Компаратор напряжения на оу: принцип работы, схемы

Прежде чем начнём разбираться с компаратором, давайте вспомним, что такое операционный усилитель(ОУ). Операционный усилитель имеет пять выводов и на схемах обозначается треугольником, как показано на рисунке ниже.Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемыДавайте подробнее рассмотрим назначение выводов:

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

Скорее всего, у того кто до этого не был знаком с операционным усилителем возникнет вопрос, что такое инвертирующий и неинвертирующий вход, давайте рассмотрим это на примере.Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемыНа рисунке выше видно, что если напряжение на неинвертирующем входе больше чем на инвертирующем, то на выходе будет плюс напряжение питания.Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемыЕсли, наоборот, напряжение на инвертирующем входе будет больше чем на неинвертирующем, то на выходе будет минус напряжение питания.

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

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемыДля демонстрации, того как работает компаратор рассмотрим схему, изображённую ниже.Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемыВ этой схеме с помощью делителя, резисторами 10К и 100К, устанавливается на инвертирующем входе напряжение 0,45V, его ещё называют опорным. Пока напряжение на неинвертирующем входе меньше 0,45V, на выходе будет 0V и светодиод не загорится, как только напряжение на неинвертирующем входе превысит это значение, на выходе станет 5V и светодиод загорится. Таким образом, вращая потенциометр, мы можем зажигать и гасить светодиод. Схема непрактичная, но наглядная.

В одной из статей описывается как работает пиковый детектор, там как раз можно увидеть ОУ включённый как компаратор. Для увеличения можно кликнуть по фото.

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемыДавайте немного упростим схему.Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемыИ подключим осциллограф к входам компаратора. Первый канал — неинвертирующий вход, второй — инвертирующий.Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемыВо время хлопков в ладоши возникают всплески, если при этом амплитуда всплесков(жёлтые) превышает опорное напряжение(бирюзовый), на выходе появляется плюс напряжения питания, иначе минус.В этом случае в качестве датчика у нас выступает микрофон, также в качестве датчика может выступать фотодиод, для включения света при низком уровне освещенности, а его мы задаем опорным напряжением.

Ранее, мы договорились, что компаратор — это схема включения ОУ без отрицательной обратной связи. Но кроме отрицательной обратной связи существует, ещё положительная обратная связь.

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемыСхема, изображенная выше, называется инвертирующий триггер Шмитта, по сути это тот же компаратор, только с положительной обратной связью. Принцип его работы заключается в следующем, помните на осциллограмме когда жёлтые линии пересекали бирюзовую, изменялось напряжение на выходе. Так вот здесь линий, которые можно пересечь две, при превышении верхней линии на выходе появляется минус напряжения питания, если значение опустится ниже нижней линии —плюс, а в промежутке между линиями система сохраняет своё состояние.Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемыТак же существует неинвертирующий триггер Шмитта, он изображен на схеме ниже.Логичным вопросом будет, почему того же Отто Герберт Шмитт не устроил обычный компаратор и он изобрел свой. Ответ прост, если на вход компаратора без положительной обратной связи подать зашумленный сигнал, это вызовет множество ложных срабатываний, для того чтобы избежать этого был придуман триггер Шмитта, у которого два порога переключения.Правда и у него тоже есть, что доработать. Хотелось бы избавиться от двуполярного питания и так как пороги срабатывания задаются с помощью делителя, то они симметричны относительно нуля, а хотелось бы выбирать их произвольно.

Пожалуй это всё, что хотелось рассказать про компараторы на ОУ, если появилось желание разобраться более подробно, добро пожаловать сюда.

Источник: https://hubstub.ru/circuit-design/53-kak-rabotaet-komparator-na-operacionnom-usiliteleou.html

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).

Работа операционного усилителя без обратной связи

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

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы

Операционные усилители имеют очень большой коэффициент усиления ОУ по напряжению КU = 105 … 106, а выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания (обычно несколько меньше).

Поэтому, для того чтобы ОУ работал в качестве усилителя напряжения максимальное входное дифференциальное напряжение не должно превышать нескольких десятков мкВ (при UПИТ = 15 В, КU = 105, UД ≈ 150 мкВ).

С учётом вышесказанного можно сделать вывод, что без применения отрицательной обратной связи, которая снижает усиление ОУ в схеме, применение ОУ бесполезно, так как при входных напряжениях в несколько милливольт ОУ войдёт в насыщение с выходным напряжением равным напряжению питания.

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

Принцип работы компаратора

Простейшим пороговым устройством является компаратор. Он сравнивает напряжение, которое поступает на один из его входов, с опорным напряжением, которое присутствует на другом его входе.

Простейший компаратор получается из операционного усилителя, в котором отсутствует отрицательная обратная связь.

Рассмотрим принцип работы компаратора напряжений на основе ОУ, схема которого изображена ниже

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы
Использование ОУ в качестве компаратора и графики входного и выходного напряжений.

В основе компаратора лежит ОУ на инвертирующий вход, которого поступает входное напряжение UBX, а неинвертирующий вход соединён с источником опорного напряжения UОП.

Принцип работы компаратора изображённого на рисунке заключается в следующем: когда входное напряжение UBX больше опорного UОП, то выходное напряжение принимает значение отрицательного напряжения насыщения –UНАС и остаётся неизменным пока входное напряжение UBX не уменьшиться ниже опорного напряжения UОП, в этом случае на выходе будет напряжение положительного насыщения +UНАС.

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы

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.

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы

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.

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы
Схема одновходового компаратора.

На рисунке выше изображён одновоходовый компаратор, позволяющий сравнивать два разнополярных напряжения по абсолютному значению (по модулю). В его основе лежит инвертирующий сумматор, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому ослабления коэффициент усиления операционного усилителя не происходит.

В результате чего на инвертирующем входе ОУ происходит суммирование входного напряжения UBX и опорного напряжения UОП приведённого к инвертирующему входу UПРИВ, а результат суммирования усиливается ОУ и выводится на его выход.

Для того чтобы происходило сравнение необходимо фактически производить операцию вычитания, то есть напряжения на входах UBX и UПРИВ должны иметь разную полярность.

Приведённое напряжение UПРИВ можно вычислить по следующему выражению

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы

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

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы

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

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы
Схема двухвходового компаратора.

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

Читайте также:  Провод сип: расшифровка, конструкция, виды, технические характеристики

Компараторы применяются в широком спектре схем:

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

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

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы
Появление ложных импульсов на выходе компаратора.

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

Триггер Шмитта

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

В одной из статей я рассказывал о триггере Шмитта выполненном на транзисторах. Он характеризуется тем, что в отличие от компаратора имеет так называемую петлю гистерезиса.

То есть компаратор переключается из высокого уровня напряжения в низкий при одной и той же величине входного напряжения, а триггер Шмитта имеет два уровня (порога) переключения.

Данное различие иллюстрирует изображение ниже

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы
Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева).

  1. Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП.
  2. 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
  1. Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса UГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания UВП и нижнего порога срабатывания UНП

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

Ограничение уровня выходного напряжения компаратора и триггера Шмитта

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

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

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

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

Ограничение выходного напряжения в триггере Шмитта работает следующим образом.

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

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

  • Таким образом, при использовании стабилитрона выходное напряжение триггера Шмитта составит: UВЫХ1 = UСТ (при отсутствии ограничения UНАС+) или UВЫХ2 ≈ 0,7 (при отсутствии ограничения UНАС-).
  • Для симметричного ограничения выходного напряжения могут применяться последовательно включенные диоды или стабилитроны, что показано на рисунке ниже

Триггер Шмитта с симметричным ограничением выходного напряжения.

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

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

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

Источник: https://www.electronicsblog.ru/usilitelnaya-sxemotexnika/komparatory-i-triggery-shmitta-na-ou.html

Компаратор. Описание и применение. Часть 1

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

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

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

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

Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы

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:

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы

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

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы

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.

Читайте также:  Почему не отключается одна конфорка варочной панели candy?

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

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

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

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

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы

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

Описание работы компаратора

Следующий рисунок показывает простейшую конфигурацию для компаратора напряжения, а так же графическое изображение режима его работы.

 В этой схеме опорное напряжение составляет половину напряжения питания, а входное напряжение может меняться от нуля до напряжения питания.

 В теории опорное и входное напряжение могут иметь значение от нуля и до напряжения источника питания, но есть реальные ограничения, зависящие от конкретно используемого компаратора.

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы

Сигнал на выходе:

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

Входное напряжение смещения компаратора

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

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

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

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы

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

Входное напряжение смещения и гистерезис

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

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

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

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

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы

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

Компаратор. Описание и применение. Часть 2

Источник: http://www.joyta.ru/7070-komparator-opisanie-i-primenenie-chast-1/

Компаратор на основе операционного усилителя. Плюсы и минусы

  • Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2018
  • Lou Frenzel
  • Electronic Design

Вообще говоря, сделать из операционного усилителя хороший компаратор невозможно. Чтобы получить оптимальные характеристики и не тратить дополнительное время на отладку, лучше всего использовать специализированную микросхему компаратора.

Компаратор – отличная схема, поскольку обеспечивает почти идеальный переход от аналогового сигнала к цифровому. Компаратор выглядит как устройство с двумя линейными входными сигналами, уровень цифрового выхода которого может быть либо высоким, либо низким, в зависимости от соотношения входных сигналов. Просто, но очень полезно.

Если в вашем устройстве должна быть подобная схема, лучше всего использовать микросхему компаратора, предназначенную именно для таких приложений.

Однако многим разработчикам известно, что стандартный операционный усилитель (ОУ) также можно использовать в качестве компаратора.

Это особенно привлекательно в тех случаях, когда в устройстве остается незадействованный ОУ, и его использование не потребует ни дополнительных затрат, ни места на печатной плате.

Однако, весьма вероятно, что получившийся из ОУ компаратор не оправдает ваших ожиданий, и его характеристики, возможно, будут далеки от оптимальных.

Ошибки, обусловленные непрофессиональным подходом, могут привести к тому, что время разработки и отладки намного превысит планируемое.

Лучше всего, если вам нужен компаратор, и вы хотите избежать проблем и получить наилучший возможный результат, использовать микросхему компаратора.

В чем реальные различия между операционным усилителем и компаратором?

Основные различия между ними следующие:

  • Встроенные цепи фазовой коррекции, необходимые для обеспечения устойчивости ОУ, делают устройство слишком медленным для операций переключения.
  • Входные каскады ОУ обычно защищены диодами или дополнительными транзисторами, которые нередко препятствуют использованию ОУ в схеме компаратора.
  • Выходной каскад ОУ рассчитан на использование в линейном режиме. При двуполярном питании его выходное напряжение изменяется от одной шины питания до другой, и для использования в цифровых схемах требует смещения уровней.
  • Выходной каскад истинного компаратора сконструирован для работы в режиме насыщения со стандартными логическими уровнями сигналов. Часто его выход делается по схеме с отрытым коллектором (стоком).
  • Для установки коэффициента усиления и других характеристик схемы ОУ обычно включается с резисторами обратной связи. Компаратор, как правило, работает с разомкнутой петлей, то есть, без обратной связи.
  • По сравнению с ОУ компараторы имеют меньшие времена задержки и очень высокую скорость нарастания выходного напряжения.

Несмотря на внешнее сходство, две схемы различны и предназначены для разных приложений.

Так можно ли использовать ОУ в качестве компаратора? [1] Возможно. Многие инженеры используют. Нередко так делают, когда требуется лишь один компаратор, а в корпусе счетверенного ОУ остался «свободный» усилитель.

Необходимая для устойчивой работы ОУ фазовая коррекция означает, что такой компаратор будет очень медленным, но если особых требований к быстродействию не предъявляется, может быть достаточно и операционного усилителя.

Иногда такой подход вполне приемлем, но в некоторых случаях он непригоден.

Работа компаратора

Один из способов разобраться с работой компаратора – изучить базовую конфигурацию ОУ, показанную на Рисунке 1а. Усилитель имеет очень большой коэффициент усиления без обратной связи (AOL >> 1000). То, что он усиливает, – это разность между двумя входами V1 и V2. Выходное напряжение равно

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы

Из-за высокого коэффициента усиления для положительного или отрицательного насыщения выхода большого входного дифференциального сигнала (V2 – V1) не требуется.

Например, при напряжении источника питания ±5 В и коэффициенте усиления без обратной связи, равном 100,000, выходное напряжение достигнет шины питания при дифференциальном входном сигнале с уровнем 5/100,000 = 50 мкВ или выше.

Передаточная характеристика вход-выход изображена на Рисунке 1б.

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы
Рисунок 1. Операционный усилитель в инвертирующем включении (а) и его передаточная характеристика вход-выход (б).

Истинный компаратор работает от одного источника питания, как правило, того же, который используется для цифровой логики. Выход через подтягивающий резистор подключен к шине питания (Рисунок 2а).

На входы компаратора поданы опорное напряжение VREF и сигнал VIN, уровень которого сравнивается с опорным уровнем. В качестве опорного и сигнального может использоваться любой из двух выходов компаратора.

Обычно опорное напряжение постоянно, а входной сигнал изменяется. Компаратор может включаться в двух основных конфигурациях:

  • Инвертирующая: VIN подключается к инвертирующему входу усилителя (–), а VREF – к неинвертирующему (+) входу (Рисунок 2). Если VIN > VREF, уровень выходного напряжения низкий. Если VIN < VREF, уровень выходного напряжения высокий.  
  • Неинвертирующая: (Подключение входов противоположное изображенному на Рисунке 2). VIN подключается к неинвертирующему входу усилителя (+), а VREF – к инвертирующему (–). Если VIN > VREF, уровень выходного напряжения высокий. Если VIN < VREF, уровень выходного напряжения низкий.
Читайте также:  Можно ли использовать потолочный профиль для монтажа проводки по потолку?

На Рисунке 2 показана инвертирующая схема с фиксированным постоянным опорным напряжением и сигналом треугольной формы (Рисунок 2в).

Пока входное напряжение ниже порога, уровень выхода остается высоким (см. передаточную характеристику на Рисунке 2б). Когда входной сигнал превысит порог, выход переключится в низкое состояние.

Затем во время спада входного сигнала уровень выхода вновь станет высоким.

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы
Рисунок 2. Типичное включение инвертирующего компаратора (а), его передаточная характеристика (б), а также сигналына входе и выходе (в).

Шумы

Одной из часто возникающих проблем является шум или многократные кратковременные переключения выхода вблизи пороговых уровней компаратора. Этот так называемый «дребезг» возникает при медленном изменении входного сигнала и может стать причиной неправильной работы приложения.

Это будет происходить даже при очень чистых входных сигналах, поскольку компараторы, как и ОУ, имеют собственные шумы.

К такому же эффекту иногда приводят помехи, возникающие при больших скачках выходного напряжения, которые могут проникать обратно на вход через шины питания или другие цепи.

Единственным способом решения этой проблемы может быть использование гистерезиса [2] (Рисунок 3). Опорное напряжение подается через два резистора, обеспечивающих регенеративную, или положительную обратную связь, которая увеличивает скорость переключения и практически полностью исключает дребезг.

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы
Рисунок 3. Гистерезис в компараторе (а) позволяет устранить дребезг при переключениях выхода (б).

Гистерезис устанавливает напряжения верхнего (VU) и нижнего (VL) порогов переключения вокруг опорного уровня. Небольшое окно, или мертвая зона, обеспечивает свободное от дребезга чистое переключение выхода. Резисторы R1 и R2 задают пороговые напряжения, уровни которых могут быть рассчитаны с помощью следующих выражений:

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы

Узнайте больше

Если вы хотите больше узнать о специфике использования операционных усилителей в качестве компараторов, обратите внимание на учебные курсы Texas Instruments.

Урок 14 [3] посвящен принципам работы компаратора и описанию его ключевых характеристик по постоянному и переменному току.

Рассказано, как добавить гистерезис для защиты компаратора от входных шумов, а также приведены аргументы «за» и «против» использования ОУ в качестве компараторов.

Ссылки

Источник: https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=500899

Лекция №13. Компаратор с гистерезисом

План
лекции

1.
Принцип работы компаратора при сравнении
сигналов одной полярности.

2.
Компаратор с гистерезисной характеристикой.

Принцип работы компаратора при сравнении сигналов одной полярности

Схема
компаратора, поясняющая его работу при
сравнении сигналов одной полярности,
представлена на рис.98.

Рис. 98. Компаратор однополярных сигналов
Рис. 99. Временные диаграммы работы компаратора

В
исходном состоянии, когда Uх
=
0 состояние
выхода компаратора определяется опорным
напряжением. Оно здесь положительной
полярности и подано на неинвертирующий
вход, поэтому на выходе уровень логической
единицы (U1).

При
увеличении сигнала Uх,
в данном случае положительной полярности,
величина дифференциального сигнала,
определяемая потенциалами точек А и
Б:

png» width=»97″>
уменьшается и когда Uх
станет больше или равно Uоп
происходит смена полярности
дифференциального сигнала и за счет
большого Ku
компаратор резко переключается.

Если
нужна противоположная характеристика
преобразования, надо или поменять
полярности Uх
и Uоп,
если это возможно, если нет, то надо
поменять местами точки подключения Uх
и Uоп.

Рассмотрим
характеристику преобразования схемы
с учетом неидеальности компаратора.

Для
нахождения характеристики преобразования
воспользуемся эквивалентной схемой:

Рис.
100. Эквивалентная схема компаратора
однополярных сигналов

Эквивалентная
схема приведена без учета синфазных
сопротивлений.

Используя
метод эквивалентных преобразований и
принцип суперпозиции определим потенциалы
точек А и Б и исходя из этого найдем
характеристику преобразования.

(159)
(160)
(161)
После упрощений:
(162)
(163)

Для
компенсации ошибок, связанных со входными
токами компаратора, обычно R1
= R2,
тогда:

(164)
  • Второе
    слагаемое в этом выражении определяет
    систематическую ошибку данного
    компаратора от конечной величины
    входного сопротивления и коэффициента
    усиления.
  • Если если , ,
    то получаем идеальную характеристику
    преобразования .
  • Ошибку,
    связанную с температурным дрейфом,
    наличием входных токов и напряжения
    смещения нуля можно определить из
    следующей эквивалентной схемы.

Рис.
101. Эквивалентная схема учета ошибок

Как
видно, по физическому смыслу она полностью
соответствует эквивалентной схеме
компаратора, сравнивающего сигналы
разной полярности. Поэтому конечное
выражение для ошибки будет полностью
совпадать.

Компаратор с гистерезисной характеристикой

Рассмотрим
временную диаграмму работы компаратора
(рис. 98) при сравнении сигналов одной
полярности и оценим ее помехоустойчивость.

Рис.
102. Компаратор с гистерезисом

В
исходном состоянии
и состояние выхода определяется опорным
напряжением. Оно здесь подается на
неинвертирующий вход, поэтому на выходе
будет напряжение логической единицы
U1.

В

момент

и компаратор переключается.

  1. Следующее
    переключение компаратора произойдет
    в момент ,
    когда .
  2. И
    следующее переключение в момент ,
    когда .

Однако,
после момента времени t3
на входной сигнал наводится помеха и
под воздействием этой помехи входной
сигнал несколько раз пересекает линию
Uоп,
поэтому произойдет соответствующее
число переключений.

Оценим,
какова помехоустойчивость, и с какой
точностью про

исходит
сравнение. Для этого предположим, что
компаратор имеет, например выход элемента
ТТЛ. В элементах ТТЛ диапазон изменения
выходного напряжения данного компаратора
можно определить:

Это
напряжение связано с дифференциальным
сигналом следующим выражением: ,
тогда получим:

png» width=»203″>,
то есть сравнение сигнала происходит
с очень большой точностью.

Эта высокая
точность, с одной стороны, является
большим преимуществом интегральных
компараторов напряжения, а с другой
стороны большим недостатком, так как наличие во входном сигнале и опорном
напряжении помех на уровне рассчитанных
величин и менее (для других компараторов
с более высоким коэффициентом усиления)
будет приводить к ложным срабатываниям.
Поэтому в этом случае для повышения
помехоустойчивости, то есть для исключения
ложных срабатываний, в работу компаратора
вводят гистерезис.

Гистерезис
достигается путем включения большого
опорного напряжения, когда входной
сигнал (аналоговый) меняется от меньшего
значения к большему, по сравнению с
опорным напряжением, когда входной
сигнал меняется от большего значения
к меньшему.

Физически это реализуется
в схеме путем введения положительной
обратной связи по опорному сигналу, при
этом большее значение опорного напряжения
называется напряжением верхней точки
срабатывания компаратора, в меньшее
значение – напряжением нижней точки
срабатывания.

Рассмотрим схему
с гистерезисом (рис. 102).

Пусть
в исходном состоянии Uх
= 0 и состояние выхода определяется
опорным напряжением. Оно здесь подается
на неинвертирующий вход, поэтому на
выходе будет напряжение логической
единицы U1.

За
счет этого высокого уровня выходного
сигнала потенциал точки Б принимается
значение напряжения верхней точки
срабатывания:

(269)

Поэтому
переключением за счет действия
безынерционной положительной обратной
связи поменяет свое значение потенциал
точки Б и станет равным напряжению
нижней точки срабатывания:

(270)

Поэтому
следующее переключение произойдет в
момент ,
когда
(
– напряжение
нижней точки срабатывания).

Одновременно
с этим переключение за счет действия
положительной обратной связи потенциал
точки Б примет значение напряжения
верхней точки срабатывания. Поэтому
следующее переключение схемы произойдет
в момент времени

png» width=»20″>,
с одновременным изменением потенциала
точки Б на напряжение нижней точки
срабатывания. И, как видно, переключений
больше не будет.

Таким
образом, мы ввели некоторую зону
нечувствительности к входному сигналу,
тем самым, потеряв точность сравнения
входного и опорного сигнала, но зато в
целом повысили помехоустойчивость
системы. Поэтому параметры зоны
нечувствительности (ширину получаемой
петли гистерезиса) необходимо рассчитывать
с учетом конкретных уровней помех, чтобы
существенно не влиять на точность
сравнения.

  • Петлю
    гистерезиса можно определять по АПХ
    компаратора, то есть по зависимости
    Uвых
    = f(Uвх),
    где
    U
    вх
    = U
    х.
  • теперь
    первое переключение схемы произойдет
    в момент
  • ,
    когда
    (
    – напряжение верхней точки срабатывания),
    одновременно с этим

Рис.
103. Характеристика преобразования
компаратора с гистерезисом

За
счет того, что Uоп
положительно и U1
– высокий уровень, то UБ
равен напряжению верхней точки
срабатывания.

Поэтому пока входной
сигнал не станет больше, чем напряжение
верхней точки срабатывания, переключение
компаратора не будет.

После этого
переключения UБ
станет равен напряжению нижней точки
срабатывания, поэтому при дальнейшем
увеличении входного сигнала переключений
больше не будет.

Если
теперь начать уменьшать входной сигнал,
то переключение произойдет, когда он
достигнет значения напряжения нижней
точки срабатывания. Одновременно с этим
потенциал точки Б примет значение
верхней точки срабатывания, поэтому
при дальнейшем уменьшении Uх
переключение больше происходить не
будет.

Контрольные
вопросы

1.
Компаратор для сравнения сигналов одной
полярности.

2.
Компаратор с гистерезисом.

Источник: https://studfile.net/preview/1977530/page:24/

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector