиса и тот факт, что в определенный момент активен только один порог.

Входной сигнал запускает переключение выхода, процесс переключения поддерживается положительной обратной связью.

Неинвертирующий гистерезисный компаратор

Фон:

Рассмотрим схему, представленную на рисунке 4.

Рисунок 4 Неинвертирующий гистерезисный компаратор

Для схемы неинвертирующего гистерезисного компаратора на рисунке 4 Vin подается на неинвертирующий вход операционного усилителя. Резисторы R1 и R2 образуют цепь делителя напряжения на компараторе, обеспечивая положительную обратную связь, при этом часть выходного напряжения появляется на неинвертирующем входе вместе с Vin через тот же резистивный делитель.

Величина обратной связи определяется соотношением сопротивлений двух используемых резисторов (в данной конкретной ситуации соотношение будет равным).

Мы можем вычислить пороговые напряжения следующим образом:

Учитывая v _D = 0, v _в → V _Th , получаем следующие пороги:

Настройка оборудования:

Постройте следующую макетную схему для неинвертирующего гистерезисного компаратора.

Рисунок 5. Макетная схема неинвертирующего гистерезисного компаратора.

Процедура:

Используйте первый генератор сигналов в качестве источника Vin для обеспечения возбуждения синусоидальной волны с амплитудой 6 В от пика до пика 1 кГц в схему. Подайте на операционный усилитель +/- 5 В от источника питания. Настройте осциллограф так, чтобы входной сигнал отображался на канале 1, а выходной сигнал отображался на канале 2.

Пример графика представлен на рисунке 6.

Рисунок 6. Форма волны неинвертирующего гистерезисного компаратора

Рисунок 7. График XY неинвертирующего гистерезисного компаратора

На Рисунке 7. вы можете наблюдать характеристики передачи напряжения неинвертирующего гистерезисного компаратора (нарисованные стрелки указывают поток сигнала относительно пороговых значений).

Инвертирующий компаратор гистерезиса

Фон:

Рассмотрим схему, представленную на рисунке 8.

Рисунок 8. Инвертирующий гистерезисный компаратор.

Для схемы инвертирующего гистерезисного компаратора на рисунке 8 Vin подается на инвертирующий вход операционного усилителя. Резисторы R1 и R2 образуют цепь делителя напряжения на компараторе, обеспечивая положительную обратную связь, при этом часть выходного напряжения появляется на неинвертирующем входе.

Величина обратной связи определяется соотношением сопротивлений двух используемых резисторов (в данной конкретной ситуации соотношение будет равным).

Мы можем вычислить пороговые напряжения следующим образом:

Учитывая v _D = 0, v _в → V _Th , получаем следующие пороги:

Настройка оборудования:

Постройте следующую макетную схему для инвертирующего гистерезисного компаратора.

Рисунок 9. Макетная схема инвертирующего гистерезисного компаратора.

Процедура:

Используйте первый генератор сигналов в качестве источника Vin для обеспечения возбуждения синусоидальной волны с амплитудой 6 В от пика до пика 1 кГц в схему.Подайте на операционный усилитель +/- 5 В от источника питания. Настройте осциллограф так, чтобы входной сигнал отображался на канале 1, а выходной сигнал отображался на канале 2.

Пример графика представлен на рисунке 10.

Рис. 10. Форма сигнала инвертирующего гистерезисного компаратора.

Рисунок 11. График XY инвертирующего гистерезисного компаратора.

На Рисунке 11. вы можете наблюдать характеристику передачи напряжения неинвертирующего гистерезисного компаратора (нарисованные стрелки показывают поток сигнала относительно пороговых значений).

Инвертирующий компаратор гистерезиса с асимметричными порогами

Фон:

Рассмотрим схему, представленную на рисунке 12.

Рисунок 12. Инвертирующий гистерезисный компаратор с асимметричными порогами.

Для инвертирующего компаратора с асимметричными пороги схемы на рисунке 12, дополнительное опорное напряжение Vref используется. Резисторы R1 и R2 образуют сеть делителей напряжения на компараторе, обеспечивая положительную обратную связь, при этом часть выходного напряжения появляется на неинвертирующем входе, а часть Vref проходит через тот же делитель.

Мы можем вычислить пороговые напряжения следующим образом:

Учитывая v _D = 0, v _в → V _Th , получаем следующие пороги:

Настройка оборудования:

Постройте следующую макетную схему для инвертирующего гистерезисного компаратора.

Рис. 13. Инвертирующий гистерезисный компаратор с макетом асимметричных порогов.

Процедура:

Используйте первый генератор сигнала в качестве источника Vin, чтобы обеспечить пик-пик амплитуды 6V, 1 кГц синусоидальной волны возбуждения на схему и второй генератор сигнала в качестве опорного напряжения постоянной 1V. Подайте на операционный усилитель +/- 5 В от источника питания. Настройте осциллограф так, чтобы входной сигнал отображался на канале 1, а выходной сигнал отображался на канале 2.

Пример графика представлен на рисунке 14.

Рисунок 14. Инвертирующий гистерезисный компаратор с асимметричными порогами Форма волны

Рисунок 15. Инвертирующий гистерезисный компаратор с асимметричными порогами XY график

На Рисунке 15. вы можете наблюдать характеристику передачи напряжения неинвертирующего гистерезисного компаратора (нарисованные стрелки показывают поток сигнала относительно пороговых значений).

вопросов

1. Вычислите пороговые напряжения для всех четырех схем компаратора (простой, неинвертирующий гистерезис, инвертирующий гистерезис, асимметричные пороги) и сравните результаты с результатами, полученными на экспериментальных установках.

Для экспериментаторов, которые заканчивают работу раньше или хотят выполнить дополнительную задачу, посмотрите, можете ли вы изменить схему компаратора, используя красный и зеленый светодиоды (из последней лаборатории) на выходе, чтобы красный светодиод загорался при отрицательном напряжении, а зеленый светодиод светился при положительном. напряжения.Уменьшите частоту до 1 Гц (или меньше), чтобы вы могли видеть, как они включаются и выключаются в реальном времени. Не забывайте, что для светодиодов потребуется токоограничивающий резистор, чтобы ток через него не превышал 20 мА.

Вы также можете расширить приведенный выше пример до схемы с несколькими уровнями напряжения, как показано на рисунке 16.

Рисунок 16. Индикатор уровня напряжения с помощью светодиодов.

Материалы:

Модуль активного обучения ADALM2000
Макетная плата без пайки и комплект перемычек
Резистор 3 470 Ом
1 резистор 10 кОм
2 резистор 20 кОм
3 светодиода (красный, зеленый, желтый)
1 ADTL082 (2 встроенных операционных усилителя)

В схеме используется делитель (R ₁ , R ₂ , R ₃ ) для получения одного порога для каждого из двух компараторов.В зависимости от этих пороговых значений и входного напряжения будет гореть один светодиод (D ₁ , D ₂ , D ₃ ).

Упражнения:

1. Вычислите пороговые напряжения в соответствии со схемой на рисунке 16. Определите для каждого диапазона входного напряжения, какой светодиод будет гореть.

2. Соберите макетную схему. Подайте на операционный усилитель +/- 5 В от источника питания. Используйте первый канал генератора сигналов для генерации переменного входного напряжения (V _в ), а второй канал, чтобы генерировать постоянную 5V опорного напряжения.

Рисунок 17. Индикатор уровня напряжения с помощью светодиодов.

Измените входное напряжение от 0 до 5 В и наблюдайте за поведением светодиодов.

Этот тип схемы также известен как оконный компаратор. Приложение по этой теме можно найти в упражнении: Контроль температуры с помощью оконного компаратора.

Дополнительная литература

Некоторые дополнительные ресурсы по операционным усилителям в качестве компараторов:

Вернуться к лабораторной работе Содержание

Следует ли использовать операционный усилитель в качестве компаратора?

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

Компараторы

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

Операционные усилители

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

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

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

Для некритических схем вполне может хватить четвертого операционного усилителя из четырехъядерного блока. В противном случае, возможно, не стоит тратить время или усилия, чтобы в конечном итоге получить головную боль, которую можно решить с помощью подходящего компаратора.

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