Компаратор на операционном усилителе схема: Простейшие компараторы на операционных усилителях

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:

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.

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.

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. Виды и работа. Применение и как выбрать

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.

1. 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;
2. 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.;
3. 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:

1. Крутой перепад напряжения (фронт или спад).
2. Импульс с заданными характеристиками.
3. Сменой полярности выходного напряжения.
4. 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

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.

Операционные усилители. Часть 3 | joyta.ru

В третьей части цикла мы рассмотрим, полезные схемы на операционном усилителе. Это будут схемы компаратора и повторителя напряжения. Предлагаем вам ознакомиться также и с предыдущими частями: часть 1, часть 2.

Схема аналогового компаратора на операционном усилителе

Эта схема сравнивает два напряжения, и в зависимости от их состояния переводит сигнал на выходе в высокое или низкое состояние. Можно сказать, что эта система сочетает в себе аналоговую и цифровую электронику.

Она довольно интересна, так как не имеет обратной связи (в базовой версии), это в свою очередь говорит о том, что сопротивление петли бесконечно большое.

На положительный вход мы подаем обрабатываемый сигнал, а на отрицательный вход фиксированное (опорное) напряжение, устанавливаемое потенциометром. Так как петля обратной связи отсутствует, то коэффициент усиления бесконечно большой.

Когда напряжение входного сигнала превысит значение опорного напряжения, на выходе мы получим максимальное напряжение, т. е. напряжение питания операционного усилителя. Когда же напряжение на входе станет ниже опорного, то на выходе будет минусу питания.

Такая работа схемы имеет один существенный недостаток, а именно: ситуация, когда величина напряжения на обоих входах будет очень близка друг к другу, может стать причиной очень частого изменения напряжения на выходе. Это может привести к пропускам срабатывания реле, включение и отключение нагревателей, что может привести к частым сбоям. Что бы этого избежать используют системы с гистерезисом.

Схема аналогового компаратора с гистерезисом на операционном усилителе

Диаграмма работы схемы с гистерезисом схожа, с той лишь разницей, что включение и выключение не происходит при одном и том же напряжении.

Читая такой график, следует обратить внимание на направление стрелок, они показывают направление движения гистерезиса. Следуя слева направо мы видим, что переход к низкому уровню происходит только при напряжении Uph, а перемещаясь справа налево выходное напряжение достигнет высокого уровня только при напряжении Upl.

Такое решение приводит к тому, что в момент, когда напряжения на входах равны, то на выходе не происходит изменение состояния, для этого необходимо чтобы напряжения отличались на значительную величину.

Правда, такое решение вызывает определенную инертность системы, но, безусловно, это безопаснее по сравнению со схемой без гистерезиса. Часто такую работу можно наблюдать в нагревательных устройствах, содержащих термостат (утюги, плиты и т. д.). Ниже представлена принципиальная схема на операционном усилителе, реализующая гистерезис:

А вот зависимость, которая позволяет рассчитать все напряжения:

Схема повторителя напряжения на операционном усилителе

Повторитель напряжения — это одна из самых простых схем с использованием операционного усилителя. Его главной и единственной особенностью является то, что система не усиливает и не ослабляет сигнал, то есть, проще говоря, k=1. Эта особенность связана с нулевым сопротивлением петли обратной связи.

Такого рода системы применяются в основном в качестве буфера, например, для повышения работоспособности и тока нагрузки. Поскольку входной ток почти равен нулю, а выходной ток зависит от типа усилителя, то можно легко разгрузить маломощные источник сигнала, как например, некоторые датчики.

Компараторы – CoderLessons.com

Компаратор — это электронная схема, которая сравнивает два входных сигнала, которые к нему применяются, и выдает выходной сигнал. Выходное значение компаратора указывает, какой из входов больше или меньше. Обратите внимание, что компаратор подпадает под нелинейные применения микросхем.

Операционный усилитель состоит из двух входных клемм и, следовательно, компаратор на основе операционного усилителя сравнивает два входных сигнала, которые к нему применяются, и выдает результат сравнения в качестве выходного. В этой главе обсуждаются

компараторы на основе операционных усилителей .

Типы компараторов

Компараторы бывают двух типов: инвертирующие и неинвертирующие . В этом разделе подробно обсуждаются эти два типа.

Инвертирующий Компаратор

Инвертирующий компаратор представляет собой компаратор на основе ОУ , для которого опорного напряжение подается на его неинвертирующий терминал и входное напряжение подаются на его инвертирующий терминал. Этот компаратор называется инвертирующим компаратором, потому что входное напряжение, которое нужно сравнить, подается на инвертирующий вывод операционного усилителя.

Принципиальная схема инверторного компаратора показана на следующем рисунке.

Работа инверторного компаратора очень проста. Он производит одно из двух значений, +Vсел и −Vсел на выходе на основе значений его входных напряжений VI и опорное напряжение Vисх ,

• Выходное значение инвертирующего компаратора будет −Vсидел, для которых входной сигнал Vя напряжение больше, чем опорное напряжение V реф.

• Выходное значение инвертирующего компаратора будет V+сидел, для которых входной сигнал Vя меньше, чем опорное напряжение V реф.

Выходное значение инвертирующего компаратора будет −Vсидел, для которых входной сигнал Vя напряжение больше, чем опорное напряжение V реф.

Выходное значение инвертирующего компаратора будет V+сидел, для которых входной сигнал Vя меньше, чем опорное напряжение V реф.

пример

Обратим форму волны выходного инвертирующего компаратора, когда синусоидальный входной сигнал и опорное напряжение нуля вольт применяются к его инвертирующим и неинвертирующим терминалов соответственно.

Работа инвертирующего компаратора, показанного выше, обсуждается ниже —

• Во время положительного полупериода синусоидального входного сигнала напряжение, присутствующее на инвертирующем выводе операционного усилителя, больше нуля вольт. Следовательно, выходное значение инвертирующего компаратора будет равно −Vsat во время положительного полупериода синусоидального входного сигнала.

• Аналогично, во время отрицательного полупериода синусоидального входного сигнала напряжение, присутствующее на инвертирующей клемме операционного усилителя, меньше нуля вольт. Следовательно, выходное значение инвертирующего компаратора будет равно +Vsat во время отрицательного полупериода синусоидального входного сигнала.

Во время положительного полупериода синусоидального входного сигнала напряжение, присутствующее на инвертирующем выводе операционного усилителя, больше нуля вольт. Следовательно, выходное значение инвертирующего компаратора будет равно −Vsat во время положительного полупериода синусоидального входного сигнала.

Аналогично, во время отрицательного полупериода синусоидального входного сигнала напряжение, присутствующее на инвертирующей клемме операционного усилителя, меньше нуля вольт. Следовательно, выходное значение инвертирующего компаратора будет равно +Vsat во время отрицательного полупериода синусоидального входного сигнала.

На приведенном ниже рисунке показаны входные и выходные формы волны инвертирующего компаратора, когда опорное напряжение равно нулю вольт.

На рисунке, показанном выше, мы можем наблюдать, что выходные переходы либо из −Vsat в +Vsat, либо из +Vsat в −Vsat всякий раз, когда синусоидальный входной сигнал пересекает ноль вольт. Другими словами, выход меняет свое значение, когда вход пересекает ноль вольт. Следовательно, вышеупомянутая схема также называется инвертирующим детектором пересечения нуля.

Неинвертирующий компаратор

Неинвертирующий компаратор представляет собой компаратор на основе ОУ, для которого опорного напряжение подается на его инвертирующий терминал и входное напряжение подается на его неинвертирующий терминал. Этот компаратор на основе операционного усилителя называется неинвертирующим компаратором, поскольку входное напряжение, которое необходимо сравнить, подается на неинвертирующий вывод операционного усилителя.

Принципиальная схема неинвертирующего компаратора показана на следующем рисунке.

Работа неинвертирующего компаратора очень проста. Он производит одно из двух значений, +Vсел и −Vсел на выходе на основе значений входного напряжения VT и опорного напряжения V+ реф ,

• Выходное значение неинвертирующего компаратора будет V+сидел, для которой входного напряжения Vя больше, чем опорное напряжение +Vисх.

• Выходное значение неинвертирующего компаратора пчелы −Vсел, для которой входного напряжения Vя меньше, чем опорное напряжение +Vисх.

Выходное значение неинвертирующего компаратора будет V+сидел, для которой входного напряжения Vя больше, чем опорное напряжение +Vисх.

Выходное значение неинвертирующего компаратора пчелы −Vсел, для которой входного напряжения Vя меньше, чем опорное напряжение +Vисх.

пример

Обратим форму выходной волны неинвертирующий компаратора, когда синусоидальный входной сигнал и опорное напряжение нуля вольт применяются к неинвертирующим и инвертирования терминалов на ОУ , соответственно.

Работа неинвертирующего компаратора объяснена ниже —

• Во время положительного полупериода синусоидального входного сигнала напряжение, присутствующее на неинвертирующей клемме операционного усилителя, больше нуля вольт. Следовательно, выходное значение неинвертирующего компаратора будет равно +Vsat в течение положительного полупериода синусоидального входного сигнала.

• Аналогично, во время отрицательного полупериода синусоидального входного сигнала напряжение, присутствующее на неинвертирующем выводе операционного усилителя, меньше нуля вольт. Следовательно, выходное значение неинвертирующего компаратора будет равно −Vsat во время отрицательного полупериода синусоидального входного сигнала.

Во время положительного полупериода синусоидального входного сигнала напряжение, присутствующее на неинвертирующей клемме операционного усилителя, больше нуля вольт. Следовательно, выходное значение неинвертирующего компаратора будет равно +Vsat в течение положительного полупериода синусоидального входного сигнала.

Аналогично, во время отрицательного полупериода синусоидального входного сигнала напряжение, присутствующее на неинвертирующем выводе операционного усилителя, меньше нуля вольт. Следовательно, выходное значение неинвертирующего компаратора будет равно −Vsat во время отрицательного полупериода синусоидального входного сигнала.

На приведенном ниже рисунке показаны входные и выходные формы волны неинвертирующий компаратора, когда опорное напряжение равно нулю вольт.

Из рисунка, показанного выше, мы можем заметить, что выходные переходы либо из +Vsat в −Vsat, либо из −Vsat в +Vsat всякий раз, когда синусоидальный входной сигнал пересекает ноль вольт. Это означает, что выход меняет свое значение, когда вход пересекает ноль вольт. Следовательно, вышеупомянутая схема также называется неинвертирующим детектором пересечения нуля .

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:

Вопросы применения прецизионных компараторов

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

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

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.

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.

Гистерезис в компараторах

Продолжаем серию статей, посвященных компараторам в измерительных приборах НПФ КонтрАвт. Ранее мы дали определение компараторам и привели основные функции компараторов.

В данной статье мы разберем для чего в компараторах вводят гистерезис.

В нашей первой статье мы упомянули, что в области порогов h и H в поведении компаратора может наблюдаться гистерезис и состояние выхода компаратора в этом случае зависит не только от соотношения измеренного сигнала и порогов, но и от предшествующей истории, т.е. от того, каким путем измеренный сигнал приближается к порогам.

Рисунок 1. Пример функции компаратора

Для чего же вводят гистерезис в компараторы?

Зачем нужен гистерезис в компараторах

Причина № 1

Как правило, измеренный сигнал имеет как регулярную составляющую (постоянную или плавно меняющуюся), так и случайную, вызванную действием внешних случайных электромагнитных помех.

В отсутствие гистерезиса (или при слишком малой величине его зоны), при подходе измеренного сигнала к пороговому значению случайная компонента вызывает многократное срабатывание компаратора, что нежелательно в системе (обгорание и износ контактов пускателя, хаотические срабатывания различных устройств и проч.).

Рисунок 2. Работа компаратора без гистерезиса

Однако, если выбрать зону гистерезиса (H-h) чуть больше, чем размах случайных изменений измеренного сигнала, то компаратор будет срабатывать только один раз, повторных возвратов в исходное состояние не будет. Таким образом, исключаются случайные срабатывания компаратора, его состояния фиксируются более четко.

Рисунок 3. Работа компаратора с оптимальной зоной гистерезиса

На практике с этим чаще всего сталкиваются в системах сигнализации и регулирования.

В задаче сигнализации отсутствие гистерезиса приводит к многократному срабатыванию сигнализации вблизи порога (см. рисунок 2). Если сигнализация управляет смежными устройствами и системами, то ложные и частые срабатывания будут крайне нежелательны. Кроме того, они вводят в заблуждение оператора. Наличие гистерезиса с оптимальной зоной обеспечивает однозначное срабатывание сигнализации (cм. рисунок 3).

В задачах позиционного регулирования гистерезис предотвращает частое и хаотическое переключение силового коммутационного элемента при переходе через уставку за счет шумоподобного изменения измеренного сигнала (рисунок 2). В случае больших мощностей это негативно сказывается как на электросети, так и на работе электромагнитных пускателей (обгорание контактов, износ, залипание контактов, неуправляемый нагрев, сокращение ресурса и т.п.) Наличие гистерезиса также делает переключение более четким (cм. рисунок 3).

Причина № 2

Существует и другая причина, по которой следует применять гистерезис в системах двухпозиционного регулирования.

Свойства системы могут быть таковы, что период срабатывания позиционного регулятора будет слишком малым. Это (так же как и влияние помех) приводит к частому срабатыванию коммутационных элементов с названными ранее последствиями.

В этих случаях специально увеличивают зону гистерезиса, чтобы увеличить период переключения. Однако, надо учитывать, что увеличение зоны гистерезиса ( > 0 + зона гистерезиса) неизбежно приводит к увеличению размаха колебаний, ухудшает точность регулирования. В таких ситуациях вопрос выбора величины зоны гистерезиса — это вопрос компромисса между точностью регулирования и повышением надежности и ресурса системы.

Рисунок 4. Пример увеличения периода переключения компаратора гистерезисом

Причина № 3

Существует ряд производственных задач, в которых введение гистерезиса в работу компаратора позволяет реализовать логику работы системы управления.

Например, в системах водоснабжениями (типа “Башня Рожновского”) точность вообще не играет ключевой роли, важно, что исполнительный механизм — насос — “не любит” частого включения/выключения.

При этом накопитель позволяет реализовать необходимое редкое включение/выключение насоса с помощью гистерезиса.

Рис 5. Пример использования гистерезиса в системах с накопителем

Выводы:

Таким образом, введение гистерезиса в компараторах необходимо в следующих случаях:

1. Для устранения многократного срабатывания компаратора под действием быстрых случайных помех, как следствие устранения хаотических срабатываний различных устройств в системе, увеличение ресурса коммутационных и исполнительных устройств.
2. Преднамеренное увеличение периода переключения компаратора в задачах позиционного регулирования. Обеспечивает увеличение ресурса и надежности системы, но ухудшается точность регулирования.
3. Для реализация различных алгоритмов работы систем автоматики.

В следующих публикациях мы подробнее разберем прочие особенности работы компараторов. Следите за обновлениями материалов!

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 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

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 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.

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

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.

Компараторы National Semiconductor

28 ноября 2007

Очень часто нужно сравнить два сигнала по величине. В некоторых случаях необходимо зафиксировать момент, когда сигнал достигнет определенного значения. Для этих задач многие фирмы выпускают аналоговые компараторы. Без них не обходится ни один АЦП и ЦАП, ни один генератор пилообразных колебаний. В каждом цифровом вольтметре или другом измерительном приборе обязательно присутствует компаратор напряжения. Термин «компаратор» произошел от английского слова «compare» — сравнивать. Проще говоря, компаратор — это прибор для сравнения двух или нескольких напряжений с определенной точностью и выдачи результата с минимальной задержкой.

В качестве компаратора можно использовать дифференциальный (операционный) усилитель с очень большим коэффициентом усиления разностного сигнала. В зависимости от знака разности напряжений на входе дифференциального усилителя его выход оказывается в положительном или отрицательном насыщении. Раньше обычные ОУ использовали в качестве компараторов, но сейчас такой способ практически не используют, поскольку многие производители выпускают специализированные микросхемы для этой цели. Эти кристаллы имеют очень высокое быстродействие, но при повышении быстродействия компаратора приходится принимать меры для предотвращения глубокого насыщения транзисторов, работающих в ключевом режиме. Этого добиваются минимизацией паразитных емкостей и сопротивлений, ограничивающих скорость нарастания сигналов. К сожалению, уменьшение времени задержки связано с увеличением потребляемой мощности. Как правило, быстродействующие компараторы уступают прецизионным по точности сравнения.

Прецизионные компараторы отличаются от других классов компараторов повышенной точностью сравнения и стабильностью характеристик. Это достигается путем уменьшения входных токов смещения и существенного увеличения коэффициента усиления. Улучшение параметров точности обычно достигается ценой снижения быстродействия компараторов.

Выходные каскады компараторов в большинстве случаев оптимизированы для сопряжения с определенными логическими сериями (особенно это важно для микросхем с очень высоким быстродействием) или имеют открытый коллектор (открытый сток) для расширения возможностей разработчика. Компаратор также можно рассматривать в качестве аналогового коммутатора, который переключает уровни выходного напряжения, когда непрерывный входной сигнал становится выше или ниже заданного уровня.

Компания National Semiconductor выпускает широкую номенклатуру компараторов: скоростных (High-Speed) и c низким потреблением (Low-Power Comparators). Современные скоростные компараторы уже перешли наносекундный диапазон. Например, новые LMH7322 имеют задержку распространения* всего 700 пикосекунд. Необходимо отметить, что задержка распространения сильно зависит от величины перепада напряжения на входах компаратора, поэтому нужно всегда тщательно изучать графики, приводимые производителем в своей документации (datasheets). Это проиллюстрировано на рисунке 1 на примере широко распространенного компаратора LM319.

Рис. 1. Зависимость задержки распространения от Uвх в компараторе LM319

Из рисунка 1 хорошо видно, что задержка распространения сигнала зависит от величины перепада и от направления перехода входного напряжения. Время задержки значительно меньше при перепаде на входе от высокого уровня к низкому.

Основные параметры компараторов National Semiconductor приведены в таблице 1.

Таблица 1. Компараторы National Semiconductor

Наимено- вание	Кол- во кана- лов	Свойства	Iпотр. на ка- нал, мкА	Uпит., В	Uсмещ.(макс), мВ	Конфиг. выхода	CMVR*, B	Задерж ка сигна- ла, мкс	Корпус (а)
Скоростные компараторы (High-Speed Comparators)
LMH7322 (New)	2	700 пс задержка сигнала распрост- ранения	30 мА	2,7…12	8	RSPECL **	—	0,0007	LLP-24
LMH7220 (New)	1	2,5 нс, питание 2,7…12 В, LVDS выход	8,2 мА	2,7…12	9	LVDS	-0,2…10	0,0025	SC70-6, SOT23-6
LMV7219	1	7 нс, питание 2,7…5В, rail-to-rail выход	1,1 мА	2,7…5	6	Push- Pull	-0,2…3,8	0,007	SC70-5, SOT23-5
LMV7235(New)	1	45 нс, ultra-low power, rail-to-rail выход	65	2,7…5	6	Откры- тый сток	-0,2…5,2	0,045	SC70-5, SOT23-5
LMV7239 (New)	1	45 нс, ultra-low power, rail-to-rail выход	65	2,7…5	6	Push- Pull	-0,2…5,2	0,045	SC70-5, SOT23-5
LM161	1	скорост- ной диф ференци- альный компар.	13 мА	11…32	1	Диф- ференц.	20…23	0,014	TO5-10
LM361	1	скорост- ной диф ференци- альный компар.	13 мА	11…32	1	Диф- ференц.	20…23	0,014	MDIP-14, SOIC-14, TO5-10
LM119	2	скорост- ной сдвоен- ный компара- тор	4 мА	5…36	4	Откры- тый колл.	8…33	0,08	CERDIP-14, CERPAK-10, LCC-20, TO5-10
LM219	2	скорост- ной сдвоен- ный компара- тор	4 мА	5…36	4	Откры- тый колл.	8…33	0,08	CERDIP-14, CERPAK-10, LCC-20, TO5-10
LM319	2	скорост- ной сдвоен- ный компара- тор	4 мА	5…36	1,8	Откры- тый колл.	7…34	0,08	MDIP-14, SOIC-14, TO5-10
Компараторы с низким потреблением (Low-power Comparators)
LPV7215 (New)	1	микро- мощный, rai-to-rail вход/ выход	0,61	1,8…5	3	Push- Pull	0…5,0	6,6	SOT-23, SC70-5
LMC7215	1	потребле- ние < 1 мкА, rail-to-rail вход	0,7	2…8	6	Push- Pull	-0,2…5,2	12	SOIC-8, SOT23-5
LMC7225	1	потребле- ние < 1 мкА, rail-to-rail вход	0,7	2…8	6	Откры- тый сток	-0,3…5,3	12	SOT23-5
LMC6762	2	микро- мощный, rai-to-rail вход	6	2,7…15	5; 15	Push- Pull	-0,3…5,3	4	SOIC-8
LMC6772	2	микро- мощный, rai-to-rail вход	6	2,7…15	5; 15	Откры- тый сток	-0,3…5,3	4	SOIC-8, MSOP-8, MDIP-8
LMC7211	1	микро- мощный, rai-to-rail вход	7	2,7…15	5; 15	Push- Pull	-0,3…5,3	4	SOIC-8, SOT23-5
LMC7221	1	микро- мощный, rai-to-rail вход	7	2,7…15	5; 15	Откры- тый сток	-0,1…2,8	4	SOIC-8, SOT23-5
LMV7271/ 72	1/2	питание от 1,8 В, rail-to-rail вход	10	1,8…5	4	Push- Pull	-0,1…2,8	0,88	micro SMD-5, SOT23-5, SC70-5
LMV7275	1	питание от 1,8 В, rail-to-rail вход	10	1,8…5	4	Откры- тый сток	-0,1…2,8	0,88	SC70-5, SOT23-5
LMV7291	1	питание от 1,8 В, rail-to-rail вход	10	1,8…5	4	Push- Pull	0…3,5	0,88	SC70-5
LP339	4	микро- мощный, 4 в одном корпусе	15	2…36	5	Откры- тый колл.	-0,1…4,2	8	SOIC-14, MDIP-14
LMV393	2	микро- мощный, общего примене- ния	43	2,7…5	7	Откры- тый колл.	-0,1…4,2	0,6	SOIC-8, MSOP-8
LMV339	4	низко- вольтный, общего примене- ния	50	2,7…5	7	Откры- тый колл.	-0,1…4,2	0,6	SOIC-14, TSSOP-14
LMV331	1	низко- вольтный, общего примене- ния	60	2,7…5	7	Откры- тый колл.	2…34,5	0,6	SC70-5, SOT23-5
LM2903	2	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	7	Откры- тый колл.	2…34,5	0,4	MDIP-8, micro SMD-8, SOIC-8
LM293	2	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	2; 5	Откры- тый колл.	2…34,5	0,4	TO5-8
LM393	2	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	5	Откры- тый колл.	2…34,5	0,4	MDIP-8, micro SMD-8, SOIC-8, TO5-8
LM193	2	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	2; 5	Откры- тый колл.	2…34,5	0,4	CERDIP-8, TO5-8
LM139	4	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	2; 5	Откры- тый колл.	2…34	0,5	CERDIP-14, CERPAK, CERPAK-14, LCC-20
LM239	4	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	2; 5	Откры- тый колл.	2…34	0,5	CERDIP-14
LM2901	4	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	7	Откры- тый колл.	2…34	0,5	MDIP-14, SOIC-14
LM3302	4	низкое напряже- ние смещения	200	2…28	20	Откры- тый колл.	2…26	0,5	MDIP-14
LM339	4	низкое напряже- ние смещения	200	2…36	2; 5	Откры- тый колл.	2…34	0,5	CERDIP-14, MDIP-14, SOIC-14
LMV761	1	прецизи- онный, низко- вольтный	225	2,7…5	1	Push- Pull	-0,3…3,8	0,12	SOIC-8, SOT23-6
LMV762	2	прецизи- онный, низко- вольтный	275	2,7…5	1	Push- Pull	-0,3…3,8	0,12	SOIC-8, MSOP-8
LM397	1	компара- тор общего примене- ния	250	5…30	7	Откры- тый колл.	5…28,5	0,25	SOT23-5
LM392	1	низкое потреб- ление	500	3…32	5	Push- Pull	3…30	1,5	MDIP-8, SOIC-8
LM6511	1	время установ- ления 180 нс	2,7 мА	2,7…36	5	Откры- тый колл.	3,2…34,75	0,18	SOIC-8
LM111	1	компара- тор общего примене- ния	5,1 мА	5…36	3	Откры- тый колл.	0,5…34	0,2	CERDIP-8/14, CERPAK, CERPAK-10, LCC-20
LM211	1	компара- тор общего примене- ния	5,1 мА	5…36	3	Откры- тый колл.	0,5…34	0,2	TO5-8
LM311	1	компара- тор общего примене- ния	5,1 мА	5…36	7,5	Откры- тый колл.	0,5…35	0,2	MDIP-8

*CMVR — Common-Mode Voltage Range (диапазон допустимого синфазного напряжения на входах) **RSPECL — положительная эмиттерно-связанная логика с малым размахом сигнала

Скоростные компараторы National Semiconductor

Среди последних новинок особого внимания достоин скоростной сдвоенный компаратор LMH7322. Он имеет самое низкое потребление энергии (типовое значение 21 мА). Задержка распространения сигнала составляет менее одной наносекунды (700 пс) при работе на логические микросхемы RSPECL (положительная эмиттерно-связанная логика с малой амплитудой сигнала). Этот компаратор является усовершенствованием компаратора LMH7220 с низковольтным дифференциальным выходом LVDS. В конце 2007 года компания National Semiconductor планирует начать поставку образцов счетверенного компаратора с параметрами, близкими к LMH7322. Раздельное питание входных и выходных цепей LMH7322 позволяет легко согласовать входные и выходные сигналы разных частей устройства, не используя специализированные микросхемы для сдвига уровней. Кроме того, LMH7322 допускает отрицательное напряжение на входе до -6 В при однополярном напряжении питания до 12 В.

Время нарастания и спада сигнала LMH7322 составляет 160 пс.

Рис. 2. Допустимые диапазоны входных напряжений LMH7322 и компараторов этого класса от других производителей

На рисунке 2 показаны допустимые входные диапазоны напряжений для LMH7322 и компараторов этого класса от других производителей.

Рис. 3. LMH7322. Схема преобразования аналогового сигнала в сигнал с уровнями LVDS и стандартное включение этого компаратора

На рисунке 3 приведены рекомендуемые производителем схемы включения скоростного компаратора LMH7322 для преобразования аналогового сигнала в сигнал с уровнями LVDS и стандартное включение этой микросхемы.

К длительности задержки распространения компаратора LMH7322 необходимо относиться очень внимательно, так как этот параметр зависит от окружающей температуры и напряжения питания, и в худших случаях может доходить до 1050 пс. Эти факторы разработчик должен обязательно учитывать, если проектируемая аппаратура предназначена для работы в широком диапазоне температур и напряжений питания. Упомянутые зависимости приведены на рисунке 4. Интересно отметить, что при низкой рабочей температуре задержка распространения минимальна и приближается к значению 650 пс.

Рис. 4. Зависимости длительности задержки компаратора LMH7322 от напряжения питания и температуры

Типовое применение и основные параметры компаратора LMH7220 (предшественника LMH7322) приведены на рисунке 5. Выход LVDS этого компаратора обеспечивает уровень сигнала 325 мВ для передачи по симметричной линии с волновым сопротивлением 100 Ом. Этим обеспечивается малая чувствительность к шумам и электромагнитным помехам. Выходной сигнал с уровнями LVDS минимизирует потребление энергии по сравнению с выходом эмиттерно-связанной логики (ECL). Благодаря характеристикам выходного каскада потребление энергии остается очень малым даже при увеличении скорости передачи данных.

Рис. 5. Типовое применение скоростного компаратора LMH7320 с выходом LVDS и низким потреблением

В этой статье уже отмечалось, что с ростом быстродействия увеличивается и потребляемая мощность. Однако, в линейке скоростных компараторов National Semiconductor есть LMV7235 и LMV7239 с током потребления всего 65 мкА (ultra-low power, по определению производителя) при задержке распространения сигнала 45 нс (см. таблицу 1). Эти компараторы отличаются только типом выходного каскада. LMV7235 имеет выход с открытым стоком, а у LMV7239 выход построен по схеме Push-Pull. Чтобы не быть голословным, проиллюстрируем зависимость тока потребления LMV7235 и LMV7239 рисунком 6, взятым из документации производителя. В худшем случае при напряжении 1,5 В ток потребления не превышает 30 мкА.

Рис. 6. Зависимость тока потребления от напряжения питания и температуры для быстродействующих компараторов LMV7235 и LMV7239 с низким потреблением и задержкой распространения 45 нс

National Semiconductor рекомендует использовать компараторы LMV7239 для схем кварцевых генераторов и приемников импульсов инфракрасного излучения, основываясь на их высоком быстродействии и низком потреблении. Примеры реализации этих схем приведены на рисунке 7.

Рис. 7. Кварцевый генератор и приемник импульсов инфракрасного излучения, выполненные на основе LMV7239

В документации производителя есть еще несколько интересных решений на описанных выше микросхемах. Заинтересованный читатель без труда найдет их на сайте National Semiconductor: www.national.com.

Компараторы National Semiconductor с низким потреблением

Широкое распространение техники с автономным питанием стимулирует производителей к выпуску электронных компонентов с низким потреблением энергии. В перечне выпускаемых микросхем компании National Semiconductor есть компараторы с минимальным напряжением питания (всего 1,8 В). Они имеют Rail-to-Rail вход и выход, а потребляемый ток находится в пределах 600 — 800 нА во всем диапазоне напряжений питания. Речь, конечно, идет о новых компараторах LPV7215. Производитель указывает задержку распространения для этой микросхемы 6,6 мкс. Но ранее в статье уже было отмечено, что, измеряя этот параметр, необходимо учитывать величину перепада напряжения на входах, температурный режим и напряжение питания. Для полной точности нужно еще учитывать и направление перепада напряжения на входе компаратора (с высокого уровня на низкий и наоборот). В своей документации National Semiconductor приводит все эти зависимости. Некоторые из них для компараторов LPV7215 показаны на рисунке 8.

Рис. 8. Зависимости тока потребления от напряжения питания и температуры, задержки переключения от перепада напряжения на входе для микромощного компаратора LPV7215

Популярные компараторы LM311 (LM211, LM111), которые выпускаются уже в течение многих лет, производитель относит к компараторам с низким потреблением, хотя при изучении таблицы 1 это представляется спорным. Но, учитывая огромную популярность этих микросхем, National Semiconductor до сих пор продолжает их выпускать. Больший интерес для разработчика могут представлять сдвоенные компараторы LM393 (LM293, LM193). Они имеют расширенный диапазон напряжений питания от 2 до 36 В, низкое напряжение смещения, низкий ток потребления при более высокой точности по сравнению с LM311. Но задержка распространения у LM393 больше и составляет около 0,4 мкс.

Отдельного внимания заслуживает прецизионные низковольтные компараторы LMV761 (одиночный) и LMV762 (сдвоенный) с диапазоном напряжений питания от 2,7 до 5 В. Они характеризуются высокой точностью при относительно высоком быстродействии. Основные параметры этих микросхем приведены на рисунке 9.

Рис. 9. Основные параметры и зависимости напряжения смещения LMV761 и LMV762 от напряжения смещения и температуры

Вся информация для статьи взята с сайта производителя: https://www.national.com/.

По вопросам получения технической информации, заказа образцов и поставки обращайтесь в компанию КОМПЭЛ. e-mail: [email protected]

Универсальный контроллер питания для мобильных приложений

LP3910 от National Semiconductor — это гибкое решение для создания универсального модуля питания (PMU — Power Management Unit), которое содержит в себе интегрированный повышающе- понижающий преобразователь и несколько различных регуляторов напряжения. Помимо этого, LP3910 имеет два отдельных входа для питания устройства и зарядки батарей от шины USB или сетевого адаптера.

Интегрированный контроллер заряда поддерживает автоматическое переключение источников энергии. Наличие интерфейса I2C позволяет разработчикам изменять электрические характеристики и режимы системы питания, такие как значения выходных напряжений и варианты переключения источников питания под конкретное приложение.

В портативных устройствах, где используется питание 3,3 В, повышающе- понижающий преобразователь позволит продлить время работы от батарей. Li-Ion аккумулятор, как самый популярный выбор для питания мобильных приложений, как правило, имеет диапазон рабочих напряжений от 2,9 до 4,2 В. Когда аккумулятор заряжен, конвертер понижает напряжение до необходимого значения. Когда аккумулятор разряжен до значения менее 3,3 В, преобразователь повышает напряжение. Технически это позволяет увеличить время работы устройства от батареи на 10%, по сравнению с обычным понижающим преобразователем.

Программируемый контроллер питания LP3910, доступный в 48-выводном корпусе LLP размером 6х6 мм, содержит 4-канальный 8-битный АЦП для контроля аккумулятора и двух внешних источников питания. Для приложений, не использующих Flash-память или жесткий диск, National Semiconductor выпустила модификацию LP3913 с такими же функциями, что и у LP3910, но без повышающе- понижающего преобразователя, который заменен только на понижающий, с максимальным рабочим током до 500 мА.

•••

Наши информационные каналы

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.

Конфигурации схем операционного усилителя / компаратора

| Основы электроники

Конфигурация схемы операционного усилителя

Конфигурация внутренней схемы стандартного операционного усилителя показана ниже.
Обычно операционные усилители делятся на 3 ступени: вход, усиление и выход.

Входной каскад включает в себя дифференциальный усилитель, который усиливает дифференциальное напряжение между двумя входными контактами, в то время как компонент синфазного сигнала (одинаковое напряжение на обоих контактах без разницы потенциалов между ними) работает для противодействия без усиления.

Так как коэффициент усиления, использующий только схему дифференциального усилителя, недостаточен, коэффициент усиления ОУ увеличивается на каскаде усиления. Обычно между каскадом усиления включается фазовая компенсационная емкость, чтобы предотвратить внутренние колебания.

Выходной каскад подключается в качестве буфера для предотвращения изменений характеристик операционного усилителя в зависимости от воздействия нагрузки (т. Е. Сопротивления, подключенного к выходному контакту).
Изменения выходных характеристик в зависимости от нагрузки (искажения, падение напряжения) во многом зависят от конфигурации схемы и токовой нагрузки.

Существует несколько различных типов выходных каскадов, классифицируемых по величине управляющего тока, протекающего в выходной цепи (разные напряжения смещения): класс A, класс B, класс C и класс AB.

Как правило, различные типы сортируются по наименьшему количеству искажений:
класс A, класс AB, класс B, класс C и т. Д.

Конфигурация схемы компаратора

Схема схемы стандартного компаратора показана ниже. Это то же самое, что и операционный усилитель, но поскольку компараторы не используются для настройки отрицательной обратной связи, емкость компенсации фазы для предотвращения колебаний не встроена.

Поскольку емкость фазовой компенсации ограничивает рабочую скорость между входами и выходами, время отклика значительно меньше, чем у операционных усилителей. Конфигурацию выходной цепи компараторов можно разделить на два типа: открытый коллектор (открытый сток) и двухтактный.

Эквивалентная схема BA10393 показана ниже. Выходная цепь – с открытым коллектором.

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 создания соответствующих выходов.

Что такое компаратор на операционном усилителе

Мы использовали микросхему операционного усилителя, вероятно, с тех пор, как начали изучать электронику. Я имею в виду эту замечательную 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 конфигурируется 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 всего лишь 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 напряжение, которое необходимо контролировать, становится выше или 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 фиксированным 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 контакт № 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, поскольку значение LDR не может быть зафиксировано 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 выводе № 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 мгновенно 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 операционных усилителей 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 0 В.

2.3: Простой компаратор операционных усилителей

Теперь, когда вы понимаете, 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 слабые 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 обрезан до 13,5 В. Если входной сигнал уменьшится 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 выходного насыщения), 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 усилителя нам придется добавить некоторые дополнительные компоненты, и, используя отрицательную обратную связь (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 1 В постоянного тока. 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, чем инвертирующий вход, 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. Затем этот сигнал можно использовать для запуска некоторой 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 превышения / 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 эквивалентный импульсный сигнал.Одним из примеров этого может быть частотомер. Частотомер подсчитывает 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. Сделав 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 схемы «прямоугольной формы».

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 разомкнутого контура . 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 нет.

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. 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

Смещение 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 обобщить в следующих передаточных 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 инвертирован, как показано на Рис. 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 на Рис. 9 ниже, 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 как V _{в виде} = 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 помечаем 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 также можем 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 отменяет 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 пороговых значения, характерные для конфигурации инвертирования:

• 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 Рис. 12 :

рис. 12: Передаточная характеристика инвертирующего триггера Шмитта

Приложения

Триггеры и компараторы Шмитта 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 помехоустойчивость , 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 триггером 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 как 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 видели, 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 их не запускает фоновый шум, 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.

741 как компаратор

741 как компаратор

НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ ДЛЯ УКАЗАНИЯ СТРАНИЦЫ

ОП-УСИЛИТЕЛЬ В КАЧЕСТВЕ КОМПАРАТОРОВ

В.Райан 2002-2019

PDF ФАЙЛ – НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ ДЛЯ ПЕЧАТИ РАБОЧЕГО ЛИСТА
Ниже приведены некоторые примеры 741 I.C. на основе схем. Однако на этот раз 741 используется как компаратор, а не усилитель. Разница между ними небольшая, но значительная. Даже если использовать как компаратор 741 по-прежнему обнаруживает слабые сигналы, так что их можно распознается легче.Эти схемы важно понимать как они очень регулярно появляются на экзаменах.
Компаратор – это схема, сравнивающая два входа напряжения. Одно напряжение называется опорным напряжением ( Vref ) и другой называется входным напряжением ( Vin ). Когда Vin поднимается выше или падает ниже Vref , выход меняет полярность (+ становится -). Положительный иногда называют ВЫСОКИЙ . Отрицательный иногда называют LOW.
ПРИМЕР ЦЕПИ – СИГНАЛИЗАЦИЯ СВЕТА
Зуммер издает звуковой сигнал, когда свет падает на свет зависимый резистор.Резистор 2 регулирует чувствительность цепи. 741 работает как компаратор, и пьезозуммер звучит, когда выходная мощность 741 становится «низкой» или, другими словами, изменяется с положительный на отрицательный.
Альтернативная компоновка датчика света / темноты показана ниже.
Ниже представлен датчик температуры на основе схемы компаратора 741.
ПРИМЕР ЦЕПИ – ТЕМНО-АКТИВИРОВАННАЯ СИГНАЛИЗАЦИЯ
Это активированная темная цепь, обратная схема выше.Вы замечаете разницу? Если вы посмотрите внимательно, то заметите, что резистор 1 и LDR имеют поменял позиции. Кроме того, входы на 741 перевернуты. Замените LDR термистором для температурного контура.
НАЖМИТЕ ЗДЕСЬ ДЛЯ УКАЗАНИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ СТР.

7.Схемы с операционными усилителями – документация VISIR 2.0

Благодаря удаленной лаборатории Analog Electronics также можно испытать более сложные схемы, включая интегральные схемы. В них перечислены некоторые примеры, которые могут быть реализованы с использованием операционных усилителей, в частности U741, схема которого представлена ​​на рисунке ниже:

Рис. 7.1 Микросхема UA741

7.1. Конфигурация неинвертирующего операционного усилителя

Рис.7.1.1 представлена ​​электронная схема операционного усилителя UA741, работающего как неинверторный усилитель. Чтобы проверить эффект усиления, можно изменить сопротивление, помещенное в ответвление обратной связи, до значений, показанных на рис. 7.3.1.

Рис. 7.1.1 Операционный усилитель, работающий как неинверторный усилитель

Рис. 7.1.2 Реализация операционного усилителя, работающего как неинверторный усилитель, на 100кОм | Скачать схему

Помните, что функциональный генератор генерирует сигнал двойной амплитуды, который задает его на своей передней панели.Если вам нужна другая конфигурация, дайте нам знать.

Очень важно: для правильной работы подайте в цепь напряжение +15 В -15 В постоянного тока.

7.2. Инвертирующий усилитель

На рис. 7.2.1 показана электронная схема операционного усилителя UA741, работающего как инверторный усилитель. Чтобы проверить эффект усиления, можно изменить сопротивление, помещенное в ответвление обратной связи, до значений, показанных на рис. 7.3.1.

Рис. 7.2.1 Операционный усилитель, работающий как инверторный усилитель

Рис.7.2.2 Реализация операционного усилителя, работающего как инверторный усилитель, с сопротивлением 100 кОм | Скачать схему

7.3. Схема дифференциатора ОУ

Рис. 7.3.1 Схема дифференциатора операционного усилителя

Рис. 7.3.2 Реализация схемы дифференциатора операционного усилителя, R = 100 кОм и входной сигнал треугольник | Скачать схему

7.4. Схема интегратора операционного усилителя

На следующем рисунке показан UA741, работающий как интеграторный усилитель. Как и в предыдущих схемах, резистор, подключенный к ветви обратной связи, может принимать значения, показанные на рис.7.4.1.

Рис. 7.4.1 Схема интегратора операционного усилителя

Рис. 7.4.2 Реализация схемы интегратора операционного усилителя, R = 100 кОм и квадратный входной сигнал | Скачать схему

7,5. Схема компаратора операционного усилителя

На следующем рисунке показан UA741, работающий в качестве компаратора. Как и в предыдущих схемах, резистор, подключенный к ветви обратной связи, может принимать значения, показанные на рис. 7.5.1.

Рис. 7.5.1 Схема компаратора операционного усилителя

Рис. 7.5.2 Реализация схемы компаратора ОУ | Скачать схему

Вот и все об операционных усилителях.Продолжаем в схемах с транзисторами.

Компараторы операционных усилителей | Аналоговые интегральные схемы |

Нелинейные приложения операционного усилителя:

• В приложениях этого типа выход не имеет линейной зависимости от входа. Операционный усилитель работает либо в режиме разомкнутого контура, либо с положительной обратной связью.
• Операционный усилитель в конфигурации с разомкнутым контуром переходит в насыщение. Операционному усилителю требуется больше времени, чтобы выйти из состояния насыщения, поэтому такие схемы предпочтительнее для низкочастотных приложений.Изменяя схему, мы также можем сделать схему ненасыщающей и использовать ее на высокой частоте.
• В линейных приложениях мы провели математический анализ, основанный на двух принципах

1. Входной ток операционного усилителя равен нулю.
2. Виртуальная площадка.

• Первое предположение также используется в нелинейных приложениях. Второе предположение говорит, что оба терминала имеют одинаковый потенциал (из-за отрицательной обратной связи).В нелинейных приложениях отрицательная обратная связь не применяется, и, следовательно, это предположение не используется в нелинейных приложениях.

Компараторы:

• Компараторы используются в АЦП и ЦАП. Он также используется для генерации сигналов (квадратной и треугольной). Он также должен играть решающую роль в цепях управления.
• Компаратор сравнивает два входных сигнала, один из которых всегда фиксирован (т. Е. Опорный сигнал). Два сигнала всегда являются напряжениями.Таким образом, компаратор представляет собой схему, которая сравнивает входной сигнал с известным опорным напряжением, подаваемым на другой вывод, и выдает либо высокое, либо низкое выходное напряжение в зависимости от того, какой вход выше.
• Выход компаратора всегда находится в состоянии насыщения (± V _sat ) независимо от того, какой сигнал подается на вход. Состояние выхода операционного усилителя показывает, больше или меньше входного напряжения опорного напряжения. Это только указывает; но он не будет указывать на величину, на которую он отличается.
• В нелинейных приложениях формы сигналов рисуются, а не математическим анализом.
Компараторы
• делятся на два основных типа:

1. Компаратор без обратной связи (идеальный компаратор)
2. Триггер Шмитта (с положительной обратной связью)

Компаратор с разомкнутым контуром:

• Операционный усилитель в конфигурации с разомкнутым контуром может использоваться в качестве базового компаратора. Компараторы разомкнутого контура делятся на два типа.

1. Неинвертирующий компаратор
2. Инвертирующий компаратор.

Характеристики компаратора:

• Ниже приведены некоторые важные характеристики компаратора.

1. Скорость работы:

Переключение между двумя состояниями выхода должно происходить как можно быстрее. Таким образом, выход должен быстро реагировать на изменения входа.

2. Точность:

Это наименьшая величина входной разности напряжений, необходимая для того, чтобы выход изменил свое состояние.

3. Функция стробоскопа:

Для включения / выключения устройства некоторые компараторы имеют стробоскопический терминал.Когда он включен, выход будет реагировать на вход. Если он отключен, выход не будет реагировать на входной сигнал

.

4. Защелка: некоторые компараторы имеют функцию фиксации.