Компараторы на операционных усилителях: Простейшие компараторы на операционных усилителях — Мир Антенн

Содержание

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 U₁ – 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

Компаратор. Описание и применение. Часть 1

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.

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 (-).

Принцип работы

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

Фото — схема работы компаратора

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

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

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.

Назначение

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

Фото — компараторы для компьютера

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

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

Фото — ОУ компаратор

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

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».

Как обозначается компаратор на схемах

На схемах компаратора и в электротехнических схемах графическое обозначение измерителя выполняется в форме треугольника, имеющего три выхода. Они обозначаются символами «+» и «-», соответствующих неинвертирующим/инвертирующим показателям, также представляется выходной маркирующий знак «Uout».

Обозначение на схемах

Когда (+) на входе микрочипа, степень сигнала станет больше, чем конкретно на инверсном ( — ), то на выводе будет образовываться устойчивое значение. Исходя из схемотехнической базы компаратора, это число имеет возможность принимать вариант логического «0» либо «1». В цифровых электронных устройствах за «12» принимается сигнал, степень напряжения которого имеет 5В, а за «0» установлено его отсутствие. Другими словами, положение выхода измерителя устанавливается как высокое либо низкое. Хотя обычно на практике за логический «0» принимают разность потенциалов до 2.7 В.

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:

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

Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

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

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

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

Принцип работы и виды интегральных компараторов

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

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

При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:

Диапазон напряжения питания.
Диапазон входных напряжений.
Максимальный ток на выходе компаратора.
Тип выхода.

Не все компараторы могут установить плюс питания на выходе. Рассмотрим работу компаратора на простой схеме.

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

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

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

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

Обозначения выводов выглядят следующим образом:

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

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

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

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

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

Работа компаратора напряжения

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

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

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

Характеристики компараторов

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

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

Устройство

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

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

Компаратор с памятью и стробированием

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

Простая схема структуры устройства со стробированием.

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

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

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

Классификация

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

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

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

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

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.

Программирование и компаратор

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

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

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

Общая информация

Компаратор сравнивает два напряжения, откуда происходит название. При необходимости формируется либо условный сигнал в виде двоичного кода, либо знак разницы выдаётся иным способом:

Крутой перепад напряжения (фронт или спад).
Импульс с заданными характеристиками.
Сменой полярности выходного напряжения.
Двоичным кодом в системе логики данного набора микросхем.

Компаратор территориально входит в аналого-цифровой преобразователь, способен применяться и отдельно. От элемента напрямую зависит точность, как и от разрядности. К характеристикам компаратора относят:

Чувствительность.
Быстродействие.
Стоимость.
Долговечность.
Стабильность.
Нагрузочная способность.
Входное сопротивление и пр.

Большинство компараторов реализуется на базе операционных усилителей, данные в справочниках приводятся совместные. Это достигается за счёт введения обратной связи, что придумано в 30-е годы XX века.

Проектирование гистерезиса компаратора

уравнения (1) е (2) Они могут помочь решить, если сопротивление хочет создать напряжение порога гистерезиса VH и VL. Единственное значение (RX) Требуется быть выбраны произвольно.

В этой иллюстрации, RX был определен 47K, чтобы помочь уменьшить потребление тока. Резус Рассчитанное 270,25k, следовательно, была осуществлена немедленно стандартное значение 270K.

Где применяется компаратор напряжения

Часто КН применяют в градиентном реле — схема, которая реагирует на скорость изменения сигнала, например, фотореле. Такое устройство может использоваться в тех ситуациях, когда освещение меняется довольно стремительно. Например, в охранных установках либо датчиках контроля выпущенных изделий на конвейерах, где прибор станет реагировать на прерывание светового потока.

Еще одна часто используемая схема — датчик измерения температуры и изменения «аналогового» сигнала в «электронный». Оба измерителя преобразовывают амплитуду входящего сигнала в ширину выходящего импульса. Такое превращение довольно часто применяется в разнообразных цифровых схемах. Преимущественно, в измерительных устройствах, блоках питания импульсного типа, электронных усилителях.

Триггер Шмитта

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

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

. Данное различие иллюстрирует изображение ниже

Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева).
Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП.

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

Триггер Шмитта на операционном усилителе.

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

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

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

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

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

Гистерезис с практическим примером

В эти дни я посвященные конструкции зарядного устройства, одна ниже упрощенная версия, используемая мной на макете, чтобы установить на фактическое поле значений, которые будут использоваться. Запрограммированный первоначально установлен таким образом, что выходной сигнал операционного усилителя становится высоким, когда pin3 напряжения выходит чуть выше значения стабилитрона pin2. Когда это происходит, PIN6 становится высокой и достигает следующий потенциал к напряжению питания. Это означает, что резистор обратной связи РЧ (в альт) Это практически параллельно с заданным сопротивлением в верхней половине потенциометра (показано в розовом цвете)

Это означает, что контактное напряжение 3 еще больше увеличивается. в настоящее время, когда напряжение батареи падает, шпилька 6 не отвечает, так как штифт 3 Он должен упасть стать гораздо ниже, чем штифт 2, Это означает, что уровень заряда батареи должен идти вниз относительно долго, чтобы штифт 3 упасть ниже штифта 2. Это заставило задержку между переключателем ОУ ВКЛ и ВЫКЛ в связи с резистором обратной связи называется гистерезис в операционном усилителе. После того, как PIN6 переключается на низком уровне этот раз РЧ расположена параллельно с нижней половиной потенциометра (зеленый) в результате чего порог pin3 еще ниже, и, таким образом, избегая, что несколько мВ изменения батареи может из снова переключить выходной.

На чертеже, зеленый светодиод на означает, что аккумулятор заряжен, а красный означает, что она заряжается. Этот операционный выходной усилитель может управлять теперь зарядкой батареи в автономном режиме без вмешательства схемы п дезактивации активации п.

Привет из A_X_C и AMILCARE

Примеры и использование устройств уточнения веса

Российским стандартом массы является платиновый цилиндр. Он был скопирован с французского образца 125 лет назад. За прошедшие годы, эталон потерял в виде окислов около 40 мкг от первоначального веса. Соответственно, его использование для нужд производств, с высокой точностью измерения массы сейчас затруднительно.

Был разработан новый стандарт массы. Ученые назначили таковым кремниевый шар с четным количеством атомов. Сейчас это наиболее точный вариант эталона килограмма. Его характеристики приняты международным сообществом для использования.

Созданный образец нуждается в многократном копировании. Так как современные направления в науке, особенно фармакология, биоинженерия, компьютерная электроника, нанотехнологические разработки требуют прецизионной точности измерений. Для таких областей науки и техники критичны сотые доли микрограмма. Эту задачу должен решить атомный компаратор массы – устройство способное определить разницу в несколько частиц.

Атомный компаратор использует для измерений опорный сигнал, полученный от высокоточного кварцевого генератора. Измеряемое напряжение берется с квантового дискриминатора, определяющего стабильность линии мельчайших частиц. Ее изменения вызываются расхождением в количестве атомов образца. Поэтому сейчас – это самый точный прибор измерения.

Существуют и менее точные компараторы массы. Их стоимость гораздо ниже атомных, но для них всех находится работа в промышленности, торговле, стандартизации.

Конструкция компаратора

КН нашли обширную область применения в радиоэлектронике разнообразной направленности. В магазинах радиотоваров можно увидеть огромное количество разнообразных микросхем. Но особенно часто применяемыми микросхемами у пользователей считаются:

LM No 339;
LM No 311;
MAX No 934;
К554СА3.

Они легкодоступны в торговой сети и имеют довольно бюджетную цену. Такие КН выделяются обширным спектром входных параметров. К выходу КН способна присоединяться разнообразная токовая нагрузка, как правило, не превосходящая 50.0 мА. Это могут быть микрореле, варистор, световой диод, оптрон либо абсолютно разные исполнительные модули, однако с предельными по току компонентами.

Фотореле контроля

Подобное реле выпускается методом навесного монтажа. Его применяют в охранных контролирующих системах либо для контролирования степени света. Входящее напряжение попадает на делитель R1 и фотодиод VD3. Их объединенная точка сочетания использует ограничивающие диоды VD1/ VD2, подключенные к входам DA1. В итоге входящая разность потенциалов КН будет отсутствовать, а следовательно, и восприимчивость измерителя станет максимальной.

Фотореле

Чтобы выходящий сигнал смог инвертироваться, потребуется обеспечить входную разницу в 1 мВ. По той причине, что к входу подсоединены С1 и сопротивление R1, размер U на нем станет увеличиваться с незначительной задержкой, равноправной периоду заряда С1.

Зарядный блок

Такой блок питания принимается функционировать непосредственно после сборки. Его базовые опции сводятся к установлению рабочего зарядного тока и порогов, по которым срабатывает КН. При подключении прибора зажигается световой диод, позиционирующий подачу напряжения. На протяжении процесса зарядки обязан непрерывно гореть алый световой диод, который погаснет после того, как аккумуляторная батарея будет полностью заряжена

Зарядный блок

Подводимое напряжение от питающего блока настраивается R2, а зарядный ток устанавливается с применением R4. Наладка выполняется с применением сопротивления на 160 Ом, подключающегося в параллель к контактам, которые держат батарейку. Транзистор VT1 размещается на радиаторе, взамен его можно применять КТ814Б. Подобную схему надо будет комплектовать на плате с размером не более 50×50 мм.

Кварцевый генератор

Этот генератор ортогональных импульсов выполняется с использованием российского компаратора K544C3, функционирующего на тактовой гармонике 32.768 Гц. Схема станет рабочей в спектре входящего напряжения 7-11В с частотой установленной кварцем ZQ1. Тем не менее, для эксплуатации такого девайса сверх 50.0 кГц потребуется понизить значение R5-R6.

Генератор

При замыкании другого вывода с 0-проводом КН становится подсоединённым по варианту с незакрытым коллектором, а R7 становится нагрузкой. Подстраивание частотности производится совместно, с применением C1. С применением R4 выполняется автозапуск генератора. Меняя значение R2, изменяется импульсная характеристика.

Дополнительная информация! Выбирая конденсаторы С1 или С2, генератор сможет применяться в виде бесконтактного жидкостного датчика. В роли детектора для этой цели потребуется применять микроконтроллер с ПО. Однако возможно использовать и ещё дополнительно компаратор, который станет фиксировать деформации напряжения.

Отсюда следует, что компаратор способен предназначать действия по уровням значений на собственных вводах. Когда они отличаются, то, исходя от дельты U, выход прибора меняет качественное положение. Именно такие их качества используют создатели, разрабатывая самые разные электроприборы с операционным усилителем.

что это? Отвечаем на вопрос. Микросхема и принцип работы

Компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения каких-либо величин (от лат. comparare – «сравнивать»). Является операционным усилителем с большим коэффициентом умножения. Имеет входы: прямой и инверсный. При необходимости опорный сигнал может быть подключен к любому из них.

Как работает компаратор?

На один из входов подается постоянный сигнал, который называется опорным. Он используется как образец для сравнения. Ко второму поступает испытуемый сигнал. На выходе стоит транзистор, меняющий свое состояние в зависимости от условий:

Напряжение прямого входа выше инверсного – транзистор открыт.
Напряжение инверсного входа выше прямого – закрыт.

Соответственно, выходное напряжение меняется скачком от минимума до максимума, или наоборот.

Напряжение выходных каскадов соответствует входным уровням большинства цифровых микросхем. Это необходимо для случаев, когда компаратор – это формирователь импульса, управляющего работой логических элементов.

Применение компаратора

Используются в схемах измерения электрических сигналов и в аналогово-цифровых преобразователях. В логических цепях работают элементы «или» и «не», также являющиеся компараторами. Соответственно, использование этого компонента не ограничивается конкретными примерами, поскольку он применяется повсеместно.

Стоит отметить, что устройство сравнения можно сделать из любого операционного усилителя, но не наоборот. Коэффициент усиления компаратора достаточно высок. Соответственно, его входы очень чувствительны к разнице напряжений между ними. Расхождение в несколько милливольт значительно изменяет напряжение выхода.

Таким образом, компаратор позволяет наблюдать минимальные колебания уровней входных напряжений. Это делает его незаменимым элементом схем сравнения и измерительных приборов высокой точности:

индикаторы уровня входящего сигнала;
металлоискатели;
микро- и милливольтметры;
детекторы электромагнитных излучений;
лабораторные датчики;
компараторы массы;
газоанализаторы.

Принцип действия аналогового компаратора

Аналоговый компаратор сравнивает непрерывные сигналы – входной измеряемый и входной опорный. Как работает устройство, показано на графике ниже.

При медленном изменении входного сигнала, происходит многократное переключение компаратора за малый отрезок времени. Такое явление называют «электронным дребезгом». Его наличие значительно снижает эффективность сравнения. Поскольку часто повторяющиеся смены состояния выхода, вводят оконечный транзистор в состояние насыщения.

Для уменьшения эффекта «электронного дребезга», в схему вводят ПОС – положительную обратную связь. Она обеспечивает гистерезис – небольшую разницу между уровнем напряжения включения и отключения. Некоторые компараторы имеют встроенную ПОС, что уменьшает количество дополнительных элементов построения конструкции. Например, при незначительной потери чувствительности, добиваются стабильной работы компаратора.

Особенности цифрового компаратора

Цифровой компаратор – это однобитный аналогово-цифровой преобразователь. Напряжение выхода представляет либо логический «0», либо «1». На вход может быть подан как аналоговый, так и цифровой сигнал. Устройство используется в качестве формирователя импульсов для сопряжения схем датчиков и устройств отображения. Может применяться для анализа спектра звукового или светового сигнала. Компаратор – это также логические элементы «или» и «не», используемые в вычислительной технике.

Теоретически при незначительно малых колебаниях уровня входного сигнала, может возникать состояние неопределенности выхода. На практике равенство измеряемого и опорного напряжений не наступает. Поскольку компаратор имеет ограниченный коэффициент усиления или положительную обратную связь.

Характерным примером является триггер Шмитта (ТШ). У него не совпадают уровни включения и выключения, что определяется ПОС. Это позволяет пренебречь дискретной помехой при работе компаратора.

Компаратор-микросхема

Промышленность выпускает компараторы в виде интегральных схем. Их использование позволяет создавать компактные приборы, с минимумом навесных элементов. Также преимущество малогабаритных деталей в незначительной длине соединительных проводников. В условиях повышенного электромагнитного излучения они являются приемными антеннами для всевозможных электрических помех.

Компаратор на операционном усилителе

У компараторов есть немалое сходство с операционными усилителями:

коэффициент усиления;
входное сопротивление;
значение входных токов;
состояние насыщения.

Чувствительность, по-другому разрешающая способность, – это специфический параметр. Она определяет точность сравнения. Характеризуется минимальной разностью сигналов, при которой происходит срабатывание компаратора. Ее значение у интегральных микросхем имеет сотен микровольт. Это несколько хуже, чем у компараторов на операционных усилителях.

Время переключения характеризует быстродействие компараторов. Определяется минимальным временем изменения выходного сигнала: от момента сравнения до момента срабатывания. Зависит от разности сигналов на входах. Значения времени переключения составляют десятки и сотни наносекунд.

Как сделать компаратор своими руками?

Кто умеет читать принципиальные схемы и паять, без труда соберет простейшие компараторы для использования в быту. Область применения весьма обширна. На них можно построить массу конструкций с минимальными затратами. Простейший компаратор – это операционный усилитель без положительной обратной связи.

В качестве основы для компаратора используется ОУ серии LM339. Для контроля и наглядности работы схемы введены красный и зеленый индикаторы. При подключении питания на ОУ должен засветиться один из светодиодов, причем какой из них — неважно. Это определяется множеством факторов: сетевые наводки на схему, особенности партии и параметров ОУ. Даже если взять несколько одинаковых микросхем, получатся различные результаты.

Если входной сигнал близок к «0» – будет светиться зеленый, а если близкое к напряжению питания, то красный светодиод. Затем можно попробовать сменить логическое состояние компаратора, подав на один из входов напряжение равное, например, половине напряжения питания ОУ. Сигнал на выходе не зависит от абсолютного значения напряжений на прямом и инверсном входе. А только от разницы напряжений.

Данные опыты демонстрируют работу компаратора без ПОС. Такой компаратор может быть использован там, где не требуется особой точности измерений. Такими приборами являются бытовые термостаты, зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов, устройства десульфатации (восстановления) автоаккумуляторов, фотореле.

Пример практического применения компаратора

На принципиальной схеме представлен датчик освещенности.

Опорное напряжение задается резисторами RV1 и R2. При этом, RV1 служит регулятором чувствительности конструкции. Индикация реализована на светодиоде D1. Датчиком является элемент LDR1, который меняет омическое сопротивление в зависимости от освещенности. Собственно компаратор представлен операционным усилителем LM324. Это простое устройство демонстрирует то, как работает компаратор на практике.

Компараторы массы: понятие

Компаратор массы это устройство, предназначенное для уточнения разности значений массы гирь при контроле стандартов массы и веса, а также, для прецизионного взвешивания. Наиболее точные компараторы массы способны взвесить любой образец и сравнить его с иным, подобным ему. Происходит это на уровне атомов. Необходимость в таких устройствах возникает по причине несовершенства эталонных образцов мер веса и объема жидкости.

Примеры и использование устройств уточнения веса

Компаратор напряжения — аналоговые интегральные схемы

Компаратор напряжения

Глава 6 — Аналоговые интегральные схемы

ЧАСТИ И МАТЕРИАЛЫ

Операционный усилитель, рекомендованный модель 1458 или 353 (каталог Radio Shack № 276-038 и 900-6298, соответственно)
Три батареи на 6 вольт
Два потенциометра 10 кОм, линейный конус (каталог Radio Shack № 271-1715)
Один светодиод (каталог Radio Shack № 276-026 или аналогичный)
Один резистор 330 Ом
Один резистор 470 Ом

Этот эксперимент требует только одного операционного усилителя. Модель 1458 и 353 являются «двойными» операционными усилителями с двумя полными схемами усилителей, размещенными в одном и том же DIP корпусе с 8 выводами. Я рекомендую вам приобретать и использовать «двойные» операционные усилители на «одиночных» операционных усилителях, даже если проект требует только одного, поскольку они более универсальны (один и тот же блок операционного усилителя может работать в проектах, требующих только одного усилителя как в проектах, требующих два). В интересах покупки и хранения наименьшего количества компонентов для вашей домашней лаборатории это имеет смысл.

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки в электрических цепях, том 3, глава 8: «Операционные усилители»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

Как использовать op-amp в качестве компаратора

СХЕМАТИЧЕСКАЯ СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИИ

ИНСТРУКЦИИ

Схема компаратора сравнивает два сигнала напряжения и определяет, какая из них больше. Результат этого сравнения указывается выходным напряжением: если выход ОУ-усилителя насыщен в положительном направлении, неинвертирующий вход (+) является большим или более положительным напряжением, чем инвертирующий вход (-), все напряжения измеренный относительно земли. Если напряжение ОУ находится вблизи отрицательного напряжения питания (в данном случае 0 вольт или потенциал заземления), это означает, что инвертирующий вход (-) имеет большее напряжение, приложенное к нему, чем неинвертирующий вход (+).

Такое поведение намного легче понять, экспериментируя с схемой компаратора, чем это, читая чье-то словесное описание. В этом эксперименте два потенциометра поставляют переменные напряжения, которые сравниваются с помощью ОУ. Состояние выхода операционного усилителя визуально отображается светодиодом. Регулируя два потенциометра и наблюдая за светодиодом, можно легко понять функцию схемы компаратора.

Для лучшего понимания работы этой схемы вам может понадобиться подключить пару вольтметров к входным терминалам операционного усилителя (оба вольтметра, на которые ссылаются на землю), так что оба входных напряжения могут быть численно сопоставлены друг с другом, эти показания счетчика по сравнению с Состояние светодиодов:

Схемы компаратора широко используются для сравнения физических измерений, при условии, что эти физические переменные могут быть преобразованы в сигналы напряжения. Например, если небольшой генератор был прикреплен к колесу анемометра для создания напряжения, пропорционального скорости ветра, этот сигнал скорости ветра можно сравнить с напряжением «заданного значения» и сравнить с помощью ОУ для управления высокой скоростью ветра аварийная сигнализация:

Компаратор и его свойства — Docsity

Компаратор – это устройство с двумя входными выводами (инвертирующим и неинвертирующим) и выходом, напряжение которого, как правило, имеет размах от питания до питания (railtorail). В этом он подобен операционному усилителю (см. рис. 1). Компаратор обладает низким напряжением смещения, большим коэффициентом усиления, большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС). Так же как и операционный усилитель. Так в чём состоит различие? Компаратор имеет логический выход, который показывает, на каком из входов имеется более высокий потенциал. Если выход компаратора является ТТЛ или КМОП совместимым (а многие компараторы именно такие), подразумевается, что напряжение на выходе может быть равно одному или другому напряжению на шинах питания – или находиться в процессе быстрого перехода между ними. Операционный усилитель (ОУ) имеет аналоговый выход, напряжение на котором обычно не приближается близко к шинам питания, а находится где-то между ними. ОУ разработан для применения в схемах с замкнутой обратной связью (ОС) между выходом и его инвертирующим входом. Однако выходные сигналы большинства современных усилителей могут иметь размах, близкий к напряжениям на шинах питания. Почему бы не использовать их в качестве компараторов? Операционные усилители обладают большим коэффициентом усиления, малым напряжением смещения и высоким КОСС. Обычно они имеют меньшее значение входного тока и стоят дешевле, чем компараторы. Кроме того, ОУ часто доступны по два или четыре прибора в одном корпусе, – если вам необходимы три ОУ и один компаратор, по-видимому, бессмысленно покупать четыре ОУ, не использовать один из них и затем покупать отдельный компаратор. 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. Операционный усилитель имеет пять выводов и на схемах обозначается треугольником, как показано на рисунке ниже.  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 Зачем применять ОУ в качестве компаратора? ● Это удобно, ● Экономично; ● Низкий входной ток IB; ● Низкое напряжение смещения VOS Итак, есть несколько причин, что бы использовать ОУ в качестве компараторов. Некоторые из них технические, одна – чисто экономическая. ОУ производятся в виде одиночных приборов, но также по два или по четыре ОУ в одном корпусе. Сдвоенные и счетверённые приборы дешевле, чем два или четыре отдельных ОУ, и занимают на плате меньше места. Это экономично – использовать один из операционных усилителей в качестве компаратора, вместо того чтобы покупать дополнительный компаратор, но это не слишком хорошая технология проектирования. Компараторы разрабатываются для чистого и быстрого переключения и поэтому часто имеют худшие пара метры на постоянном токе, чем многие ОУ. Поэтому, возможно, ОУ подходят для использования в качестве компаратора в схемах, где требуется низкое смещение VOS, низкий ток

Аналоговые компараторы

Современные компараторы по схеме очень напоминают ОУ. По сути, это тот же операционный усилитель, только без обратной связи и с очень высоким коэффициентом усиления.

Название компараторы произошло от латинского compare – сравнивать. На этом принципе работают приборы, в которых измерение производится методом сравнения с эталоном. Например, равноплечие весы или потенциометры электроизмерительные.

По принципу действия различают электрические, пневматические, оптические и даже механические компараторы. Последние применяются для поверки концевых мер длины. Впервые компаратор для проверки концевых мер был применен в Париже Ленуаром в 1792 году, о чем есть статья в энциклопедии Брокгауза и Эфрона.

Этот механический компаратор использовался для проверки эталона в 1м при образовании французской метрической системы. Точность измерения таким компаратором при помощи системы подвижных рычагов достигала 0,0005мм. Для того времени это было очень точно. Но в этой статье мы не будем подробно рассматривать механические и иные компараторы, поскольку наша задача, — компараторы напряжения.

Интегральные компараторы. Принцип действия и разновидности

В настоящее время компараторы используются в основном в интегральном исполнении. Мало кому придет в голову собирать компаратор из дискретных транзисторов. Более того, компараторы используются как составная часть некоторых микросхем.

Например, интегральный таймер NE555 содержит целых два компаратора на входах, чем, собственно, и достигается вся прелесть его работы. Кроме того, многие современные микроконтроллеры также имеют встроенные компараторы. Но, независимо от исполнения, принципы работы компараторов совершенно одинаковы.

Современные компараторы по схеме очень напоминают ОУ. По сути, это тот же операционный усилитель, только без обратной связи и с очень высоким коэффициентом усиления. Компаратор также имеет два входа, — прямой и инверсный (отмечается кружочком или знаком «минус»).

Основная функция компаратора это сравнение двух напряжений, одно из которых образцовое или опорное, а другое собственно измеряемое.

Выходной сигнал компаратора может принимать лишь два значения: логический ноль, и логическая же единица, но не может изменяться линейно, как у операционного усилителя.

На выходе компараторов, как правило, имеется выходной транзистор с открытым коллектором и эмиттером. Поэтому его можно подключить либо по схеме с ОЭ, либо эмиттерным повторителем, в зависимости от требований конкретной схемы, что и показано на рисунке 1.

На рисунке 1а показано включение выходного транзистора по схеме с общим эмиттером. В этом случае к выходу каскада возможно подключение ТТЛ и КМОП – логики с напряжением питания +5В. Если же КМОП – логика питается от напряжения 15В, то верхний по схеме вывод резистора 1КОм следует подключить к шине питания +15В.

Когда выходной транзистор подключен по схеме эмиттерного повторителя, как показано на рисунке 1б, напряжение на выходе компаратора будет меняться в пределах +15В…-15В. Однако при таком включении существенно падает быстродействие компаратора, а кроме того входы «меняются» местами, — происходит инверсия входов.

Рисунок 1.

Как проверить компаратор, жив или не жив?

Если в схему показанную на рисунке 1а последовательно с резистором R запаять светодиод, подключив его анодом к источнику питания +5В, а на входы с помощью резисторов подать напряжения, то изменяя эти напряжения хотя бы с помощью переменных резисторов, можно заставить мигать светодиод. В какой последовательности подавать опорное и входное напряжения можно узнать дальше. Пусть такая схема для проверки будет маленьким практическим заданием.

Логика работы компаратора

Функциональная схема компаратора показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Функциональная схема компаратора

При таком количестве входов и входных сигналов возможны два варианта. В первом случае, показанном в левой части рисунка, опорное напряжение подается на инвертирующий вход, а входное на неинвертирующий. Если при этом входное напряжение превысит опорное, то на выходе компаратора появится высокий уровень (лог. 1). В противном случае будем иметь логический ноль.

Во втором варианте, показанном в правой части рисунка, опорное напряжение подается на прямой вход, а входное на инвертирующий. В этом случае если входное напряжение больше, чем опорное на выходе компаратора логический ноль, в противном случае единица. На рисунке 2 все эти умозаключения показаны в виде математических формул.

Но тут у внимательного читателя может возникнуть справедливый вопрос: «Посмотрите на рисунок 1, сколько там выходов! Так о каком же из них идет речь, какой тут ноль и где здесь единица?» В этом случае речь идет о базе выходного транзистора, считается, что это выход операционного усилителя, на который подаются входные сигналы. А уж выходной транзистор, как было указано в комментарии к рисунку 1, можно включить любым способом.

Некоторые характеристики аналоговых компараторов

При использовании компараторов нужно учитывать их характеристики, которые можно разделить на статические и динамические. Статические параметры компаратора это те, которые определяются в установившемся режиме.

Прежде всего, это пороговая чувствительность компаратора. Она определяется как минимальная разность входных сигналов, при которой на выходе появляется логический сигнал.

Кроме входных и выходных многие компараторы имеют выводы для подачи напряжения смещения Uсм. С помощью этого напряжения осуществляется необходимое смещение передаточной характеристики относительно идеального положения.

Одним из основных параметров компаратора является гистерезис. Объяснить это явление проще всего, используя пример с обычным реле. Пусть рабочее напряжение катушки, например, 12В, тогда именно при нем произойдет срабатывание реле. Если после этого постепенно убавлять напряжение питания катушки, то отпускание реле произойдет, например, при напряжении 7В. Вот эта разница в целых 5В для данного реле и есть гистерезис. Но повторного включения реле, если напряжение так и останется на уровне 7В, не произойдет. Для этого надо напряжение поднять снова до 12В. И вот тогда…

То же самое наблюдается и у компараторов. Предположим, что входное напряжение плавно возрастает относительно опорного (сигналы поданы, как показано в левой части рисунка 2). Как только входное напряжение станет выше опорного (не менее, чем на величину пороговой чувствительности) на выходе компаратора появится логическая единица.

Если входное напряжение теперь станет плавно уменьшаться, то переход из логической единицы в логический ноль произойдет при напряжении на входе несколько ниже опорного. Разница входных напряжений при этих «выше опорного» и «ниже опорного» называется гистерезисом компаратора. Гистерезис компаратора обусловлен наличием в нем положительной обратной связи, которая призвана обеспечить подавление «дребезга» выходного сигнала при переключении компаратора.

Как устроен компаратор

Принципиальная схема на уровне транзисторов достаточно сложна, велика, не очень понятна, да практически и не нужна. Таковы особенности конструкции интегральной схемотехники, кажется, что транзисторы торчат везде, даже, где и не надо. Поэтому лучше рассмотреть упрощенную функциональную схему компаратора, которая показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Упрощенная функциональная схема компаратора

На схеме показаны входной дифференциальный каскад (ДК), выходная логика и схема смещения уровней.

Входной ДК осуществляет основное усиление разностного сигнала, а также с помощью устройства смещения позволяет осуществить предпочтительное состояние на выходе, что позволяет выбрать тип логики (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП), с которым предстоит работать. Данная настройка осуществляется при помощи подстроечного резистора, подключенного к выводам «балансировка».

Компараторы со стробированием и памятью

Некоторые современные компараторы имеют стробирующий вход: сравнение входных сигналов происходит только в момент подачи соответствующего импульса. Это позволяет сравнивать входные сигналы в тот момент времени, когда это потребуется. Ну, прямо, что душеньке угодно! Упрощенная структурная схема компаратора со стробированием показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Упрощенная структурная схема компаратора

Компараторы, показанные на этом рисунке, имеют парафазный выход, как у триггера, — верхний выход прямой, а нижний, отмеченный кружком, естественно, инверсный. Кроме этого здесь также показан стробирующий вход C.

На рисунке 4а стробирование входных сигналов производится по высокому уровню на входе C. При стробировании по низкому уровню, на графическом обозначении у входа C должен быть маленький кружочек (знак инверсии).

На рисунке 4б стробирующий вход C имеет черточку /, что говорит о том, что стробирование происходит по восходящему фронту импульса. В случае стробирования по падающему фронту черточка имеет вот такое направление .

Таким образом, сигнал стробирования есть не что иное, как разрешение сравнения. Результат сравнения может появляться на выходе только во время действия стробирующего импульса. Но некоторые модели компараторов обладают памятью (для этого достаточно всего одного триггера) и запоминают результат сравнения до прихода следующего импульса стробирования.

Длительность импульса стробирования (его фронта) должна быть достаточной для того, чтобы входной сигнал успел пройти через ДК до того, как успеет сработать ячейка памяти. Применение стробирования увеличивает помехозащищенность компаратора, поскольку помеха может изменить состояние компаратора лишь в короткое время стробирующего импульса. Часто компаратор называют одноразрядным АЦП.

Классификация компараторов

По сочетанию параметров компараторы можно разделить на три большие группы. Это компараторы общего применения, быстродействующие и прецизионные. В любительской практике чаще всего используются первые.

Не обладая какими-то сверхъестественными параметрами по быстродействию и усилению, наличием стробирования и памятью, компараторы широкого применения имеют свои привлекательные свойства и особенности. У них низкая потребляемая мощность, способность работать при низком напряжении питания, а также то, что в одном корпусе можно расположить до четырех компараторов. Такая «семья» позволяет в ряде случаев создавать очень полезные устройства. Одно из таких устройств показано на рисунке 5.

Это простейший преобразователь аналогового сигнала в цифровой унитарный код. Такой код с помощью цифрового преобразования можно переделать в двоичный.

Рисунок 5. Схема преобразователя аналогового сигнала в цифровой унитарный код

Схема содержит четыре компаратора K1…K4. Опорное напряжение подано на инвертирующие входы через резистивный делитель. Если сопротивление резисторов одинаковое, то на инвертирующих входах компараторов напряжение составит n*Uоп/4, где n порядковый номер компаратора. Входное напряжение подано на соединенные вместе неинвертирующие входы. В результате сравнения входного напряжения с опорным на выходах компараторов получится унитарный цифровой код входного напряжения.

Более подробно параметры компараторов общего назначения рассмотрим на примере широко распространенного и достаточно доступного компаратора LM311.

Компараторы серии LM311

Напряжения питания и условия работы

Как написано в Data Sheet эти компараторы имеют входные токи, в тысячу раз меньше, чем компараторы серий LM106 или LM170. Кроме того компараторы серии LM311 имеют более широкий диапазон питающих напряжений: от двухполярного ±15В, как у операционных усилителей, до однополярного +5…15В. Такой широкий диапазон питания позволяет использовать компараторы серии LM311 совместно с операционными усилителями, а также с различными сериями логических микросхем: ТТЛ, КМОП, ДТЛ и другими.

Кроме этого компараторы LM311 могут управлять непосредственно лампами и обмотками реле с рабочими напряжениями до 50В и токами не более 50мА. Кроме LM311 есть еще компараторы LM111 и LM211. Различаются эти микросхемы условиями работы, в основном температурой. Диапазон работы LM311 составляет 0°C…+70°C (коммерческий диапазон) LM211 -25°C…+85°C (промышленный), LM311 -55°C…+125°C (военная приемка).

Полными отечественными аналогами компаратора LM311 являются 521СА3, 554СА3 и некоторые другие. При замене не требуется изменения схемы и даже не придется переделывать печатную плату. Следует лишь обратить внимание на то обстоятельство, что компараторы, как и остальные микросхемы, выпускаются в различных корпусах, поэтому при их покупке на это следует обратить максимум внимания, особенно, если эта покупка будет использоваться для ремонта готового аппарата.

На рисунке 7 показана цоколевка (распиновака) компаратора LM311, выполненного в различных корпусах.

Рисунок 6. Компаратор LM311

Рисунок 7. Цоколевка (распиновака) компаратора LM311, выполненного в различных корпусах.

Собственно о компараторах можно написать еще немало. C их помощью можно сделать фотореле, термореле, индикатор электрического поля, емкостное реле и еще множество других полезных устройств.

Несколько интересных и полезных схем можно найти в «даташит» компаратора LM311, где они приводятся в качестве типовых схем включения. Именно в этом виде компараторы используются достаточно часто. Вот только описания типовых схем даны на «типовом», английском языке. Но, даже не особо зная чужой язык, разобраться можно, хотя бы с помощью онлайн-переводчика Гугл.

По материалам electrik.info

Компараторы и триггеры Шмитта на ОУ

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

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

Работа операционного усилителя без обратной связи

Как известно напряжение на выходе ОУ U_ВЫХ определяется произведением входного дифференциального напряжения U_Д (разность напряжений между входными выводами) на коэффициент усиления ОУ по напряжению К_U

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

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

Принцип работы компаратора

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

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

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

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

Основные схемы компаратора

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

Схема одновходового компаратора.

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

Приведённое напряжение U_ПРИВ можно вычислить по следующему выражению

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

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

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

Схема двухвходового компаратора.

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

Компараторы применяются в широком спектре схем:

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

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

Появление ложных импульсов на выходе компаратора.

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

Триггер Шмитта

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

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

Триггер Шмитта на операционном усилителе.

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

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

Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса U_ГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания U_ВП и нижнего порога срабатывания U_НП

Ограничение уровня выходного напряжения компаратора и триггера Шмитта

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

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

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

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

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

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

Таким образом, при использовании стабилитрона выходное напряжение триггера Шмитта составит: U_ВЫХ1 = U_СТ (при отсутствии ограничения U_НАС+) или U_ВЫХ2 ≈ 0,7 (при отсутствии ограничения U_НАС-).

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

Триггер Шмитта с симметричным ограничением выходного напряжения.

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

При расчёте компараторов и триггеров Шмитта с ограничением выходного напряжения в качестве U_НАС+ необходимо использовать U_СТ (когда используется один стабилитрон) или U_СТVD1 (при двухстороннем ограничении). А вместо U_НАС- необходимо использовать значение падения напряжения на диоде примерно 0,7 В (при одном стабилитроне) или U_СТVD2 (при двухстороннем ограничении).

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

Усилители

в качестве компараторов? | Аналоговые устройства

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

A. Основная функция компаратора с высоким коэффициентом усиления состоит в том, чтобы 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 со спецификациями цифровых уровней 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 с разомкнутым контуром, когда выходы меняются 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 положительное, 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 оно находилось в центре в указанном диапазоне напряжений от 1 до 0 на выходе.«Низкое» выходное значение компаратора (логический 0) указано 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 обеспечивает 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 дает улучшенную скорость переключения и помехоустойчивость — 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 поддерживая 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 структуру входа усилителя и убедиться, что он может приспособиться к ожидаемому диапазону входных сигналов. Некоторые усилители, например OP777 / OP727 / OP747, не имеют защитных диодов; их входы могут принимать дифференциальные сигналы 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 выходят за пределы указанного синфазного диапазона устройства (даже если в пределах указанного диапазона сигнала), компаратор может среагировать ошибочно. Это также может быть справедливо для некоторых из старых типов усилителей, разработанных с использованием транзисторных полевых транзисторов (JFET) и биполярных технологий. Когда входное синфазное напряжение превышает определенный предел (IVR), на выходе происходит инверсия фазы. Это явление может быть пагубным ( 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 напряжения 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, самые высокоточные усилители 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 показан отклик AD8605 на несколько значений напряжения перегрузки.

Рис. 6. Реакция 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 нуль.

На рисунке 8 характеристика ступенчатого сигнала AD8061 сравнивается с таковой у 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. При использовании источников питания ± 5 В снижается рассеиваемая мощность в режиме покоя, а тепловая обратная связь — из-за рассеяния на выходном каскаде — сводится к минимуму по сравнению с работой при напряжении ± 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 отрицательный выход на выходе и переводит пределы в уровни TTL-совместимых выходных сигналов. 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.

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 вводится 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 значительно 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 компенсации фазы.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.

2.3: Простой компаратор операционных усилителей

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

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

\ [V_ {out} = 200 000 \ раз (0.1 \ V − 0 \ V) \ notag \]

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

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

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

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

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

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

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

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

Компьютерное моделирование

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

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

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

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

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

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

На рисунке \ (\ PageIndex {4} \) показан детектор утечки света, который можно использовать в темной комнате фотографа. В этой схеме используется ячейка из сульфида кадмия (CdS), которая используется в качестве светочувствительного резистора. Инвертирующий вход операционного усилителя используется в качестве опорного входа с уровнем постоянного тока 1 В.Неинвертирующий вход используется как вход считывания. В нормальных условиях (без света) ячейка CdS действует как очень высокое сопротивление, возможно, 1 M \ (\ Omega \). В этих условиях установлен делитель напряжения с резистором 10 кОм, выдающий около 150 мВ на неинвертирующем входе. Помните, что загрузка делителя не происходит, потому что LF411 использует вход JFET. Поскольку неинвертирующий вход меньше инвертирующего входа, выход компаратора имеет отрицательное насыщение, или приблизительно -13.5 В. Если уровень окружающего освещения повышается, сопротивление ячейки CdS падает, тем самым повышая сигнал, подаваемый на неинвертирующий вход. В конце концов, если уровень освещенности достаточно высок, неинвертирующий входной сигнал превысит опорное значение 1 В, и выход компаратора перейдет в положительное насыщение, около +13,5 В. Этот сигнал затем может быть использован для запуска той или иной формы звуковой сигнализации. В реальной схеме потребовалась бы гибкость регулируемого опорного сигнала вместо фиксированного опорного напряжения 1 В.Поменяв местами ячейку CdS и резистор 10 кОм (\ Omega \) и отрегулировав опорное значение, можно создать инверсную схему (т. Е. Сигнал тревоги, который определяет темноту).

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

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

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

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

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

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

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

Компараторы OPAMP

— Electronics-Lab.com

Введение

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

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

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

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

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

Презентация

Неинвертирующий компаратор

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

рис 1: Представление схемы неинвертирующего компаратора

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

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

Если V ₁> V _ref, V _out = V _{S +}
Если V ₁ ref , V _out = V _S-

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

Входная / выходная характеристика, связанная со схемой , рис. 1 — это функция, подобная Хевисайду, показанная на рис. , рис. 2, ниже:

рис 2: Передаточная характеристика неинвертирующего компаратора

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

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

Инвертирующий компаратор

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

. Рис. 4: Представление схемы инвертирующего компаратора

В этом случае значение выхода определяется этими двумя условиями:

Если V ₁ ref , V _out = V _{S +}
Если V ₁> V _ref, V _out = V _S-

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

рис. 5: Передаточная характеристика инвертирующего компаратора

Перемещение точки опрокидывания

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

Рассмотрим компаратор, представленный на рис. 6 :

рис.6: Неинвертирующий компаратор с положительной точкой опрокидывания

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

Эти наблюдения можно резюмировать в следующих переходных характеристиках:

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

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

Вход, зависящий от времени

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

рис. 8: Работа датчика уровня

Триггер Шмитта

Триггер неинвертирующий

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

рис. 9: Представление схемы неинвертирующего триггера Шмитта

В ситуации, предложенной в рис. 9 , дифференциальный вход может быть записан в виде V _{в формате} = V ₊ -V _ref = V ₊.Более того, напряжение V ₊ может быть записано как суперпозиция V ₁ и V _из благодаря теореме Миллмана:

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

V _{T +} = V _S (R ₁ / R ₂) — верхний порог, для которого V _out = V _S- → V _{S +}
V _T- = -V _S (R ₁ / R ₂) — нижний порог, для которого V _out = V _{S +} → V _S-

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

рис.10: Передаточная характеристика неинвертирующего триггера Шмитта

Инвертирующий триггер

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

Рис. 11: Инверсия схемы триггера Шмитта

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

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

V _{T +} = -V _S (R ₁ / (R ₁ + R ₂))
V _T- = + V _S (R ₁ / (R ₁ + R ₂))

Соответствующий график гистерезиса для инвертирующего триггера Шмитта приведен на Рисунок 12 :

рис. 12: Передаточная характеристика инвертирующего триггера Шмитта

Приложения

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

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

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

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

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

Заключение

Компараторы

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

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

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

Как использовать операционный усилитель в качестве схемы компаратора

В этом посте мы подробно узнаем, как использовать любой операционный усилитель в качестве компаратора в схеме для сравнения входных дифференциалов и получения соответствующих выходных сигналов.

Что такое компаратор на операционном усилителе

Мы использовали микросхему операционного усилителя, вероятно, с тех пор, как начали изучать электронику. Я имею в виду эту чудесную маленькую микросхему IC 741, с помощью которой становится возможным создание практически любой схемы на основе компаратора.

Здесь мы обсуждаем одну из простых схем применения этой ИС, где она настраивается как компаратор, неудивительно, что следующие приложения могут быть изменены множеством различных способов в соответствии с предпочтениями пользователя.

Как следует из названия, компаратор операционных усилителей относится к функции сравнения между определенным набором параметров или может быть просто парой величин, как в данном случае.

Поскольку в электронике мы в первую очередь имеем дело с напряжениями и токами, эти факторы становятся единственными агентами и используются для работы, регулирования или управления различными задействованными компонентами.

В предлагаемой конструкции компаратора операционного усилителя в основном используются два разных уровня напряжения на входных контактах для их сравнения, как показано на диаграмме ниже.

ПОМНИТЕ, НАПРЯЖЕНИЕ НА ВХОДНЫХ КОНТАКТАХ НЕ ДОЛЖНО ПРЕВЫШАТЬ УРОВЕНЬ ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ОПУ, НА РИСУНКЕ НЕ ДОЛЖНО ПРЕВЫШАТЬ +12 В

Два входных контакта операционного усилителя называются инвертирующими (с знак минус), а неинвертирующий вывод (со знаком плюс) становятся входами считывания операционного усилителя.

При использовании в качестве компаратора на один из двух выводов подается фиксированное опорное напряжение, а на другой вывод подается напряжение, уровень которого необходимо контролировать, как показано ниже.

Мониторинг вышеуказанного напряжения осуществляется по фиксированному напряжению, приложенному к другому дополнительному выводу.

Следовательно, если контролируемое напряжение поднимается выше или падает ниже фиксированного опорного порогового напряжения, выход меняет состояние или изменяет свое исходное состояние или меняет полярность выходного напряжения.

Видео-демонстрация

Как работает компаратор на операционных усилителях

Давайте проанализируем приведенное выше объяснение, изучив следующий пример схемы переключателя светового датчика.

Глядя на принципиальную схему, мы обнаруживаем, что схема сконфигурирована следующим образом:

Мы видим, что вывод №7 операционного усилителя, который является выводом питания +, подключен к положительной шине, аналогично его выводу №4, который является отрицательный вывод питания подключен к отрицательной или, скорее, нулевой шине питания.

Вышеупомянутая пара контактов обеспечивает питание ИС, чтобы она могла выполнять свои функции.

Теперь, как обсуждалось ранее, контакт №2 ИС подключен к стыку двух резисторов, концы которых подключены к положительной и отрицательной шинам источника питания.

Такое расположение резисторов называется делителем потенциала, что означает, что потенциал или уровень напряжения на стыке этих резисторов будет примерно половиной напряжения питания, поэтому, если напряжение питания равно 12, переход делителя потенциала сеть будет 6 вольт и тд.

Если напряжение питания хорошо отрегулировано, указанный выше уровень напряжения также будет хорошо зафиксирован и, следовательно, может использоваться в качестве опорного напряжения для контакта №2.

Следовательно, что касается напряжения перехода резисторов R1 / R2, это напряжение становится опорным напряжением на выводе №2, что означает, что ИС будет отслеживать и реагировать на любое напряжение, которое может превышать этот уровень.

Измеряемое напряжение, которое необходимо контролировать, подается на вывод № 3 ИС, в нашем примере через LDR. Контакт № 3 подключается к месту соединения вывода LDR и предустановленной клеммы.

Это означает, что этот переход снова становится делителем потенциала, уровень напряжения которого на этот раз не фиксирован, потому что значение LDR не может быть фиксированным и будет меняться в зависимости от условий внешней освещенности.

Теперь предположим, что вы хотите, чтобы схема определяла значение LDR в какой-то момент сразу после наступления сумерек, вы настраиваете предустановку так, чтобы напряжение на контакте № 3 или на стыке LDR, и предустановка просто пересекала отметку 6 В. .

Когда это происходит, значение поднимается выше фиксированного задания на выводе # 2, это информирует IC о повышении напряжения считывания выше опорного напряжения на выводе # 2, это немедленно меняет выходной сигнал IC, который изменяется на положительный по сравнению с исходным. положение нулевого напряжения.

Вышеупомянутое изменение состояния ИС с нуля на положительное запускает каскад драйвера реле, который включает нагрузку или индикаторы, которые могут быть подключены к соответствующим контактам реле.

Помните, что значения резисторов, подключенных к выводу №2, также могут быть изменены для изменения порога чувствительности вывода №3, поэтому все они взаимозависимы, что дает вам широкий угол изменения параметров схемы.

Еще одна особенность R1 и R2 заключается в том, что в нем нет необходимости использовать источник питания с двойной полярностью, что делает задействованную конфигурацию очень простой и аккуратной.

Замена параметра измерения параметром настройки

Как показано ниже, описанный выше рабочий ответ можно просто изменить, поменяв местами положения входных выводов ИС или рассмотрев другой вариант, в котором мы только меняем местами положения LDR. и предустановка.

Вот как ведет себя любой базовый операционный усилитель, когда он настроен как компаратор.

Подводя итог, можно сказать, что в любом отсеке на базе ОУ выполняются следующие операции:

Практический пример № 1

1) Когда на инвертирующий вывод (-) подается фиксированное опорное напряжение, а на неинвертирующий ( +) входной контакт подвергается изменяющемуся напряжению считывания, выход операционного усилителя остается 0 В или отрицательным, пока напряжение на контакте (+) остается ниже уровня напряжения эталонного контакта (-).

Поочередно, как только напряжение на выводе (+) становится выше, чем напряжение (-), на выходе быстро устанавливается положительный уровень постоянного тока питания.

Пример № 2

1) И наоборот, когда на неинвертирующий вывод (+) подается фиксированное опорное напряжение, а на инвертирующий (-) входной вывод подается изменяющееся напряжение считывания, на выходе операционного усилителя остается питание. Уровень постоянного тока или положительный, пока напряжение на выводе (-) остается ниже уровня напряжения на опорном выводе (+).

Поочередно, как только напряжение на выводе (-) становится выше, чем напряжение (+), выход быстро становится отрицательным или переключается на 0В.

Операционные усилители и компараторы

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

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

Операционный усилитель в качестве компаратора

Рис. 6.6.1 Использование операционного усилителя в качестве компаратора

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

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. Еще одна проблема с базовой компараторной схемой, показанной на рис. 6.6.1, которая решается операционными усилителями, специально разработанными как компараторы, а не усилители, — это проблема шума. Если во входном сигнале присутствует значительный шум, особенно когда напряжение входного сигнала близко к уровню опорного напряжения, высокочастотные колебания напряжения, вызванные случайным характером шума, сделают напряжение входного сигнала выше или ниже, чем опорное напряжение в быстрой последовательности, заставляя выход мгновенно колебаться между максимальным и минимальным уровнями напряжения.Однако во многих специализированных компараторах эта проблема решается применением гистерезиса.

Гистерезис

Это относится в компараторах и схемах переключения 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 вывод 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 упоминалось, что падение выходного напряжения возвращается через R4 и вызывает падение V _ref, и аналогично 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, низкий или высокий выходной сигнал, 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 равные 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 при низком уровне на выходе вывод 2 LM339 находится на 0 В, а R4 эффективно подключается между V _ref на выводе 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 свойство встроенного гистерезиса ± 2.25 мВ, чтобы учесть шум на входном сигнале.

Также доступны интегральные схемы компаратора

с регулируемым 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

по н.с., Рубик: 9780471317784: Амазонка.com: Книги

Пошаговое руководство по проектированию и анализу КМОП операционных усилителей и компараторов

Этот том представляет собой исчерпывающий текст, который предлагает подробное описание принципов анализа и проектирования двух наиболее важных компонентов аналоговых металлооксидных полупроводников (МОП). ) схем, а именно операционных усилителей (ОУ) и компараторов. В книге описывается физическая работа этих компонентов, процедуры их проектирования и приложения к аналоговым МОП-схемам, особенно к схемам с переключаемыми конденсаторами, а также аналого-цифровым (A / D) и цифро-аналоговым (D / A). ) преобразователи.Рубик Грегориан, ведущий специалист в этой области, дает разработчикам схем технические знания, необходимые для разработки высокопроизводительных операционных усилителей и компараторов, подходящих для большинства аналоговых схем. В этой автономной работе, которая частично основана на его хорошо принятой книге 1986 года «Аналоговые МОП-интегральные схемы для обработки сигналов» (в соавторстве с Габором К. Темесом), Грегориан рассматривает необходимые основы, прежде чем перейти к современному уровню техники. темы и методы решения проблем. Это ценное руководство:
* Ясно объясняет конфигурацию и ограничения производительности, влияющие на работу КМОП операционных усилителей и компараторов
* Подробно описывает расширенные процедуры проектирования для повышения производительности
* Предоставляет практические примеры дизайна, подходящие для широкого диапазона приложений аналоговых схем
* Включает сотни иллюстраций в тексте
* Завершает каждую главу проблемами и ссылками на сложные темы, полезные при усвоении учебников

Введение в КМОП операционные усилители и компараторы неоценимо для разработчиков аналоговых и смешанных сигналов, для студентов старших курсов и аспирантов в области электротехники. инженерии, и для всех, кто хочет идти в ногу с этой важной технологией.

Пошаговое руководство по проектированию и анализу КМОП операционных усилителей и компараторов

Об авторе

РУБИК ГРЕГОРИАН — старший вице-президент, технический директор и генеральный менеджер отдела коммуникаций Exar Corporation во Фремонте, Калифорния. Он является известным отраслевым экспертом, внесшим большой вклад в создание аналоговых МОП-схем и схем с переключаемыми конденсаторами. Доктор Грегориан получил степень доктора и магистра в области электротехники в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе и степень бакалавра в области электротехники в Тегеранском университете.Он опубликовал множество статей, является соавтором «Аналоговых МОП-интегральных схем для обработки сигналов» и имеет восемнадцать патентов в области переключаемых конденсаторов и аналоговых МОП-схем.

Простейшие компараторы на операционных усилителях

Компаратор. Описание и применение. Часть 1

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Принцип работы

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Назначение

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

Как обозначается компаратор на схемах

Описание работы компаратора

Сигнал на выходе:

Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Принцип работы и виды интегральных компараторов

При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:

Обозначения выводов выглядят следующим образом:

Работа компаратора напряжения

Характеристики компараторов

Устройство

Компаратор с памятью и стробированием

Простая схема структуры устройства со стробированием.

Классификация

Похожие темы:

Реле приоритета. Виды и особенности. Принцип действия

Реле напряжения. Принцип действия, виды, применения

Электронные весы. Виды и устройство. Работа и применение

Переключатель фаз.

Входное напряжение смещения компаратора

Программирование и компаратор

Общая информация

Проектирование гистерезиса компаратора

Где применяется компаратор напряжения

Триггер Шмитта

Гистерезис с практическим примером

Примеры и использование устройств уточнения веса

Конструкция компаратора

Фотореле контроля

Зарядный блок

Кварцевый генератор

что это? Отвечаем на вопрос. Микросхема и принцип работы

Как работает компаратор?

Применение компаратора

Принцип действия аналогового компаратора

Особенности цифрового компаратора

Компаратор-микросхема

Компаратор на операционном усилителе

Как сделать компаратор своими руками?

Пример практического применения компаратора

Компараторы массы: понятие

Примеры и использование устройств уточнения веса

Компаратор напряжения — аналоговые интегральные схемы

Компаратор напряжения

Глава 6 — Аналоговые интегральные схемы

Компаратор и его свойства — Docsity

Аналоговые компараторы

Компараторы и триггеры Шмитта на ОУ

Работа операционного усилителя без обратной связи

Принцип работы компаратора

Основные схемы компаратора

Триггер Шмитта

Ограничение уровня выходного напряжения компаратора и триггера Шмитта

в качестве компараторов? | Аналоговые устройства

| Основы электроники

Что такое операционные усилители?

Что такое компараторы?

2.3: Простой компаратор операционных усилителей

Компьютерное моделирование

— Electronics-Lab.com

Введение

Презентация

Неинвертирующий компаратор

Инвертирующий компаратор

Перемещение точки опрокидывания

Вход, зависящий от времени

Триггер Шмитта

Триггер неинвертирующий

Инвертирующий триггер

Приложения

Заключение

Как использовать операционный усилитель в качестве схемы компаратора

Что такое компаратор на операционном усилителе

Видео-демонстрация