Компараторы на операционных усилителях: Операционные усилители и компараторы

Компараторы. ОУ в качестве компараторов.Основы работы.

Очень часто бывает нужно установить, какой из двух сигналов больше, или определить, когда сигнал достигнет заданного значения. Например, при генерации треугольных колебаний через конденсатор пропускают положительный или отрицательный ток, полярность тока изменяют в тот момент, когда амплитуда достигает заданного пикового значения. Со многими подобными задачами помогут справиться

компараторы.

Простейшим компаратором является дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления, построенный на основе транзисторов или операционных усилителей.

В зависимости от знака разности входных напряжений операционный усилитель оказывается в положительном или отрицательном насыщении. Коэффициент усиления по напряжению обычно превышает 100 000, поэтому, для того чтобы выход усилителя не насыщался, напряжение на входах должно быть равно долям милливольта.

Промышленность выпускает специальные интегральные схемы, предназначенные для использования в качестве компараторов.

К ним относятся, например, интегральные схемы типа LM306, LM311, LM393, NE527 и TLC372. Эти кристаллы обладают очень высоким быстродействием и даже не принадлежат к семейству операционных усилителей. Например, для схемы типа NE521 скорость нарастания составляет несколько тысяч вольт в 1 мкс. Для компараторов обычно не используют термин «скорость нарастания». Вместо этого говорят о задержке распространения относительно сигнала, заданного на вход.

Попробуем ответить на вопрос: можно ли использовать операционные усилители в качестве компараторов?

Иногда операционный усилитель используют в качестве компаратора, в основном, когда нужен только один простой компаратор. Фазовая компенсация, необходимая для стабильной работы операционного усилителя, означает, что он будет работать очень медленно в качестве компаратора. Но если требования к скорости не важны, операционного усилителя может быть достаточно. Но возникают ситуации, когда некоторые из них работают хорошо … некоторые работают не так, как ожидалось.

Почему?

Во многих операционных усилителях присутствуют встроенные диоды между входными клеммами, включенные противоположно друг другу (иногда  два или более последовательных диода). Эти диоды защищают входные транзисторы от обратного пробоя их соединений база-эмиттер. При многих процессах в интегральных схемах происходит сбой на дифференциальном входе, приблизительно в 6 В. Это может значительно изменить или повредить транзистор. На входном каскаде NPN, показанном ниже, диоды D1 и D2 обеспечивают защиту.

В большинстве распространенных применений операционного усилителя на входах почти нулевое напряжение, и эти диоды никогда не включаются. И такая защита может стать проблемой для работы компаратора. У нас будет ограниченный диапазон дифференциального напряжения (0,7 В или около того) для переключения одного входа на другой, неожиданно потянувшего его напряжение. В некоторых цепях это может быть совершенно неприемлемо.

Проблема в том, что производители операционных усилителей не всегда сообщали о наличии этих диодов.

Производители чаще просто предполагают, что мы собираемся использовать операционный усилитель в качестве операционного усилителя.

Вот несколько рекомендаций, которые могут помочь:

Операционные усилители с биполярными NPN-транзисторами, которые имеют диодную защиту —  OP07C , OPA227 , OPA277 и т. д.

Операционные усилители общего назначения с боковыми входными транзисторами PNP обычно не имеют входных защит. Например, LM324 , LM358 , OPA234 , OPA2251 и OPA244 .Эти операционные усилители обычно относятся к типу «с одним источником питания». Т.е. они имеют синфазный диапазон, который простирается до отрицательной клеммы питания или немного ниже. Их часто можно определить по входному току смещения, указанному как отрицательное число. Это говорит о том, что входной ток смещения вытекает из входных контактов. Однако стоит обратить внимание, что высокоскоростные операционные усилители, использующие входы PNP, обычно имеют входные защиты, поскольку это вертикальные PNP с более низким напряжением пробоя.

Суть … если вы планируете использовать операционный усилитель в качестве компаратора, будьте осторожны. Изучите его поведение на макете, проверяя влияние одного входного напряжения на другое.

Выходные каскады компараторов обычно обладают большей гибкостью в применениях, чем выходные каскады операционных усилителей. В обычном ОУ используют двухтактный выходной каскад, который обеспечивает размах напряжения в пределах между значениями напряжения питания. В выходном каскаде компаратора эмиттер, как правило, бывает заземлен и выход снимается с «открытого коллектора». С помощью внешнего резистора «притяжения», подключенного к источнику напряжения, можно сделать так, чтобы сигнал на выходе изменялся в пределах, скажем, от +5 В до потенциала земли. Описанная схема подошла бы для управления логическими схемами типа ТТЛ, получившими широкое распространение в цифровой электронике. Такая схема изображена на рисунке ниже.

Напряжение на выходе переключается с уровня +5 В на уровень потенциала земли, когда напряжение на входе становится отрицательным.

Эта схема представляет собой пример использования компаратора для аналого цифрового преобразования.

При желании можно представить, что внешний «притягивающий» резистор дополняет внутреннюю схему компаратора и выступает в качестве коллекторной нагрузки для выходного транзистора n-р-n типа. В связи с тем, что выходной транзистор работает как насыщенный или разомкнутый переключатель, строгих требований к величине сопротивления резистора не предъявляют. Обычно сопротивление выбирают в диапазоне от нескольких сотен до нескольких тысяч ом. Небольшие величины сопротивления обеспечивают большую скорость переключения и повышают помехоустойчивость. Правда, за счет увеличения рассеиваемой мощности. (При использовании операционного усилителя в качестве компаратора, «притягивающий» резистор был бы не нужен.)

Компаратор сравнивает напряжение, которое поступает на один из его входов, с опорным напряжением, которое присутствует на другом его входе. Стоит заметить, что в качестве опорного и сигнального может использоваться любой из двух входов компараторов.

Если опорный сигнал подается на неинвертирующий вход (+), а сигнальный подается на инвертирующий (-), то такой компаратор будет

инвертирующим. Когда сигнальное входное напряжение больше опорного, то выходное напряжение принимает значение отрицательного напряжения насыщения и остаётся неизменным пока сигнальное входное напряжение не уменьшиться ниже опорного напряжения, в этом случае на выходе будет напряжение положительного насыщения. Фактически на выходе можно устанавливать логическую «1» или «0».

И наоборот, если опорный сигнал подается на инвертирующий вход (-), а сигнальный подается на неинвертирующий (+), то такой компаратор будет

неинвертирующим. Когда сигнальное входное напряжение больше опорного, то выходное напряжение принимает значение положительного напряжения насыщения и остаётся неизменным пока сигнальное входное напряжение не уменьшиться ниже опорного напряжения, в этом случае на выходе будет напряжение отрицательного насыщения.

Между прочим, несмотря на то, что компараторы очень похожи на операционные усилители, в них никогда не используют отрицательную обратную связь, так как она понижает стабильность работы этих устройств. В то же время, положительную обратную связь используют довольно часто.

Некоторые пояснения по компараторам. 

а) напряжения на входах неодинаковы;

б) отсутствие отрицательной обратной связи приводит к тому, что входной импеданс (импеданс для дифференциального сигнала) не стремится принять высокое значение, характерное для операционного усилителя. В результате при срабатывании переключателя наблюдается изменение нагрузки и изменение (небольшое) входного тока; 

в) в некоторых компараторах размах дифференциального входного сигнала ограничен и составляет иногда всего ± 5 В.

Смотрите также

Простейшие компараторы на операционных усилителях

Kомпараторы на операционных усилителях

В описанных выше схемах в зависимости от характера управляющего сигнала осуществлялась

коммутация входного сигнала или запоминание последнего. Еще одну разновидность аналоговых коммутаторов представляют компараторы. Они осуществляют переключение уровня выходного напряжения, когда непрерывно изменяющийся во времени входной сигнал становится выше или ниже определенного уровня.

Рис. 14.5. Простейшая схема компаратора

 

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

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

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

 

Рис. 14.6. Передаточная характеристика компаратора

 

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

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

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

 

 

Рис. 14.7. Суммирующий компаратор

 

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

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

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

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

 

 

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

Схема представляет собой разновидность компаратора, изображенного на рис. 14.5. Когда выходное напряжение достигает значения ±(

U_Z + 0,6В), операционный усилитель оказывается охваченным отрицательной обратной связью через цепочку стабилитронов. При этом дальнейший рост выходного напряжения прекращается. Кроме того, так как операционный усилитель не насыщается, из общего времени задержки срабатывания исключается время восстановления усилителя.

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

Для такой цели лучше всего подходит компаратор типа IС NE 521, так как эта ИС имеет в одном корпусе кроме двух идентичных компараторов с преобразователями уровня сигнала еще два логических элемента И-НЕ.

Как показано на рис. 14.10, на выходе логического элемента единичный уровень сигнала будет иметь место тогда, когда выполняется условие: U₁<U_ВХ<U₂, так как в этом случае на выходах обоих компараторов будут единичные логические уровни.

 

Рис. 14.10. Двухпороговый компаратор

 

 

 

 

Рис. 14.10 – Временные диаграммы работы двухпорогового компаратора

 

 

 

 

Как работает компаратор операционных усилителей — Учебные пособия по электронике

Опубликовано 14 октября 2022 г.

Вы когда-нибудь задумывались, как работает схема компаратора операционных усилителей? Или как настроить схему компаратора ОУ? Операционные усилители можно использовать в качестве компараторов, если это необходимо, и их настройка проста, производительность не велика, но обычно приемлема, и обычно у людей валяются операционные усилители, но не компараторы.

Что такое компаратор и как его использовать?

Итак, что такое компаратор? Как следует из названия, это устройство или схема, которая сравнивает уровень напряжения двух входов, а затем, в зависимости от того, какой из них выше, выдает либо высокое, либо низкое напряжение. Несмотря на то, что он грубый, его можно считать очень простым аналого-цифровым преобразователем, который берет аналоговый вход и превращает его в цифровой выход. Его также можно считать очень простым средством принятия решений, не требующим абсолютно никакого кодирования. Например, если у вас есть датчик температуры с аналоговым выходом напряжения. При этом вы можете решить, что вы хотите, чтобы нагреватель включался ниже определенной температуры, и установить опорное напряжение компаратора в той точке, в которой вы хотите, чтобы он включался. В идеале вам нужен какой-то гистерезис в этой цепи, чтобы вы не включали и не выключали нагреватель быстро, но грубая концепция верна.

Без лишних слов давайте представим схему и базовую чувствительность схемы компаратора.

Концептуальный обзор работы компаратора операционных усилителей

Это все, что вам нужно, чтобы собрать схему и заставить ее работать так, как вы хотите. Однако, чтобы концептуально понять, что происходит, необходим краткий обзор базовой работы операционного усилителя.

В случае операционного усилителя выход усиливает разницу между двумя входами. Если напряжение на неинвертирующем входе выше, чем напряжение на инвертирующем входе, на выходе будет создаваться положительное напряжение, которое усиливает разницу входных напряжений. В идеале этот коэффициент усиления бесконечен, хотя реальные операционные усилители, очевидно, не бесконечны, коэффициент усиления все еще очень велик. Обычно этот выход подключается к одному из входов и уравновешивает два входных напряжения. Однако, поскольку выход не подключен к входу в качестве обратной связи, выход насыщается до такого высокого напряжения, какое способен генерировать операционный усилитель. И, конечно же, верно обратное. Если инвертирующий вход является более высоким входом, чем неинвертирующий вход, выход будет насыщаться до такого низкого напряжения, которое может генерировать операционный усилитель.

В этот момент может быть полезно заметить, что вам может не понадобиться отрицательное напряжение для питания рабочего операционного усилителя, что обычно упрощает требования к питанию. Однако ваша ситуация может отличаться как от вашей схемы, так и от того, работает ли ваш операционный усилитель от шины к шине. Как всегда, продумывайте свои собственные проекты и требования!

Практические рекомендации по использованию операционного усилителя в качестве компаратора:

Когда мы познакомились с компаратором операционного усилителя, я упомянул, что его характеристики обычно приемлемы, но не очень хороши. В основном это связано с тем, что операционные усилители не были предназначены в первую очередь для использования в качестве компараторов, работающих в области насыщения. Они предназначены для получения чистого линейного выходного сигнала, в отличие от специальных компараторов, которые предназначены для максимально быстрого переключения с одной направляющей на другую. Это изменение фокуса дизайна приводит к следующим проблемам с производительностью:

• Компараторы на операционных усилителях не так чувствительны, как специализированные компараторы.
• Компараторы на операционных усилителях, как правило, имеют более узкую полосу пропускания, чем компараторы.
• Компараторы операционных усилителей рассеивают большую мощность в своей рабочей области насыщения.
• Операционные усилители обычно дороже компараторов.
• Операционные усилители могут быть не в состоянии справиться с большим расхождением напряжения между входами, обычно они имеют очень небольшую разницу между входными напряжениями.

Но это еще не все плохие новости для операционных усилителей — компараторы обычно имеют более высокое напряжение смещения и вход смещения, чем операционные усилители. Если вы подумаете об этом, вы, вероятно, сможете самостоятельно придумать несколько веских причин, почему разработчик компаратора не уделяет особого внимания этим параметрам, как это сделал бы разработчик операционного усилителя. И если вход компаратора имеет слишком низкий импеданс, вы всегда можете использовать повторитель напряжения на операционном усилителе, чтобы устранить эту проблему.

Резюме

Использование операционного усилителя в качестве компаратора является простой и общепринятой практикой. Хотя их производительность, как правило, не так хороша, как у специализированного компаратора, для большинства приложений, которые не требуют экстремального времени отклика или ограничены в своих требованиях к питанию, они работают достаточно хорошо. Если вам нужно улучшение в этих областях, вам подойдет специальный компаратор, который, с точки зрения конфигурации, достаточно похож, чтобы эти концепции все еще применялись.

• Операционный усилитель (11)
• Компаратор (6)

Автор:

Джош Бишоп

Интересуясь встраиваемыми системами, туризмом, кулинарией и чтением, Джош получил степень бакалавра электротехники в Университете штата Бойсе. Проработав несколько лет офицером CEC (Seabee) в ВМС США, Джош уволился и в конце концов начал работать над CircuitBread с кучей замечательных людей. В настоящее время Джош живет на юге Айдахо с женой и четырьмя детьми.

Часто задаваемые вопросы по EE

Получите новейшие инструменты и учебные пособия, только что из тостера.

Операционные усилители и компараторы | Toshiba Electronic Devices & Storage Corporation

Категория продукта

• Операционный усилитель (CMOS)
• Операционный усилитель (биполярный)
• Компаратор (КМОП)
• Компаратор (биполярный)

Особенность

Выход с открытым коллекторомВыход с открытым стокомДвухтактный выходДоступно единичное усилениеНизкое входное напряжение смещенияНизкое потребление токаНизкий уровень шумаНизкое рабочее напряжениеВходной и выходной полный диапазонСверхнизкое потребление тока

Количество цепей

• 1
• 2

Тип источника питания

• Двойной
• Одиночный/двойной

Рабочее напряжение (один источник питания) (макс. ) (В)

5.571236

Рабочее напряжение (два источника питания) (макс.) (В)

+/-18+/-2,75+/-3,5+/-6

Результаты:

шт.:

мм

дюйм

Все размеры упаковки указаны в миллиметрах, как указано в техническом паспорте. Размер упаковки в дюймах округлен до 2 значащих цифр, преобразованных из 1 мм = 0,0393701 дюйма.