Компараторы, как они работают? — Начинающим — Теория
Общие сведения.
Компаратор — это операционный усилитель без обратной связи с большим коэффициентом усиления.
Поэтому, если подать на один его вход (например инверсный) какой то постоянный уровень опорного напряжения, а на другой вход (прямой) изменяющийся сигнал — выходное напряжение у него изменится скачком, от минимального до максимального в тот момент, когда уровень входного сигнала превысит уровень сигнала опорного напряжения, установленного на другом входе, и наоборот.
Компараторы имеют два входа, прямой и инверсный, и в зависимости от желаемого результата, опорное и сравниваемое напряжения, могут подключаться к любому входу.
Если входное напряжение на прямом входе, превысит напряжение инверсного входа, выходной транзистор компаратора открывается, если станет ниже — закрывается. То есть компаратор сравнивает напряжения.
Вот мы и подошли к сути основного назначения компаратора — сравнивать между собой два напряжения (сигнала), и выдавать на выходе напряжение (сигнал) в том случае, когда сигнал на одном входе, стал больше или меньше уровня, установленного опорным напряжением другого входа.
Выходные каскады компараторов рассчитаны таким образом, чтобы их выходное напряжение соответствовало бы входному логическому уровню многих цифровых микросхем, поэтому их ещё могу называть формирователями.
В принципе на любом операционном усилителе можно построить компаратор (но не наоборот).
На выходе этого компаратора включен транзистор с открытыми коллектором и эмиттером, и в зависимости от необходимого результата на выходе, его можно подключать по схеме с общим эмиттером или эмиттерным повторителем.
Схема включения компаратора для одно-полярного питания изображена на рисунке 1, для двух-полярного питания на рисунке 2.
Рисунок 1.
Схема включения компаратора в одно-полярное питание.
а — с общим эмиттером; б — эмиттерным повторителем.
Напряжение питания +5 вольт указано для уровня логики ТТЛ микросхем.
Рисунок 2.
Схема включения компаратора в двух-полярное питание.
а — с общим эмиттером; б — эмиттерным повторителем.
В качестве нагрузки компаратора можно использовать любую нагрузку с током потребления не более 50 мА. Это могут быть непосредственно обмотки реле, резисторы, светодиоды индикации и оптронов исполнительных устройств, с ограничивающими ток резисторами. Индуктивные нагрузки желательно шунтировать диодами от обратного выброса напряжения.
Напряжение питания компаратора может быть 5 — 36 вольт одно-полярного (или сумма двух-полярного) напряжения.
Процессы переключения компараторов.
Если входной сигнал будет изменяться очень медленно, то при достижении уровня входного сигнала опорному, выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием незначительных помех (так называемый «дребезг»).
Для устранения этого явления в схему компаратора вводят положительную обратную связь (ПОС), которая обеспечивает характеристике компаратора небольшой гистерезис, то есть небольшую разницу между входными напряжениями включения и отключения компаратора. Некоторые типы компараторов уже имеют встроенную, упомянутую выше ПОС.
Рисунок 3.
Схема включения в компаратор ПОС (гистерезиса).
На рисунке 3 приведена схема включения компаратора с открытым коллектором на выходе, переходная характеристика которой имеет гистерезис (рис. 3б).
Пороговые напряжения для этой схемы определяются по формулам;
Хотя гистерезис вносит небольшую задержку в переключении компаратора, но благодаря ему, существенно уменьшается или даже устраняется полностью «дребезг» выходного напряжения.
Для того, кто желает более полного и подробного знакомства с компараторами, рекомендую прочитать статью Б. Успенского в ВРЛ № 97 стр.49.
Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ). » Хабстаб
Прежде чем начнём разбираться с компаратором, давайте вспомним, что такое операционный усилитель(ОУ). Операционный усилитель имеет пять выводов и на схемах обозначается треугольником, как показано на рисунке ниже.Давайте подробнее рассмотрим назначение выводов:
- два вывода для подключения питания, плюс и минус напряжения питания;
- два входа, один неинвертирующий, обозначенный V+ и один инвертирующий, обозначенный V-;
- один выход, обозначенный Vвых;
Скорее всего, у того кто до этого не был знаком с операционным усилителем возникнет вопрос, что такое инвертирующий и неинвертирующий вход, давайте рассмотрим это на примере.
На рисунке выше видно, что если напряжение на неинвертирующем входе больше чем на инвертирующем, то на выходе будет плюс напряжение питания.
Если, наоборот, напряжение на инвертирующем входе будет больше чем на неинвертирующем, то на выходе будет минус напряжение питания.
По сути мы рассмотрели как работает компаратор. Компаратор от английского слова compare – сравнить, то есть он сравнивает два напряжения и в зависимости от того на каком из входов оно выше, устанавливает на выходе плюс или минус напряжения питания. Также, можно сказать, что компаратор — это схема включения ОУ без отрицательной обратной связи, обладающая большим коэффициентом усиления. Под отрицательной обратной связью понимают, соединение инвертирующего входа с выходом, напрямую или через электронный компонент, например, резистор, кондесатор или диод.
Для демонстрации, того как работает компаратор рассмотрим схему, изображённую ниже.
В этой схеме с помощью делителя, резисторами 10К и 100К, устанавливается на инвертирующем входе напряжение 0,45V, его ещё называют опорным. Пока напряжение на неинвертирующем входе меньше 0,45V, на выходе будет 0V и светодиод не загорится, как только напряжение на неинвертирующем входе превысит это значение, на выходе станет 5V и светодиод загорится. Таким образом, вращая потенциометр, мы можем зажигать и гасить светодиод. Схема непрактичная, но наглядная.
В одной из статей описывается как работает пиковый детектор, там как раз можно увидеть ОУ включённый как компаратор. Для увеличения можно кликнуть по фото.
Давайте немного упростим схему.
И подключим осциллограф к входам компаратора. Первый канал — неинвертирующий вход, второй — инвертирующий.
Во время хлопков в ладоши возникают всплески, если при этом амплитуда всплесков(жёлтые) превышает опорное напряжение(бирюзовый), на выходе появляется плюс напряжения питания, иначе минус.
В этом случае в качестве датчика у нас выступает микрофон, также в качестве датчика может выступать фотодиод, для включения света при низком уровне освещенности, а его мы задаем опорным напряжением.
Ранее, мы договорились, что компаратор — это схема включения ОУ без отрицательной обратной связи. Но кроме отрицательной обратной связи существует, ещё положительная обратная связь.
Схема, изображенная выше, называется инвертирующий триггер Шмитта, по сути это тот же компаратор, только с положительной обратной связью. Принцип его работы заключается в следующем, помните на осциллограмме когда жёлтые линии пересекали бирюзовую, изменялось напряжение на выходе. Так вот здесь линий, которые можно пересечь две, при превышении верхней линии на выходе появляется минус напряжения питания, если значение опустится ниже нижней линии —плюс, а в промежутке между линиями система сохраняет своё состояние.
Так же существует неинвертирующий триггер Шмитта, он изображен на схеме ниже.
Логичным вопросом будет, почему того же Отто Герберт Шмитт не устроил обычный компаратор и он изобрел свой. Ответ прост, если на вход компаратора без положительной обратной связи подать зашумленный сигнал, это вызовет множество ложных срабатываний, для того чтобы избежать этого был придуман триггер Шмитта, у которого два порога переключения.
Правда и у него тоже есть, что доработать. Хотелось бы избавиться от двуполярного питания и так как пороги срабатывания задаются с помощью делителя, то они симметричны относительно нуля, а хотелось бы выбирать их произвольно.
Пожалуй это всё, что хотелось рассказать про компараторы на ОУ, если появилось желание разобраться более подробно, добро пожаловать сюда.
характеристики и описание принципа действия, использование схем сравнения напряжения
В электронных приборах часто можно встретить различные интегральные микросхемы. Одной из них является компаратор. Его применение очень обширно: начиная от сигнализационных датчиков и заканчивая промышленной и автомобильной электроникой. Зная, как работает компаратор, можно самостоятельно собрать различные интересные схемы, например, зарядное устройство, индикаторный узел или даже генератор.
Описание и схемотехника
Несмотря на кажущуюся простоту, компаратор — куда более интересное устройство, чем может показаться на первый взгляд. В электронике им называют логическую микросхему, предназначенную для сравнения между собой двух электрических сигналов, подающихся на его вход. В зависимости от результатов этого измерения изменяется режим работы прибора.
Термин «компаратор» произошёл от латинского слова «comparare», что дословно переводится на русский язык как сравнивать. Конструктивно устройство может выпускаться в различных корпусах, например, DIP, SOIC, SSOP. Простейшего вида сравнивающий элемент имеет два аналоговых входа и один цифровой выход. В основе его работы лежит дифференциальный каскад, имеющий высокий коэффициент усиления. Поэтому компараторы широко используются в оборудовании, предназначенном для измерения или преобразования аналогового сигнала в цифровой (АЦП).
На схемах и в технической литературе графически устройство обозначается в виде равнобедренного треугольника с тремя выводами. С одной стороны выводы подписываются знаками
«+» и «—», соответственно обозначающими неинвертирующий вход и инвертирующий, а с другой — изображается выход, который маркируется символом Uout.
Когда на прямом входе («+») микросхемы уровень сигнала будет больше, чем на инверсном («—»), то на её выходе образуется устойчивое значение. В зависимости от схемотехнического решения компаратора это значение может принимать вид логического ноля или единицы. В цифровой электронике за единицу считается сигнал
Один из входных сигналов, подаваемых на прибор, называется опорным или пороговым напряжением. Именно с этим значением и сравнивается величина сигнала на втором входе. Опорное напряжение может подаваться как на инверсный, так и прямой вход. В зависимости от этого компараторы называются инвертирующими или неинвертирующими. Когда прибор работает с одним опорным напряжением, его называют однопороговым, а если с разным — многовходовым.
Характеристики прибора
По сути, устройство можно рассматривать как простой вольтметр или АЦП. Компаратор, как и любой электронный прибор, имеет ряд технических характеристик, которые можно разделить на два вида: статические и динамические.
К статическим параметрам относятся следующие характеристики:
- Предельная чувствительность обозначает пороговые величины сигнала, которые прибор идентифицирует на входе и изменяет потенциал своего выхода на логический ноль или единицу.
- Величина смещения определяется передаточным моментом устройства относительно идеального положения.
- Входной ток — максимальное его значение, которое может пройти через любой вывод, не повредив устройства.
- Выходной ток — значение тока, появляющееся на выходе при переходе устройства в состояние единицы.
- Разность токов — это величина, находимая при вычитании значений токов, протекающих при закороченных входах.
- Гистерезис — разность уровней входного сигнала, приводящая к изменению устойчивого состояния на выходе.
- Коэффициент снижения синфазного сигнала определяется отношением синфазного и дифференциального сигнала, приводящим к переключению режима работы компаратора.
- Входной импеданс — полное сопротивление входа.
- Минимальная и максимальная рабочая температура — диапазон, в котором технические параметры устройства не изменяются.
Важной же динамической характеристикой является время переключения tn. Она определяется интервалом времени от начала сравнения входного сигнала до момента, при котором на выходе компаратора наступает противоположное устойчивое состояние. Это время определяется при одном значении порогового напряжения и его скачке на противоположном входе. Этот интервал времени разделяется на две части — задержки и нарастания.
Все значимые параметры компаратора представляются в виде переходной характеристики. Это график в декартовой плоской системе координат, в которой по оси Х указывается время в наносекундах, а Y — входное и выходное напряжение в вольтах.
Устройство и принцип работы
Схемотехника устройства построена на базе дифференциального операционника с довольно большим коэффициентом усиления. Её различия с простым линейным усилителем заключаются в выполнении входного и выходного каскада.
Вход устройства выдерживает сигнал в широком диапазоне до значений источника питания и полный интервал синфазных напряжений. Выход компаратора совместим с технологиями ТТЛ и ЭСЛ из-за возможности выполнения этого каскада на транзисторе с открытым коллектором. При работе устройства не используется отрицательная обратная связь как в операционном усилителе, а, наоборот, выход охватывается положительной связью, формирующей гистерезисную передаточную характеристику.
Двухпороговый компаратор называется триггером Шмита или троичным. Для сравнения в нём используется два напряжения. Сигналы в двоичном компараторе разделяются на три диапазона:
- Urf2 > Urf1;
- Uout1 = 0 при Uin < Uref1 или Uout1 = 1, если Uin > Uref1;
- Uout2 = 0 при Uin < Uref2 или Uout1 = 1, если Uin > Uref2.
Uref — напряжение нижнего и верхнего порогов переключения, Uout — уровень выходного сигнала, Uin — напряжение на входе прибора.
Внутренняя схема устройства представляет собой усилитель, собранный на транзисторах VT1-VT2, который нагружен каскадом VT5-VT6, включённым по схеме с общим эмиттером. Через дополнительный ключ VT4 происходит управление коллекторным режимом работы входного сигнала. А через транзистор VT7, работающий в диодном режиме, контролируется уровень сигнала на VT8, что позволяет добиваться его независимости от изменений напряжения питания. Ключи VT5 и VT6 соединяются со стабилитроном VD1. Поэтому через повторитель VT8 входной сигнал поступает на выход с коллекторного вывода VT6.
Если входной сигнал не превышает один вольт, то транзистор VT6 закрыт, а VT5 находится в режиме насыщения. Выходной сигнал не сможет превысить четырёх вольт, так как при большей величине откроется диод. При обратном знаке VT6 насытится, и напряжение на выходе станет равным нулю. В современных устройствах используется стробирующий выход или триггеры-защелки, то есть элементы, контролирующие выход компаратора при обнаружении синхроимпульса. Результаты сравнения могут появляться в двух видах: во время строба или в паузах между импульсами.
Простые конструкции
На практике компараторы напряжения нашли широкое применение в радиоэлектронных схемах различного направления. В радиомагазинах можно встретить довольно большое количество различных микросхем. Но наиболее часто используемыми микросхемами среди радиолюбителей являются:
- LM311;
- К554СА3;
- LM339;
- MAX934.
Они доступны в продаже, а их стоимость более чем демократична. Такие компараторы отличаются широким диапазоном входного напряжения и могут работать при однополярном и двуполярном питании.
К выходу устройства может подключаться любая нагрузка с током потребления, обычно не превышающим 50 мА. Это может быть реле, резистор, светодиод, оптрон или любые исполнительные устройства, но с ограничивающими ток элементами. А также возможно подключить и индуктивную нагрузку, но она обычно в этом случае шунтируется диодами. Для работы устройства применяются источники питания с выходным напряжение 5−36 вольт.
Фотореле контроля
Такое реле собирается навесным монтажом. Его можно использовать в охранной системе или для контроля уровня освещённости. Работа схемы заключается в следующем. Входное напряжение поступает на делитель, состоящий из R1 и фотодиода VD3. Их общая точка соединения через ограничительные диоды VD1 и VD2 подключается к входам компаратора DA1. В результате этого разница потенциалов на входе устройства отсутствует, а значит, и чувствительность прибора максимальная.
Для того чтобы сигнал на выходе инвертировался, понадобится создать разницу на входе всего в один милливольт. Из-за того, что к инверсному входу подключён конденсатор С1 и резистор R1, величина напряжения на нём будет возрастать с небольшой задержкой, равной времени заряда конденсатора.
Но этого времени хватит, чтобы на выходе появилась логическая единица, которая перестроит режим работы реле подключённого в качестве нагрузки. Как только освещение опять поменяется, ситуация повторится. Таким образом, направив фотореле на какое-то место, в случае изменения его освещённости на входах компаратора появится разность напряжения. Соответственно будет изменяться и работа реле, к которому может подключаться различного рода нагрузка.
Зарядный блок
Выполненный блок питания из исправных элементов начинает работать сразу. Его настройки сводятся лишь к установке номинального тока заряда и порогов срабатывания компаратора. При включении устройства загорается зелёный светодиод, обозначающий подачу питания. Во время зарядки должен же постоянно светиться красный светодиод, который потухнет, как только аккумулятор зарядится.
Подаваемое напряжение от блока питания регулируется R2, а ток зарядки выставляется R4. Настройка происходит с помощью резистора на 150 Ом, включающегося параллельно контактам держателя батарейки. Сам аккумулятор в него не ставится. Транзистор VT1 устанавливается на радиатор, вместо него можно использовать аналог КТ814Б.
Такую схему придётся собирать на печатной плате, но в итоге её размер не должен превысить 50 х 50 мм.
Можно собрать схему попроще, используя принцип работы стабилизатора тока. Подача опорного напряжения на вход LM358 происходит через стабилитрон. Второй вход микросхемы подключается после датчика тока. Если к выходу компаратора подключить разряженный аккумулятор, то в цепи начнёт возрастать ток, а часть напряжения упадёт на низкоомном резисторе.
Между двумя входами микросхемы возникнет разность напряжения. Схема начнёт компенсировать это различие, увеличивая силу тока на выходе. В процессе заряда аккумулятора напряжение на входе начнёт уменьшаться, что приведёт к снижению тока в цепи. Как только батарея зарядится, транзистор VT1 закроется и нагрузка отключится. Ток заряда же ограничивается с помощью изменения сопротивления R1.
Кварцевый генератор
Такой генератор прямоугольных импульсов, собранный по схеме на отечественном компараторе K544C3, работает на тактовой частоте 32768 Гц. Схема будет работоспособной в диапазоне входного напряжения от 7 до 11 вольт. Частота задаётся кварцем ZQ1, но для работы устройства свыше 50 кГц понадобится уменьшить сопротивление R5 и R6.
При замыкании второго вывода с нулевым проводом выход компаратора оказывается включённым по схеме с открытым коллектором, в которой R7 является нагрузкой. Подстройка частоты выполняется с помощью C1. За счёт резистора R4 происходит автозапуск генератора. Изменяя сопротивление R2, меняется скважность импульсов.
Подбирая ёмкости С1 и С2, генератор можно использовать как бесконтактный датчик жидкости. В качестве детектора для этого понадобится использовать микроконтроллер с программным обеспечением. Хотя можно применить и ещё один компаратор, который будет регистрировать изменения, выпрямленного диодами напряжения.
Таким образом, компаратор напряжения предназначен для сравнения уровней сигналов на своих входах. Если они начинают различаться, то в зависимости от этой разности выход устройства изменяет своё состояние. Этим их свойством и пользуются разработчики, конструируя различные электроприборы.
Компаратор. Описание и применение. Часть 1
Эта статья содержит основную информацию о работе компараторов напряжения построенных на интегральных микросхемах и может быть использована в качестве справочного материала для построения различных схем.
В электронике, компаратор представляет собой устройство, которое сравнивает между собой два электрических сигнала и выводит цифровой сигнал, указывающий на увеличение одного входного сигнала над другим. Компаратор имеет два аналоговых входа и один цифровой выход.
Компаратор, как правило, построен на дифференциальном усилителе с высоким коэффициентом усиления. Компараторы широко используются в устройствах, которые измеряют и оцифровывают аналоговые сигналы, например, в аналого-цифровых преобразователях (АЦП)
Примеры работы компаратора приведены на основе микросхемы LM339 (счетверенный компаратора напряжений) и LM393 (сдвоенный компаратор напряжения). Эти две микросхемы по своему функционалу идентичны. Компаратор напряжения LM311 так же может быть использован в данных примерах, но он имеет ряд функциональных особенностей.
Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393
Компаратор напряжения — 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:
Паяльная станция 2 в 1 с ЖК-дисплеем
Мощность: 800 Вт, температура: 100…480 градусов, поток возду…
Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет ниже, чем напряжение на входе (-). И соответственно ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет выше, чем напряжение на входе (-).
Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания
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.
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».
Описание работы компаратора
Следующий рисунок показывает простейшую конфигурацию для компаратора напряжения, а так же графическое изображение режима его работы. В этой схеме опорное напряжение составляет половину напряжения питания, а входное напряжение может меняться от нуля до напряжения питания. В теории опорное и входное напряжение могут иметь значение от нуля и до напряжения источника питания, но есть реальные ограничения, зависящие от конкретно используемого компаратора.
Сигнал на выходе:
- Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс (+) ниже, чем напряжение на входе минус (-).
- Ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс выше, чем напряжение на входе минус.
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.
Входное напряжение смещения и гистерезис
Для большинства схем построенных на компараторах, величина гистерезиса является разностью напряжений входного сигнала, при котором выход компаратора либо полностью включен или полностью выключен. Гистерезис в компараторах, как правило, нежелателен, но он может потребоваться, когда необходимо уменьшить чувствительность к шуму или при медленном изменении входного сигнала.
Внешний гистерезис использует положительную обратную связь (ПОС) с выхода на неинвертирующий вход компаратора. В результате полученный триггер Шмитта обеспечивает дополнительную помехоустойчивость и более чистый выходной сигнал.
Эффект от использования гистерезиса в том, что при постепенном изменении входного напряжения, а опорное напряжение будет быстро изменяться в противоположном направлении. Это обеспечивает чистое переключение выхода компаратора.
Механический аналог гистерезиса может быть обнаружен в разнообразных тумблерах. Как только рукоятка тумблера перемещается мимо центральной точки, пружина в тумблере переводит контакты реле в гарантированное положение (открытое или закрытое).
Гистерезис является неотъемлемой частью большинства компараторов составляющая всего несколько милливольт и он обычно влияет только на схемы, где входное напряжение поднимается или падает очень медленно или имеет скачки напряжения, известные как «шум»…
Компаратор. Описание и применение. Часть 2
как работает, схема на ОУ, цифровые и аналоговые компараторы
При разработке электронных схем зачастую надо сравнить уровень двух напряжений. Для этого используется такое устройство, как компаратор. Название узла восходит к латинскому comparare, или, скорее, к английскому to compare – сравнивать.
Что такое компаратор напряжения
Компаратором в общем случае называется устройство, имеющее два входа для подачи сравниваемых величин (напряжений) и выход для результата сравнения. Компаратор имеет два входа для подачи сравниваемых параметров – прямой и инверсный. На выходе устанавливается логическая единица при превышении напряжения прямого входа над инверсным и ноль – если наоборот. Если при положительной разности между инверсным и прямым входом устанавливается единица, а в противоположной ситуации – ноль, то такой компаратор называется инвертирующим.
Принцип работы компаратора
Компаратор удобно строить на операционном усилителе (ОУ). Для этого непосредственно используются его свойства:
- усиление разности сигнала между прямым и инвертирующим входом;
- бесконечный (на практике – от 10000 и выше) коэффициент усиления.
Работу ОУ в качестве компаратора можно рассмотреть при такой схеме включения:
Пусть имеется ОУ с коэффициентом усиления 10000, напряжение питания двуполярное, + 5 В и минус 5 В. Делителем на инвертирующем входе установлен опорный уровень ровно 0 вольт, на прямом входе с движка потенциометра снимается минус 5 вольт. Операционный усилитель должен усилить разницу в 10000 раз, теоретически на выходе должно появиться напряжение минус 50000 вольт. Но такого напряжения операционнику взять негде, и он создает максимум возможного – напряжение питания, минус 5 вольт.
Если начать поднимать напряжение на прямом входе, ОУ будет стараться выставить разность напряжений между входами, умноженную на 10000. Это ему удастся, когда входное напряжение приблизится к нулю и станет равным примерно минус 0,0005 В. При дальнейшем увеличении входного напряжения на положительном входе, выходное будет подниматься до нуля и выше, и при напряжении +0,0005 вольт станет равным +5 В и дальше не поднимется – некуда. Таким образом, при прохождении входным напряжением уровня нуля (точнее, минус 0,0005 вольт — + 0,0005) произойдет скачок выходного напряжения от минус 5 вольт до +5 вольт. Иными словами, пока напряжение на прямом входе ниже, чем на инвертирующем, на выходе компаратора устанавливается ноль. Если выше – единица.
Интерес представляет участок разности уровня на входах от минус 0,0005 вольт до + 0,0005. В теории при его прохождении произойдет плавный подъём от отрицательного напряжения питания до положительного. На практике этот диапазон очень узок, и из-за наводок, помех, нестабильности напряжения питания и т.д. при примерном равенстве напряжений на входах будет происходить хаотичное срабатывание компаратора в обе стороны. Чем ниже коэффициент усиления ОУ, тем это окно нестабильности шире. Если компаратор управляет исполнительным механизмом, то это вызовет его срабатывание в такт (щелканье реле, хлопанье клапана и т.п.), что может привести к его механической поломке или перегреву.
Чтобы этого избежать, создается неглубокая положительная обратная связь включением резистора, указанного штриховой линией. Это создает небольшой гистерезис, смещая пороги переключения при прохождении напряжения вверх и вниз относительно опорного. Например, вверх компаратор будет переключаться при 0,1 вольт, а вниз – ровно при нуле (зависит от глубины обратной связи). Это исключит окно нестабильности. Номинал этого резистора может быть от нескольких сотен килоом до нескольких мегаом. Чем ниже сопротивление, тем больше разница между порогами.
Также имеются специализированные микросхемы компараторов. Например, LM393. В таких микросхемах имеется быстродействующий операционный усилитель (или несколько), может быть установлен встроенный делитель, создающий опорное напряжение. Ещё одно отличие таких компараторов от устройств, построенных на ОУ общего применения – многим из них требуются однополярный источник питания. Большинству операционников нужно двуполярное напряжение. Выбор типа микросхемы производится при разработке устройства.
Особенности цифровых компараторов
Компараторы применяются и в цифровой технике, хотя это звучит, на первый взгляд, парадоксально. Ведь здесь имеется всего два уровня напряжения – единица и ноль. И сравнивать их бессмысленно. Зато можно сравнить два двоичных числа, в которые можно преобразовать и любые аналоговые величины (включая напряжение).
Пусть имеется два двоичных слова одинаковой длины в битах:
X=X3X2X1X0 и Y=Y3Y2Y1Y.
Они считаются равными по значению, если все биты поразрядно равны:
1101=1101 => X=Y.
Если же хотя бы один бит отличается, то числа неравны. Большее число определяется поразрядным сравнением начиная со старшего бита:
- 1101>101 – здесь первый бит X больше первого бита Y, и X>Y;
- 1101>101 – первые биты равны, но второй бит у X больше и X>Y;
- 111<1110 – у Y третий бит больше, и большее значение у младшего разряда X не имеет значения, X<Y.
Реализацию такого сравнения можно построить на логических микросхемах базовых элементов И-НЕ, ИЛИ-НЕ, но проще применить готовые изделия. Например, 4063 (КМОП), 7485 (ТТЛ), отечественная К564ИП2 и другие серии микросхем. Они представляют собой 2-8 разрядные компараторы с соответствующим количеством входов данных и управляющих входов. Выходов у цифровых компараторов в большинстве случаев 3:
- больше;
- меньше;
- равно.
В отличие от аналоговых устройств, у двоичных компараторов равенство на входах не является нежелательной ситуацией и её не стараются избегать.
Такое устройство несложно построить и программным способом с помощью функций Булевой алгебры. Иной вариант – многие микроконтроллеры имеют «на борту» аналоговые компараторы с отдельными внешними выводами, выдающие на внутреннюю схему уже готовый результат сравнения двух величин в виде 0 или 1. Так экономится ресурс небольших вычислительных систем.
Где применяется компаратор напряжения
Сфера применения компаратора широка. На нём, например, можно построить пороговое реле. Для этого нужен датчик, преобразующий любую величину в напряжение. Такой величиной могут быть:
- уровень освещенности;
- уровень шума;
- уровень жидкости в сосуде или резервуаре;
- любые другие величины.
Потенциометром можно устанавливать уровень срабатывания компаратора. Выходной сигнал через ключ выдается на индикатор или исполнительный механизм.
Если увеличить гистерезис, то компаратор может работать в качестве триггера Шмитта. При подаче на вход медленно изменяющегося напряжения, на выходе получится дискретный сигнал с крутыми фронтами.
Два элемента могут быть соединены в двупороговый компаратор, или компаратор окна.
Здесь пороговое напряжение задается раздельно для каждого компаратора – для верхнего на прямом входе, для нижнего на инверсном. Свободные входы объединены, на них подается измеряемое напряжение. Выходы соединены по схеме «монтажное ИЛИ». При выходе напряжения за установленный верхний или нижний предел, один из компараторов выдает на выходе высокий уровень.
Из нескольких элементов собирается многоуровневый компаратор, который можно использовать, как линейный индикатор напряжения, или величину, которая преобразована в напряжение. Для четырех уровней схема будет такая:
В этой схеме на вход каждого элемента подается своё опорное напряжение. Инвертирующие входы соединены вместе, на них приходит измеряемый сигнал. При достижении уровня срабатывания загорается соответствующий светодиод. Если излучающие элементы расположить в линейку, получится световая полоса, длина которой изменяется в соответствии с уровнем поданного напряжения.
Эта же схема может применяться в качества аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Он преобразует входное напряжение в соответствующий двоичный код. Чем больше элементов входит в АЦП, тем больше разрядность, тем точнее преобразование. На практике кодом-линейкой пользоваться неудобно, и он преобразовывается в привычный код с помощью шифратора. Шифратор можно построить на логических элементах, воспользоваться готовой микросхемой или применить ПЗУ с соответствующей прошивкой.
Сфера применения компараторов в профессиональной и любительской схемотехнике разнообразна. Грамотное применение этих элементов позволяет решать широкий круг задач.
ОУ в режиме компаратора: допустимо ли это?
16 сентября 2019
Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.
Мы публикуем перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.
Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав
Многие разработчики (и я тоже) иногда используют операционные усилители в качестве компараторов. Обычно так происходит, когда нужен только один простой компаратор, и у вас остался «запасной» операционный усилитель в микросхеме, содержащей четыре ОУ в одном корпусе. Фазовая компенсация, необходимая для устойчивой работы операционного усилителя, приводит к тому, что из ОУ может получиться только очень медленный компаратор. Однако если требования по быстродействию являются скромными, то ОУ может быть достаточно. Иногда возникают вопросы по такому режиму использованию ОУ. В то время как некоторые операционные усилители работают нормально, другие работают не так, как ожидалось. Давайте разберемся, почему так происходит.
Многие операционные усилители имеют защитные ограничительные диоды, подключенные между входами. Чаще всего используют параллельное включение двух разнонаправленных диодов. Они защищают переход «база-эмиттер» входных транзисторов от обратного пробоя. Для многих ИС пробой перехода «база-эмиттер» начинается при подаче дифференциального входного напряжения около 6 В. Это приводит к повреждению транзисторов или нарушению их работы. На рисунке 73 защиту входного каскада из NPN-транзисторов обеспечивают диоды D1 и D2.
Рис. 73. Внутренние дифференциальные ограничительные диоды, подключенные между входами, предотвращают повреждение транзисторов, но могут помешать работе ОУ в режиме компаратора
В большинстве схем с операционными усилителями входное напряжение близко к нулю, и защитные диоды никогда не включаются. Но очевидно, что эти диоды могут стать проблемой при работе ОУ в режиме компаратора. Мы имеем ограниченный дифференциальный диапазон напряжения (около 0,7 В), при превышении которого один вход будет перетягивать другой, подтягивая его напряжение. Это не исключает возможность работы ОУ в качестве компаратора, но здесь требуется выполнение ряда условий. Эти условия в некоторых схемах могут быть абсолютно неприемлемыми.
Проблема заключается в том, что TI и другие производители операционных усилителей не всегда сообщают о наличии защитных диодов в документации. Даже когда информация о них присутствует, все равно нет четкого предупреждения о возможных проблемах. Наверное, следовало бы прямо говорить: «Будьте осторожны при использовании данного ОУ в качестве компаратора!». На самом деле авторы документации часто предполагают, что операционный усилитель будет использоваться только по прямому назначению. Мы провели встречу с нашей командой разработчиков и решили, что в будущем будем сообщать пользователям о потенциальных проблемах более четко. Но как быть с уже существующими ОУ? Ниже приведены некоторые рекомендации, которые могут помочь.
В большинстве случаев операционные усилители со входными NPN-транзисторами имеют защитные диоды. Примерами могут служить OP07, OPA227, OPA277 и многие другие. Исключением является старый усилитель μA741. У него, кроме входных NPN-транзисторов, имеются дополнительные последовательно включенные PNP-транзисторы, которые обеспечивают встроенную защиту для NPN (рисунок 74).
Рис. 74. ОУ с дополнительными последовательно включенными PNP-транзисторами лучше подходят для работы в качестве компаратора
Усилители общего назначения со входными PNP-транзисторами обычно не имеют встроенных ограничительных диодов (рисунок 75). В качестве примера можно привести LM324, LM358, OPA234, OPA2251 и OPA244. Обычно это ОУ с однополярным питанием “single-supply”, у которых диапазон входных синфазных напряжений начинается от нуля или даже немного ниже. Такие ОУ можно легко распознать: для них в документации указывается отрицательное значение входного тока смещения, то есть он вытекает из усилителя. Стоит особо отметить, что высокоскоростные ОУ со входными каскадами из PNP-транзисторов обычно имеют встроенные ограничительные диоды, так как эти транзисторы имеют невысокое напряжение пробоя.
Рис. 75. LM324 на базе PNP-транзисторов с высоким пробивным напряжением лучше подходит для работы в качестве компаратора
Усилители с JFET- и КМОП-входами, которые работают с более высокими напряжениями (до 20 В и более), могут как иметь, так и не иметь защитных диодов. Для них требуется дополнительная проверка. Особенности технологии изготовления и вид используемых транзисторов определяют, присутствуют ли внутри защитные диоды или нет.
У большинства низковольтных КМОП-усилителей нет встроенных диодов. Существует особое исключение для ОУ с автоматической коррекцией нуля (Auto-zero или чоппер), которые ведут себя так, как будто имеют встроенные защитные диоды.
И в заключение хочется сказать, что если вы рассматриваете возможность использования ОУ в качестве компаратора, будьте осторожны. Получите максимум информации из документации, в том числе вынесенной в примечания. Проверяйте поведение схемы на макете или прототипе, контролируйте взаимное влияние входов. Не полагайтесь на результаты моделирования со SPICE-макромоделями. Некоторые макромодели могут не включать дополнительные компоненты, симулирующие защитные диоды. Кроме того, особенности поведения, возникающие при подаче напряжений, близких к границе допустимых входных диапазонов, могут быть смоделированы неточно.
Список ранее опубликованных глав
- Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
- Что нужно знать о входах rail-to-rail
- Работа с напряжениями близкими к земле: случай однополярного питания
- Напряжение смещения и коэффициент усиления с разомкнутым контуром обратной связи — двоюродные братья
- SPICE-моделирование напряжения смещения: как определить чувствительность схемы к напряжению смещения
- Где выводы подстройки? Некоторые особенности выводов коррекции напряжения смещения
- Входной импеданс против входного тока смещения
- Входной ток смещения КМОП- и JFET-усилителей
- Температурная зависимость входного тока смещения и случайный вопрос на засыпку
- Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
- Использование входных резисторов для устранения входного тока смещения. Действительно ли они нужны?
- Почему в схемах с ОУ возникают колебания: интуитивный взгляд на две наиболее частые причины
- Приручаем нестабильный ОУ
- Приручаем колебания: проблемы с емкостной нагрузкой
- SPICE-моделирование устойчивости ОУ
- Входная емкость: синфазная? дифференциальная? или…?
- Операционные усилители: с внутренней компенсацией и декомпенсированные
- Инвертирующий усилитель с G = -0,1: является ли он неустойчивым?
- Моделирование полосы усиления: базовая модель ОУ
- Ограничение скорости нарастания выходного сигнала ОУ
- Время установления: взгляд на форму сигнала
- Шум резисторов: обзор основных понятий
- Шумы операционного усилителя: неинвертирующая схема
- Шумы ОУ: как насчет резисторов обратной связи?
- 1/f-шум: фликкер-шум
- ОУ, стабилизированные прерыванием: действительно ли они шумные?
- Развязывающие конденсаторы: они нужны, но зачем?
- Неиспользуемые операционные усилители: что с ними делать?
- Защита входов от перенапряжений
- Могут ли дифференциальные ограничительные диоды на входе ОУ влиять на его работу?
Переведено Вячеславом Гавриковым по заказу АО КОМПЭЛ
•••
Наши информационные каналы
Что такое компаратор и триггер Шмидта
Компаратор нулевого уровня. Инвертирующая и неинвертирующая схемы
Компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения двух входных сигналов, также это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам. В данной схеме (рис. 1) на неинвертирующий вход подается ноль, а на инвертирующий напряжение Uвх (обычно с амплитудой не более 15В). Входной сигнал имеет синусоидальную форму, а на выходе компаратора сигнал имеет прямоугольную форму (меандр). В компараторе напряжение Uвх сравнивается с нулем и в моменты, когда напряжение Uвх = 0 происходит переключение компаратора.
Рис. 1. Схема компаратора нулевого уровня
Из графиков видно, что сдвиг по фазе между входным сигналом и первой гармоникой выходного сигнала составляет 180 градусов (Δφ = 180º). Если подавать напряжение Uвх на неинвертирующий вход, а Uвх = 0 на инвертирующий, то такой сдвиг по фазе составляет ноль градусов (Δφ = 0º).
Компаратор ненулевого уровня
В данной схеме входное напряжение сравнивается с ненулевым опорным напряжением (Uоп ≠ 0). Опорное напряжение подается с резистивного делителя напряжения, выполненного на резисторах R1 и R2. Необходимую величину опорного напряжения легко получить с помощью подбора резисторов R1 и R2. В моменты, когда входное напряжение сравнивается с опорным напряжением, происходит переключение компаратора.
Относительная продолжительность включения – это отношение продолжительности t1 состояния выхода компаратора с положительным напряжением Uвых >0 к периоду T выходного напряжения
Рис. 2. Схема компаратора ненулевого уровня
Компараторы, представленные на схемах (рис. 1 – 2), имеют ряд недостатков, одним из основных является дребезг выходного напряжения при повышенном уровне шумов во входном сигнале.
Схема операционного усилителя с положительной обратной связью
(Триггер Шмитта)
Триггер Шмитта или схема компаратора с положительной обратной связью позволяет устранить недостатки простых схем компаратора (рис. 3), избежать дребезга выходного напряжения, возникающего вследствие неизбежного наличия шумов во входном сигнале
В триггере Шмитта на инвертирующий вход подаѐтся входной сигнал, а на неинвертирующий поступает сигнал положительной
обратной связи – опорное напряжение Uоп. Величину опорного напряжения можно регулировать с помощью резисторов R1 и R2. В цепи отрицательной обратной связи два стабилитрона VD1 и VD2 включены встречно — последовательно. Данные стабилитроны предназначены для ограничения амплитуды выходного прямоугольного сигнала на некотором заданном уровне.
Регулировочная характеристика триггера Шмитта представляет собой прямоугольную петлю гистерезиса. Это позволяет использовать схему в качестве формирователя прямоугольных импульсов из некоторого входного напряжения, в частности, из синусоидального.
Рассмотрение работы схемы начнѐм с момента t = 0. В данной схеме входное напряжение Uвх сравнивается с положительным опорным напряжением Uоп, и как только входное напряжение превысит опорное напряжение, схема переключится и на выходе появится отрицательное напряжение.
После момента переключения входное напряжение, достигнув некоторого максимального значения, снова уменьшится до величины, равной входному напряжению в момент переключения, однако компаратор не переключится. Это связано с тем, что
опорное напряжение снимается с резистивного делителя, подключенного к выходу компаратора, и изменение знака выходного напряжения при переключении приводит к изменению знака опорного напряжения. В дальнейшем входное гармоническое напряжение не только спадает до нуля, но меняет свой знак и увеличивается до величины равной отрицательному опорному напряжению. Именно в этот момент будет происходить переключение схемы и на выходе установится положительное выходное напряжение.
Рис. 3. Триггер Шмидта
Схема триггера Шмитта не реагирует на шумы, т.е. переключение происходит только в те моменты, когда входное напряжение превышает модуль опорного напряжения
Операционный усилитель с положительной обратной связью и односторонней петлѐй гистерезиса
Как можно видеть из рисунка 4, отличие данной схемы от схемы триггера Шмитта состоит в наличии в цепи положительной обратной связи диода VD1.
Рис. 4. Схема операционного усилителя с положительной обратной связью и односторонней петлей гистерезиса
Данный диод, находящийся в цепи положительной обратной связи, необходим для подачи на неинвертирующий вход отрицательного опорного напряжения, что приводит к уменьшению ширины петли гистерезиса в два раза.
См. также: Использование встроенного модуля компаратора в контроллерах Microchip PIC. Приемы, трюки, лайфхаки…
Что такое компараторы? — Utmel
Сравнение двух или более элементов данных для определения того, равны ли они, или определение соотношения размеров и порядка расположения между ними называется сравнением. Схема или устройство, которое может реализовать эту функцию сравнения, называется компаратором.
Каталог
Ⅰ Принцип
Компаратор — это схема, которая сравнивает аналоговый сигнал напряжения с опорным напряжением. Два входа компаратора представляют собой аналоговые сигналы, а выход — двоичный сигнал 0 или 1.Когда разница входного напряжения увеличивается или уменьшается, а знак положительного и отрицательного остается неизменным, выходное напряжение остается постоянным.
Компаратор может использоваться как 1-битный аналого-цифровой преобразователь ( ADC ). В принципе, операционный усилитель можно использовать в качестве компаратора, когда не добавляется отрицательная обратная связь, но поскольку коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя очень высок, он может обрабатывать сигналы только с очень малым входным дифференциальным напряжением.Более того, как правило, время задержки операционного усилителя велико, что не может удовлетворить фактические потребности. Компаратор можно настроить для обеспечения очень малой задержки по времени, но его частотные характеристики будут ограничены. Чтобы избежать колебаний на выходе, многие компараторы также имеют внутренние цепи гистерезиса. Порог компаратора фиксированный, у некоторых есть только один порог, а у некоторых два порога.
Ⅱ Рабочие характеристики
Напряжение гистерезиса : Напряжение между двумя входными клеммами компаратора изменит свое выходное состояние, когда оно пересечет нулевое значение.Поскольку на входную клемму часто накладываются небольшие колебания напряжения, напряжение дифференциального режима, генерируемое этими колебаниями, приведет к постоянному изменению выходного сигнала компаратора. Чтобы избежать колебаний на выходе, новые компараторы обычно имеют напряжение гистерезиса в несколько мВ. Наличие напряжения гистерезиса приводит к тому, что точки переключения компаратора становятся двумя: одна используется для обнаружения повышения напряжения, другая — для обнаружения падения напряжения, разница порога напряжения (VTRIP) равна напряжению гистерезиса. (VHYST).Напряжение смещения гистерезисного компаратора является средним значением TRIP и VTRIP-. Точка переключения входного напряжения компаратора без гистерезиса — это входное напряжение смещения, а не нулевое напряжение идеального компаратора. Напряжение смещения обычно зависит от температуры и напряжения источника питания. Коэффициент отклонения источника питания обычно используется для выражения влияния изменений напряжения источника питания на напряжение смещения.
Рисунок 1. независимый компаратор
Ток смещения : входной импеданс идеального компаратора бесконечен, поэтому теоретически он не влияет на входной сигнал, но входной импеданс фактического компаратора не может быть бесконечным.На входе имеется ток, который проходит через внутреннее сопротивление источника сигнала и течет в компаратор, что создает дополнительную разницу давлений. Ток смещения (Ibias) определяется как среднее значение входных токов двух компараторов и используется для измерения влияния входного импеданса. Максимальный ток смещения компараторов серии MAX917 составляет всего 2 нА.
Super power Swing : Для дальнейшей оптимизации диапазона рабочего напряжения компаратора Maxim использует параллельную структуру трубки NPN и трубки PNP в качестве входного каскада компаратора, так что входное напряжение компаратора может быть расширен.Нижний предел может быть самым низким уровнем, верхний предел на 250 мВ выше, чем напряжение источника питания, что соответствует стандарту Beyond-theRail. Входная клемма этого компаратора допускает большее синфазное напряжение.
Напряжение сток-исток : компаратор имеет только два различных выходных состояния (нулевой уровень или напряжение источника питания), а выходной каскад компаратора с характеристиками полного размаха мощности является эмиттерным повторителем. Следовательно, между его входным и выходным сигналами существует очень небольшая разница давлений.Разница напряжений зависит от напряжения эмиттерного перехода в состоянии насыщения внутреннего транзистора компаратора, что соответствует напряжению сток-исток МОП-транзистора.
Время задержки выхода : оно включает в себя задержку передачи сигнала через компоненты, а также время нарастания и время спада сигнала. Для высокоскоростных компараторов, таких как MAX961, типичное значение времени задержки может достигать 4,5 нс, а время нарастания — 2,3 нс. При проектировании обратите внимание на влияние различных факторов на время задержки, включая влияние температуры, емкостной нагрузки и перегрузки по входу.
Ⅲ Классификация
Компаратор напряжения перехода через нуль : Типовая схема сравнения амплитуд, ее принципиальная схема и кривая характеристики передачи показаны на рисунке.
Рисунок 2. Компаратор напряжения перехода через нуль
Компаратор напряжения : Измените входную клемму компаратора перехода через ноль с земли на фиксированное значение напряжения, чтобы получить компаратор напряжения. Его принципиальная схема и кривая характеристики передачи показаны на рисунке.
Рисунок 3. компаратор фиксированного напряжения
Оконный компаратор : Схема состоит из двух компараторов амплитуды, нескольких диодов и резисторов. Схема и характеристики передачи показаны на рисунке. Когда потенциальный уровень сигнала высокого уровня выше определенного заданного значения VH, это эквивалентно выходу положительного насыщения схемы компаратора. Когда потенциальный уровень сигнала низкого уровня ниже определенного заданного значения VL, это эквивалентно выходному сигналу отрицательного насыщения схемы компаратора.Этот компаратор имеет два порога, а характеристика передачи имеет форму окна, поэтому он называется оконным компаратором.
Рисунок 4. оконный компаратор
Компаратор гистерезиса : Ветвь резисторного делителя протягивается от выхода к неинвертирующему входу. Схема и характеристики передачи показаны на рисунке. Когда входное напряжение vI постепенно увеличивается от нуля и VI меньше VT, выход компаратора представляет собой положительное напряжение насыщения, а VT называется верхним пороговым (триггером) уровнем.Когда входное напряжение VI> VT ‘, выход компаратора представляет собой отрицательное напряжение насыщения, а VT’ называется нижним пороговым (триггером) уровнем.
Рисунок 5. гистерезисный компаратор
Ⅳ Приложение
Четыре компаратора используются для формирования схемы определения тока, которая может использоваться для индикации четырех состояний входного тока. Резистор «Шунт» используется для преобразования входного тока в сигнал напряжения. R1 и R2 используются для установки коэффициента усиления операционного усилителя и являются компараторами, обеспечивающими необходимое опорное напряжение.R4 ~ R7 можно использовать для установки порогов обнаружения, соответствующих различным состояниям цифрового выхода.
Компаратор перехода через ноль
Компаратор перехода через ноль используется для определения, является ли входное значение нулем. Принцип заключается в использовании компаратора для сравнения двух входных напряжений. Одно из двух входных напряжений — это опорное напряжение Vr, а другое — измеряемое напряжение Vu. Как правило, Vr подключается к неинвертирующему входному терминалу, а Vu подключается к инвертирующему входному терминалу.В зависимости от результата сравнения входного напряжения выводится прямое или обратное напряжение насыщения. Когда опорное напряжение известно, можно получить результат измерения измеряемого напряжения. Когда опорное напряжение равно нулю, это компаратор перехода через ноль.
Компаратор перехода через ноль, созданный на основе компаратора, имеет определенную погрешность измерения. Когда произведение разности напряжений между двумя входными клеммами и усиления без обратной связи меньше порогового значения на выходе, детектор выдаст нулевое значение.Например, когда увеличение разомкнутого контура составляет 106, а порог выхода составляет 6 В, если разница напряжений между двумя входными каскадами меньше 6 микровольт, детектор выдает ноль. Это также можно считать неопределенностью измерения.
Осциллятор релаксацииКомпараторы могут использоваться для создания осцилляторов релаксации, в которых применяются как положительная, так и отрицательная обратная связь. Положительная обратная связь — это триггер Шмитта, который образует мультивибратор.RC-цепь добавляет к ней отрицательную обратную связь, которая вызывает самопроизвольные колебания схемы, превращая всю схему от защелки к релаксационному генератору.
Сдвиг уровня использует компараторы с открытым стоком (такие как LM393, TLV3011 и MAX9028) для создания устройства сдвига уровня для изменения напряжения сигнала. Выбор подходящего повышающего напряжения позволяет гибко выбирать значение преобразованного напряжения. Например, используйте компаратор MAX972 для преобразования сигналов & plusmn; 5 В в сигналы 3 В.
Аналого-цифровой преобразовательФункция компаратора заключается в том, чтобы сравнить, превышает ли входной сигнал заданное значение, чтобы он мог преобразовать входной аналоговый сигнал в двоичный цифровой сигнал. Почти все цифро-аналоговые преобразователи, включая дельта-сигма модуляцию, содержат компараторы для квантования входного аналогового сигнала.
Ⅴ Компаратор напряжения
Компаратор напряжения можно рассматривать как операционный усилитель с коэффициентом усиления, близким к «бесконечности».Функция компаратора напряжения заключается в сравнении величины двух напряжений (с использованием высокого или низкого уровня выходного напряжения, чтобы указать соотношение между двумя входными напряжениями): Когда напряжение на входной клемме «+» выше, чем входной терминал «-», выход компаратора напряжения — высокий уровень; когда напряжение на входной клемме «+» ниже, чем на входной клемме «-», выход компаратора напряжения имеет низкий уровень.
Роль компаратора напряжения: он может использоваться в качестве интерфейса между аналоговыми и цифровыми схемами, а также схемами генерации и преобразования сигналов.Простой компаратор напряжения может преобразовать синусоидальную волну в прямоугольную или прямоугольную с той же частотой. Простой компаратор напряжения имеет простую конструкцию и высокую чувствительность, но его способность к помехам оставляет желать лучшего, поэтому людям приходится его улучшать. Усовершенствованные компараторы напряжения включают гистерезисный компаратор и оконный компаратор. Операционные усилители используются для определения «рабочих параметров» с помощью контуров обратной связи и входных контуров, таких как увеличение. Обратная связь может быть частью или всем выходным током или напряжением.Компаратор не требует обратной связи и напрямую сравнивает количество двух входных клемм. Если неинвертирующий вход больше, чем инвертированная фаза, выход высокий, в противном случае — низкий. Вход компаратора напряжения является линейной величиной, а выход — величиной переключателя (высокого и низкого уровня). В обычных приложениях линейные операционные усилители иногда могут использоваться для создания компараторов напряжения без отрицательной обратной связи.
Микросхемы, которые могут использоваться как компараторы напряжения: все операционные усилители.Распространенными являются LM324 LM358 uA741 TL081 \ 2 \ 3 \ 4 OP07 OP27, которые могут быть преобразованы в компараторы напряжения (без отрицательной обратной связи). LM339 и LM393 — профессиональные компараторы напряжения с высокой скоростью переключения и малым временем задержки. Их можно использовать в особых случаях сравнения напряжения. По сути, это еще и операционный усилитель.
Усилители как компараторы? | Аналоговые устройства
В. Что такое компаратор? Чем он отличается от операционного усилителя?
А.Основная функция компаратора с высоким коэффициентом усиления — определить, является ли входное напряжение выше или ниже опорного напряжения, и представить это решение как один из двух уровней напряжения, установленных предельными значениями выхода. Компараторы имеют множество применений, в том числе: идентификация полярности, 1-битное аналого-цифровое преобразование, управление переключателем, генерация прямоугольной / треугольной волны и генерация фронта импульса.
В принципе, для выполнения этого простого решения можно использовать любой усилитель с высоким коэффициентом усиления.Но «дьявол кроется в деталях». Таким образом, есть некоторые основные различия между устройствами, разработанными как операционные усилители, и устройствами, предназначенными для работы в качестве компараторов. Например, для использования с цифровой схемой многие компараторы имеют выходы с фиксацией, а все разработаны так, чтобы иметь выходные уровни, совместимые с цифровыми спецификациями уровня напряжения. Есть еще несколько важных для дизайнеров отличий — они будут обсуждаться здесь.
В. При каких обстоятельствах можно пойти в любую сторону?
А. Усилители следует рассматривать для использования в качестве компараторов в приложениях, где необходимы малое смещение и дрейф, а также низкий ток смещения — в сочетании с низкой стоимостью. С другой стороны, существует множество конструкций, в которых усилитель не может рассматриваться как компаратор из-за его длительного времени восстановления после выходного насыщения, большой задержки распространения и неудобства обеспечения совместимости его выхода с цифровой логикой. Кроме того, вызывает беспокойство динамическая стабильность.
Однако есть преимущества в стоимости и производительности при использовании усилителей в качестве компараторов — если их сходства и различия четко осознаются, и приложение может выдерживать, как правило, более низкую скорость усилителей.Никто не может утверждать, что усилитель будет служить заменой компаратора во всех случаях — но для ситуаций с низкой скоростью, требующих очень точного сравнения, производительность некоторых новых усилителей не может сравниться с характеристиками компараторов, имеющих больший шум и компенсировать. В некоторых приложениях с медленно меняющимися входами шум будет вызывать быстрое переключение выходов компаратора вперед и назад (см. «Устранение нестабильности компаратора с помощью гистерезиса», Analog Dialogue , Volume 34, 2000).Кроме того, можно сэкономить на стоимости или ценной площади печатных плат (PCB) в приложениях, где можно использовать двойной операционный усилитель вместо операционного усилителя и компаратора, или в конструкции, где три из четырех усилителей в пакет quad уже зафиксирован, и необходимо сравнить два сигнала постоянного тока или медленно меняющиеся сигналы.
В. Можно ли использовать этот четвертый усилитель в качестве компаратора?
A. Это вопрос, который сегодня задают нам многие разработчики систем.Было бы бессмысленно покупать четырехканальный операционный усилитель, использовать только три канала, а затем покупать отдельный компаратор — если действительно этот усилитель можно было бы просто использовать для функции сравнения. Однако следует понимать, что усилитель не может использоваться в качестве компаратора во всех случаях. Например, если приложение требует сравнения сигналов менее чем за микросекунду, добавление компаратора, вероятно, является единственным выходом. Но если вы понимаете внутренние архитектурные различия между усилителем и компаратором и то, как эти различия влияют на производительность этих микросхем в приложениях, вы сможете получить неотъемлемую эффективность от использования одного чипа.
На этих страницах мы опишем параметрические различия между этими двумя ветвями технологии усилителей IC и дадим полезные советы по использованию усилителя в качестве компаратора.
В. Так чем же отличаются усилители и компараторы?
A. В целом, операционный усилитель (операционный усилитель) оптимизирован для обеспечения точности и стабильности (как постоянного, так и динамического) для заданного линейного диапазона выходных значений в прецизионных цепях с обратной связью.Однако, когда усилитель с разомкнутым контуром используется в качестве компаратора с его выходами, колеблющимися в пределах своих пределов, его внутренняя компенсационная емкость, используемая для обеспечения динамической стабильности, заставляет выходной сигнал медленно выходить из насыщения и нарастать в пределах своего выходного диапазона. . Компараторы, с другой стороны, обычно предназначены для работы с разомкнутым контуром, когда выходы меняются между указанными верхним и нижним пределами напряжения в ответ на знак чистой разницы между двумя входами. Поскольку они не требуют компенсационных конденсаторов операционного усилителя, они могут работать довольно быстро.
Если входное напряжение компаратора более положительно, чем опорное напряжение плюс смещение — V OS (с нулевым заданием, это просто смещение) плюс требуемая повышающая передача (из-за ограниченного усиления и нелинейности выхода), a на выходе появляется напряжение, соответствующее логической «1». На выходе будет логический «0», когда на входе будет меньше V OS и требуемая перегрузка. Фактически, компаратор можно рассматривать как однобитовый аналого-цифровой преобразователь.
Есть разные способы определения компаратора и усилителя. Например, в усилителе напряжение смещения , — это напряжение, которое должно быть приложено к входу, чтобы довести выход до заданного среднего значения, соответствующего идеальному нулю на входе. В компараторе это определение модифицируется так, чтобы его центр находился в указанном диапазоне напряжения от 1 до 0 на выходе. «Низкое» выходное значение компаратора (логический 0) указано на уровне менее 0,4 В макс. В компараторах с TTL-совместимыми выходами, в то время как для низковольтного усилителя низкое выходное значение очень близко к его отрицательной шине (e .г., 0 В при однополярном питании). На Рисунке 1 сравниваются низкие значения выходного сигнала типичных моделей усилителя и компаратора, с дифференциальным входом –1 мВ, приложенным к каждой из них.
Рис. 1. Реакция моделей усилителя с однополярным питанием (63 пВ) и компаратора (280 мВ) на разность входных напряжений –1 мВ.Созданные для максимально быстрого сравнения двух уровней, компараторы не имеют внутреннего компенсационного конденсатора (конденсатора «Миллера»), который обычно используется в операционных усилителях, а их выходная цепь обеспечивает более гибкое возбуждение, чем у операционных усилителей.Отсутствие схемы компенсации дает компараторам очень широкую полосу пропускания. На выходе обычные операционные усилители используют двухтактную схему вывода для по существу симметричных колебаний между указанными напряжениями источника питания, в то время как компараторы обычно имеют выход с «открытым коллектором» с заземленным эмиттером. Это означает, что выходной сигнал компаратора может быть возвращен через маломощный резистор нагрузки коллектора («подтягивающий» резистор) на напряжение, отличное от основного положительного источника питания. Эта функция позволяет компаратору взаимодействовать с множеством логических семейств.Использование низкого сопротивления подтягивания приводит к повышению скорости переключения и помехоустойчивости, но за счет увеличения рассеиваемой мощности.
Поскольку компараторы редко конфигурируются с отрицательной обратной связью, их (дифференциальный) входной импеданс не умножается на усиление контура, как это характерно для схем операционного усилителя. В результате входной сигнал видит изменяющуюся нагрузку и изменяющийся (небольшой) входной ток при переключении компаратора. Следовательно, при определенных условиях необходимо учитывать импеданс ведущей точки.В то время как отрицательная обратная связь , удерживает усилители в пределах их линейной выходной области, таким образом поддерживая небольшое изменение большинства внутренних рабочих точек, положительная обратная связь часто используется для принудительного перехода компараторов в состояние насыщения (и обеспечения гистерезиса для снижения чувствительности к шуму). Вход компаратора обычно допускает большие колебания сигнала, в то время как его выход имеет ограниченный диапазон из-за требований к интерфейсу, поэтому внутри компаратора требуется много быстрого сдвига уровня.
Каждое из вышеперечисленных различий между усилителем и компаратором существует по определенной причине, главной целью которых является как можно более быстрое сравнение быстро меняющихся сигналов.Но для сравнения низкоскоростных сигналов — особенно там, где требуется разрешение менее милливольта — некоторые новые усилители Rail-to-Rail от Analog Devices могут быть более выгодными покупками, чем компараторы.
В. ОК. Я вижу, что есть общие различия. Как они выглядят для проектировщика, который хочет использовать операционный усилитель вместо компаратора?
A. Вот шесть основных моментов:
1. Рассмотрим нелинейность V OS и I B по сравнению свходное синфазное напряжение
При использовании компараторов напряжения обычно заземляют одну входную клемму и используют несимметричный вход. Основная причина заключалась в плохом подавлении синфазного сигнала входного каскада. Напротив, многие усилители имеют очень высокий уровень подавления синфазного сигнала и способны обнаруживать микровольтные разности уровней при наличии сильных синфазных сигналов. На рис. 2 показан отклик операционного усилителя AD8605 на дифференциальный скачок 100 мВ при синфазном напряжении 3 В.
Рис. 2. Реакция AD8605 без обратной связи на дифференциальный скачок 100 мВ при синфазном напряжении 3 В. Обратите внимание на практически линейное вращение между шинами 0 и 5 В и чистое насыщение.Но для многих усилителей с прямой входной нагрузкой входное напряжение смещения (V OS ) и входной ток смещения (I B ) являются нелинейными в диапазоне входных синфазных напряжений. При использовании этих усилителей пользователь должен учитывать это изменение в конструкции.Если порог установлен на нулевом синфазном уровне, но часть используется на каком-то другом уровне синфазного сигнала, то полученный логический уровень может быть не таким, как ожидалось. Например, часть со смещением 2 мВ при нулевом синфазном режиме и от 5 до 6 мВ во всем диапазоне синфазного режима может дать ошибочный выходной сигнал при сравнении разницы в 3 мВ на некоторых уровнях в этом диапазоне.
2. Остерегайтесь диодов защиты входа
Многие усилители имеют на входе схемы защиты.Когда два входа испытывают дифференциальное напряжение, превышающее номинальное падение напряжения на диоде (скажем, 0,7 В), защитные диоды начинают проводить ток, и вход выходит из строя. Следовательно, очень важно посмотреть на структуру входа усилителя и убедиться, что он может приспособиться к ожидаемому диапазону входных сигналов. Некоторые усилители, например OP777 / OP727 / OP747, не имеют защитных диодов; их входы могут принимать дифференциальные сигналы вплоть до уровней напряжения питания. На рисунке 3 показан отклик на большой дифференциальный сигнал на входе OP777.В этом случае выходы многих усилителей выходят из строя, а OP777 реагирует правильно. Усилители с КМОП-входом не имеют защитных диодов на входе, и их входное дифференциальное напряжение может качаться по схеме «rail-to-rail». Но помните, что в некоторых случаях подача большого дифференциального сигнала на входе вызывает значительные сдвиги параметров усилителя.
Рисунок 3. Отклик усилителя OP777 на сигнал ± 2 В, 1 кГц, смещенный на +2 В, по сравнению с уровнем + 0,5 В постоянного тока. Обратите внимание, что для этого большого колебания нет инверсии фазы.Однако коэффициент усиления довольно низкий на уровне синфазного сигнала +0,5 В от отрицательной шины, что можно увидеть по необходимому перегрузу примерно на 0,3 В.3. Следите за характеристиками диапазона входного напряжения и тенденциями изменения фаз:
В отличие от операционных усилителей, которые обычно работают с входными напряжениями на одном уровне, компараторы обычно видят большие перепады дифференциального напряжения на своих входах. Но некоторые компараторы без входов Rail-to-Rail имеют ограниченный диапазон входного синфазного напряжения.Если входы выходят за пределы указанного синфазного диапазона устройства (даже если в пределах указанного диапазона сигнала), компаратор может среагировать ошибочно. Это также может быть справедливо для некоторых из старых типов усилителей, разработанных с использованием транзисторных полевых транзисторов (JFET) и биполярных технологий. Когда входное синфазное напряжение превышает определенный предел (IVR), на выходе происходит инверсия фазы. Это явление может быть пагубным ( см. в главе 6 документа Спросите инженера по приложениям », цифра после таблицы).Поэтому крайне важно выбрать усилитель, который не проявляет реверсирование фазы при перегрузке. Это одна из проблем, которую можно решить, используя усилители с разъемами rail-to-rail.
4. Рассмотреть восстановление насыщения
Типичные операционные усилители не предназначены для использования в качестве быстрых компараторов, поэтому отдельные каскады усиления переходят в состояние насыщения, когда выход усилителя приводится к одному из крайних значений, заряжая компенсационный конденсатор и паразитные емкости.Конструктивное различие между усилителями и компараторами заключается в добавлении схемы фиксации в компараторы для предотвращения внутреннего насыщения. Когда усилитель переходит в режим насыщения, ему требуется время, чтобы восстановиться, а затем установить новое конечное выходное значение — в зависимости от выходной структуры и схемы компенсации. Из-за времени, необходимого для выхода из насыщения, усилитель работает медленнее при использовании в качестве компаратора, чем при использовании под управлением в конфигурации с обратной связью. Информацию о восстановлении насыщения можно найти во многих технических паспортах усилителей.На рисунке 4 показаны графики восстановления насыщения для двух популярных усилителей (AD8061 и AD8605). Выходные структуры этих усилителей представляют собой стандартные двухтактные схемы с общим эмиттером.
Рисунок 4. Восстановление двух популярных усилителей в замкнутой конфигурации.5. Факторы, влияющие на время перехода
Скорость — одно из отличительных отличий между семейством усилителей и компараторов. Задержка распространения — это время, которое требуется компаратору для сравнения двух сигналов на его входе и для достижения его выходом средней точки между двумя выходными логическими уровнями.Задержка распространения обычно указывается с перегрузкой, которая представляет собой разность напряжений между приложенным входным напряжением и опорным напряжением, которое требуется для переключения в течение заданного времени. На следующих графиках характеристики нескольких КМОП-усилителей с разъемом «rail-to-rail» сравниваются с характеристиками популярного компаратора. Все усилители сконфигурированы, как показано на Рисунке 5 (ae), с приложенным напряжением В IN , = ± 0,2 В, с центром около 0 В. В случае компаратора используется подтяжка 10 кОм вместо нагрузка на землю.Скорости усилителя сильно различаются, но из-за насыщения и более низкой скорости нарастания сигнала все они намного медленнее, чем у компаратора.
Рисунок 5а. Схема усилителя Рисунок 5б. Положительный шаг. Рисунок 5c. Отрицательный шаг. Рисунок 5г. Положительный шаг. Рисунок 5д. Отрицательный шаг.Рис. 5. Сравнение характеристик компаратора и трех моделей усилителя без обратной связи, напряжение ± 0,2 В. а. Схема усилителя. б. Положительный шаг. c. Отрицательный шаг. Затем с поданным сигналом 50 мВ и перегрузкой 20 мВ.Период = 10 мкс. d. Положительный шаг. е. Отрицательный шаг.
| Номер детали | Ток питания (мкА) | Напряжение смещения (мВ) | Диапазон питания (В) | Скорость нарастания (В / мкс |
| AD8515 | 350 | 5,00 | 1,8-5,0 | 5 |
| AD8601 | 1 000 90 279 | 0.05 | 2,7-5,0 | 4 |
| AD8541 | 55 | 6,00 | 2,7-5,0 | 3 |
| AD8061 | 8 000 | 6,00 | 2,7-8,0 | 300 |
| LM139 | 3 200 | 6.00 | 5,0–3,6 | — |
В то время как большинство компараторов имеют перегрузку от 2 мВ до 5 мВ, самые высокоточные усилители с низким входным смещением могут надежно работать с перегрузкой всего лишь на 0,05 мВ. Величина овердрайва, применяемого на входе, оказывает значительное влияние на задержку распространения. На рисунке 6 показана реакция AD8605 на несколько значений напряжения перегрузки.
Рис. 6. Реакция AD8605 в качестве компаратора на ступенчатые входы с перегрузкой 1, 10 и 100 мВ.Поскольку усилителям разрешено потреблять больше энергии, их скорость существенно увеличивается, так что они могут конкурировать с компараторами по времени нарастания и спада. На рисунке 7 показан пример этого — для AD8061 со скоростью нарастания 300 В / мкс в конфигурации разомкнутого контура, реагирующей на вход синусоидального перехода через нуль, время восстановления выхода составляет 19 нс. Однако одним из самых больших недостатков использования усилителя в качестве компаратора часто является его энергопотребление, поскольку обычно можно найти компараторы, потребляющие меньший ток питания ( I SY ), но все же работающие хорошо.Конечно, для приборов, использующих сетевое питание, потребляемая мощность обычно не является большим движущим фактором. Кроме того, многие усилители имеют вывод отключения — функция, редко доступная в компараторах; его можно использовать для экономии энергии.
Рис. 7. Реакция AD8061 как компаратора перехода через нуль.На рисунке 8 характеристика ступенчатого сигнала AD8061 сравнивается с характеристикой популярного LM139 и двух других усилителей с разомкнутым контуром, подключенных по той же схеме, что и на рисунке 6. Как видно, AD8061 реагирует в течение 300 нс, что быстрее, чем LM139.Это достигается за счет более высокого потребления тока.
Рисунок 8. Ступенчатая характеристика трех усилителей и популярного компаратора. Обратите внимание на особенно быструю реакцию AD8061.6. Рассмотрите способ взаимодействия с различными семействами логики
Многие из современных усилителей с выходом rail-to-rail работают с однополярным питанием от 5 В до 15 В, что позволяет легко обеспечить TTL- или CMOS-совместимый выход без необходимости в дополнительных схемах сопряжения. Если логическая схема и операционный усилитель используют один и тот же источник питания, то операционный усилитель с рельсовой нагрузкой будет довольно успешно управлять семейством логики CMOS и TTL, но если для операционного усилителя и логической схемы требуются разные уровни питания, потребуются дополнительные схемы интерфейса. .Например, рассмотрим операционный усилитель с питанием ± 5 В, который должен управлять логикой с питанием +5 В: поскольку логика может быть повреждена, если к ней приложено –5 В, особое внимание следует уделить конструкции схемы интерфейса. .
На рисунке 9 показан OP1177 (усилитель с двойным питанием), подключенный к логической схеме, а на рисунке 10 показан его отклик на 100 мВ перегрузки. При использовании источников питания ± 5 В снижается рассеиваемая мощность в режиме покоя, а тепловая обратная связь — из-за рассеяния на выходном каскаде — сводится к минимуму по сравнению с работой при напряжении ± 15 В.Более низкое напряжение питания также уменьшает время нарастания и спада OP1177, поскольку выход нарастает в пониженном диапазоне напряжения, что, в свою очередь, сокращает время отклика выхода.
Без схемы защиты на выходе OP1177 выход будет качаться на + V CC2 и –V EE2 ; эти уровни могут быть вредными для последующих логических схем. Добавление Q2 и D2 предотвращает отрицательное значение выходного сигнала и переводит пределы в уровни выходного сигнала, совместимые с TTL. D2 фиксирует выход, чтобы он не опускался ниже 0.7 В, как видно на осциллограмме V (D2,2). Значение V CC Q2 может быть выбрано (для этого анализа было выбрано 5 В) так, чтобы получился правильный логический уровень, как показано формой сигнала V OUT .
Рисунок 9. OP1177, подключенный для работы компаратора, со схемой преобразования и защиты для выхода TTL. Рисунок 10. Формы сигналов отклика для схемы компаратора OP1177.Для экономии энергии можно использовать N-канальный MOSFET вместо NPN-транзистора, показанного на рисунке 9.
Q. Итак, чистая прибыль …
A. Усилитель может использоваться в качестве компаратора с превосходной точностью на низких частотах. Фактически, для сравнения сигналов с разрешением на уровне микровольт прецизионные усилители — единственный практический выбор. Они также могут быть экономичным выбором для пользователей многоканальных операционных усилителей, когда возможно использование свободных каналов усилителя для удовлетворения требований компаратора. Опытные дизайнеры могут сэкономить деньги при оптимизации своих конструкций, если они постараются: понять сходства и различия между усилителями и компараторами; прочтите технический паспорт усилителя, чтобы узнать о его характеристиках; понимать компромиссы во времени восстановления, скорости и энергопотреблении; и готовы проверить конструкции с усилителями, сконфигурированными как компараторы.
Схемы компаратора— обзор
Что такое операционный усилитель на самом деле?
Вы понимаете, как работает операционный усилитель? Вы бы поверили, что операционные усилители были разработаны, чтобы упростить создание схемы , ? Вы, наверное, не думали, что в прошлый раз ломали голову над плохо работающим макетом в лаборатории.
В современном цифровом мире, похоже, обычной практикой является обсуждение темы операционных усилителей, давая учащимся возможность ознакомиться с часто используемыми формулами, не объясняя при этом их цель или теорию.Затем, когда новый инженер впервые разрабатывает схему операционного усилителя, возникает полная путаница, когда схема работает не так, как ожидалось. Это обсуждение призвано дать некоторое представление о внутренностях операционного усилителя и дать читателю интуитивное понимание операционных усилителей.
И последнее: обязательно сначала прочтите этот раздел! Я считаю, что одна из причин op-fusion (путаницы с операционными усилителями), как я люблю это называть, заключается в том, что теория преподается не по порядку. Изучение теории имеет очень конкретный порядок, поэтому, пожалуйста, разберитесь с каждым разделом, прежде чем двигаться дальше.Во-первых, давайте взглянем на символ операционного усилителя (см. Рисунок 3.8 на следующей странице).
Рисунок 3.8. Ваш базовый операционный усилитель.
Имеется два входа, положительный и отрицательный, обозначенные знаками + и -. Есть один выход.
Входы имеют высокий импеданс. Я повторяю. Входы имеют высокий импеданс. Позвольте мне сказать это еще раз. Входы с высоким сопротивлением! Это означает, что они (практически) не влияют на цепь, к которой они подключены. Запишите это, потому что это очень важно.Подробнее об этом мы поговорим позже. Об этом важном факте обычно забывают, и он способствует путанице, о которой я упоминал ранее.
Выход с низким сопротивлением. Для большинства анализов лучше всего рассматривать его как источник напряжения. Теперь давайте представим операционный усилитель, как на рис. 3.9, двумя отдельными символами.
Рисунок 3.9. Что на самом деле внутри операционного усилителя?
Здесь вы видите суммирующий блок и блок усиления. Вы можете вспомнить похожие символы из своего урока теории управления.На самом деле они не просто похожи — они абсолютно одинаковы. Теория управления работает для операционных усилителей. (Больше по этой теме будет позже.)
Во-первых, давайте обсудим суммирующий блок. Вы заметите, что на суммирующем блоке есть положительный вход и отрицательный вход, как и на операционном усилителе. Помните, что отрицательный вход — это как если бы напряжение в этой точке умножалось на -1. Таким образом, если у вас есть 1 В на положительном входе и 2 В на отрицательном входе, выход этого блока будет -1.Выход этого блока — это сумма двух входов, где один из входов умножается на -1. Его также можно представить как разность двух входных данных и представить это уравнение:
Eq. 3.1Vs = (V +) — (V-)
Теперь мы подошли к блоку усиления. Переменная G внутри этого блока представляет величину усиления, которую операционный усилитель применяет к сумме входных напряжений. Это также известно как усиление разомкнутого контура операционного усилителя. В этом случае мы будем использовать значение 50 000.Я слышал, вы говорите: «Как такое может быть? Схема усиления, которую я только что построил с операционным усилителем, не достигает таких высот! » Просто поверь мне на мгновение. Вскоре мы перейдем к приложениям для усиления. Просто найдите коэффициент усиления в разомкнутом контуре в таблице данных производителя. Вы увидите, что этот уровень усиления или даже выше типичен для большинства операционных усилителей.
А теперь проведем небольшой анализ. Что произойдет на выходе, если подать 2 В на положительный вход и 3 В на отрицательный? Я рекомендую вам попробовать это на макетной плате.Я хочу, чтобы вы увидели, что операционный усилитель может и будет работать с разными напряжениями на входах. Однако немного математики и немного здравого смысла также покажут нам, что произойдет. Например:
Ур. 3.2Vout = 50,000 * (2-3) или -50,000V
Теперь, если у вас нет операционного усилителя на 50,000 В, подключенного к биполярному источнику питания 50,000 В, вы не увидите -50,000 В на выходе. Что ты увидишь? Подумайте об этом за минуту, прежде чем читать дальше. Выход пойдет на минимальную рейку. Другими словами, он будет стараться быть как можно более негативным.В этом есть большой смысл, если вы думаете об этом так. Выходной сигнал должен достигнуть -50 000 В и соответствовать предыдущей математике. Он не может попасть туда, поэтому он подойдет как можно ближе. Рельсы операционного усилителя подобны рельсам железнодорожного полотна; поезд будет оставаться в пределах своих рельсов, если это вообще возможно. Точно так же, если операционный усилитель выйдет за пределы рельсов, произойдет катастрофа, и из микросхемы выйдет пресловутый волшебный дым. Шина — это максимальное и минимальное напряжение, которое может выдавать операционный усилитель. Как вы понимаете, это зависит от источника питания и выходных характеристик операционного усилителя.Хорошо, поменяйте местами входы. Теперь верно следующее:
Ур. 3.3Vout = 50,000 * (3-2) или + 50,000V
Что теперь будет? Выход пойдет на максимальную рейку. Как узнать, где находятся выходные шины операционного усилителя? Как отмечалось ранее, это зависит от используемого источника питания и конкретного операционного усилителя. Для получения этой информации вам нужно будет свериться с таблицей данных производителя. Предположим, что мы используем LM324 с односторонним питанием +5 В. В этом случае выход будет очень близок к 0 В при попытке перейти в отрицательное значение и около 4 В при попытке перейти в положительное значение.
На этот раз я хотел бы отметить кое-что. Входы операционного усилителя не равны друг другу. Я много раз видел, как инженеры ожидали, что эти входные данные будут иметь одинаковую ценность. На этапе анализа разработчик придумывает токи, поступающие на входы устройства, чтобы это произошло (помните, входы с высоким импедансом, практически нулевой ток). Затем, когда он пробует это, его сбивает с толку тот факт, что он может измерять разные напряжения на входах.
В особом случае, который мы обсудим в следующем разделе, вы можете сделать предположение, что эти входы равны. Это , а не в общем случае! Это распространенное заблуждение. Вы не должны попадаться в эту ловушку, иначе вы вообще не поймете операционные усилители.
Предыдущие примеры показывают очень изящное применение операционных усилителей: схему компаратора. Это отличная маленькая схема для преобразования аналогового мира в цифровой. Используя эту схему, вы можете определить, выше или ниже один входной сигнал, чем другой. Фактически, многие микроконтроллеры используют схему компаратора в процессах аналого-цифрового преобразования.Цепи компаратора используются повсюду. Как вы думаете, как уличный фонарь знает, когда достаточно темно, чтобы включиться? Он использует схему компаратора, подключенную к датчику освещенности. Как светофор узнает, что над датчиками есть автомобиль, чтобы переключиться на зеленый? Вы можете поспорить, что там есть схема компаратора.
Thumb Rules
- •
Входы имеют высокий импеданс; они оказывают незначительное влияние на цепь, к которой они подключены.
- •
Входы могут иметь различное напряжение; они вообще должны быть равны , а не .
- •
Коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя составляет очень высокий .
- •
Из-за высокого усиления разомкнутого контура и ограничений по выходу операционного усилителя, если один вход выше, чем другой, выход будет «направляться» к своему максимальному или минимальному значению. (Это приложение часто называют схемой компаратора .)
Компараторы — обзор | Темы ScienceDirect
9.2.6.2 Конструкция замка и ключа
Метод «Замок и ключ» зависит от конструкции TSC, который состоит из четырех компонентов. Конечный автомат (FSM) управляет текущим режимом TSC; компаратор тестовых ключей используется только тогда, когда TC включен в первый раз, возвращая безопасный или небезопасный результат; LFSR выбирает одну подцепочку во время операции сканирования и управляет выходным мультиплексором; и декодер переводит выходной сигнал LFSR в схему однократного включения.На рисунке 9.10 показаны сигналы, передаваемые между каждым из компонентов TSC. Связь между каждым из компонентов сведена к минимуму, чтобы уменьшить маршрутизацию и общий размер TSC.
Рисунок 9.10. Схема проектирования ЦТП.
Блок FSM состоит из простой логики состояний и двух счетчиков. Логика состояния управляет компаратором тестовых ключей и LFSR. FSM также определяет, в соответствии с ответом компаратора тестовых ключей, заполнять ли LFSR вектором из SI или использовать случайное начальное число, созданное в LFSR при сбросе системы.Случайное начальное число может быть создано множеством различных способов, в том числе с использованием генератора истинных случайных чисел (TRNG). Первым счетчиком, используемым в блоке FSM, был счетчик log2 (q), который используется только для заполнения LFSR, где q — длина LFSR. Второй счетчик — это счетчик log2 (l), используемый для тактирования LFSR после -1 циклов, сдвигающего содержимое LFSR для включения новой подцепи.
Компаратор тестового ключа используется один раз, только после того, как система была перезагружена и впервые переведена в тестовый режим.Чтобы компаратор оставался маленьким, и поскольку тестовый ключ из SI считывается последовательно, каждый бит последовательно проверяется на соответствие ключа, хранящегося на микросхеме в защищенной памяти. При сравнении каждого бита в FF сохраняется результат выполнения, который в конечном итоге считывается автоматом. После k циклов конечный результат считывается автоматом, определяющим, будет ли TSC работать в безопасном режиме или продолжит работу в небезопасном режиме.
При разработке технологии «Lock & Key» цель состоит в том, чтобы обеспечить безопасность цепочек сканирования при сохранении простоты и независимости конструкции.Чтобы декодер не стал слишком сложным, LFSR с примитивной полиномиальной конфигурацией позволяет выбрать m = 2q-1 субцепей, где q — размер LFSR в безопасном режиме. Использование примитивного полинома позволяет выбрать все субцепи один раз и только один раз во время цикла тестирования. Если используется непримитивная полиномиальная конфигурация, если не включена дополнительная логика, некоторые субцепи могут выбираться более одного раза или никогда не выбираться вообще. Используя q битов из LFSR, декодер включает один из m выходов, оставляя остальные равными нулю.Поскольку существует по крайней мере один примитивный полином для всех значений q , LFSR гарантированно выберет каждую подцепочку один раз перед повторением для любой длины LFSR [35].
Количество FF в дизайне до вставки сканирования не обязательно должно делиться без остатка на м . Есть две возможности решить эту проблему. Первый — это включение фиктивных FF (в форме контрольных точек: контрольная контрольная точка и контрольная точка наблюдения), что стало обычной практикой при тестировании задержки [35].Общее количество требуемых FF, n , и общее количество необходимых фиктивных FF, ndFF, записывается следующим образом:
(9.1) ndFF = {0when (nmodm) = 0, m− (nmodm) в противном случае.
Второй вариант — дополнить части тестового шаблона, относящиеся к более коротким субцепям. Это немедленно сдвинет любые фиктивные значения в начале шаблона и не повлияет на функциональную работу CUT. Этот вариант требует меньше усилий при проектировании, так как он не использует дополнительную логику, но увеличивает накладные расходы на тестовый шаблон.Однако из-за методов тестового сжатия накладные расходы будут минимальными, поскольку фиктивные значения могут быть установлены на значения, которые максимизируют сжатие.
Выбор примитивного полинома значительно упрощает конструкцию декодера. Декодер может напрямую преобразовывать вывод LFSR в серию нулей и выбирать один для непосредственного управления каждой субцепочкой. Этот метод не только сокращает время разработки, но также снижает накладные расходы на область TSC в целом, поскольку не требуется дополнительная логика для обеспечения того, чтобы все субцепи были выбраны один раз во время цикла тестирования.
Проблема с использованием LFSR с примитивной полиномиальной конфигурацией заключается в предсказуемости его поведения. Если бы LFSR оставался неизменным для работы в небезопасном режиме, определение порядка не заняло бы много времени, поскольку порядок всегда один и тот же, только начальная и конечная точки будут отличаться. Чтобы избежать этой предсказуемости, необходимо изменить конфигурацию LFSR, если он установлен в небезопасный режим. Путем модификации LFSR для включения дополнительных или битов для работы в небезопасном режиме, примитивный полиномиальный LFSR становится непримитивным полиномиальным LFSR.Как видно на рис. 9.11, дополнительные биты скрыты за мультиплексором и становятся активными только при работе в небезопасном режиме. Интерфейс между LFSR и декодером не изменяется. Поскольку исходный LFSR составляет только меньшую часть LFSR небезопасного режима, становится возможным повторный выбор одной и той же подцепи в течение одного цикла тестирования, что приводит к более сложному выходу. Более короткая периодичность не является проблемой, поскольку это было в безопасном режиме, поскольку не требуется доступ ко всем субцепям, но фасад полностью функциональной цепочки сканирования все еще существует.
Рисунок 9.11. Изменяемый LFSR определяется режимом безопасности TSC.
Схема компаратора операционного усилителя»Примечания по электронике
Схема компаратора очень полезна для сравнения двух напряжений и определения большего или меньшего — это можно использовать для определения, когда напряжение превышает определенную точку.
Учебное пособие по операционному усилителю Включает:
Введение
Сводка схем
Инвертирующий усилитель
Суммирующий усилитель
Неинвертирующий усилитель
Усилитель с регулируемым усилением
Активный фильтр высоких частот
Активный фильтр нижних частот
Полосовой фильтр
Режекторный фильтр
Компаратор
Триггер Шмитта
Мультивибратор
Бистабильный
Интегратор
Дифференциатор
Генератор моста Вина
Генератор фазового сдвига
Цепи, которые сравнивают два напряжения и выдают цифровой выход, зависящий от сравнения двух напряжений, часто используются в электронных схемах.
Для схемы компаратора необходим усилитель с высоким коэффициентом усиления, чтобы даже небольшие изменения на входе приводили к устойчивому переключению уровня выходного сигнала.
Операционные усилители используются во многих конструкциях электронных схем, но определенные микросхемы компаратора обеспечивают гораздо лучшие характеристики.
Применение компаратора
Компараторные схемы очень часто используются в электронных схемах.
Часто бывает необходимо уметь определять определенное напряжение и переключать цепь в соответствии с обнаруженным напряжением.
Одним из примеров может быть использование в цепи измерения температуры. Это может привести к изменению напряжения в зависимости от температуры. Может возникнуть необходимость включить нагрев, когда температура упадет ниже заданной точки, и этого можно достичь, используя компаратор, чтобы определить, когда напряжение, пропорциональное температуре, упало ниже определенного значения.
Для этих и многих других целей можно использовать схему, известную как компаратор.
Что такое компаратор?
Как следует из названия, компаратор, эти электронные компоненты и схемы используются для сравнения двух напряжений.
Когда один из них выше другого, выход схемы компаратора находится в одном состоянии, а когда входные условия меняются, выход компаратора переключается в другое состояние.
Компаратор состоит из усилителя с высоким коэффициентом усиления, который имеет дифференциальный вход — один инвертирующий вход и один неинвертирующий вход.
В условиях работы компаратор переключается между высоким и низким в зависимости от состояния входов. Если неинвертирующий вход выше, чем инвертирующий, то выход высокий.Если неинвертирующий вход ниже, чем инвертирующий, то выход высокий.
Краткое описание работы компаратораКомпараторы и операционные усилители
В то время как операционный усилитель легко использовать в качестве компаратора, особенно когда его можно легко использовать, если микросхема, содержащая несколько операционных усилителей, имеет один запасной. Однако не всегда рекомендуется применять такой подход. Операционный усилитель может не всегда работать правильно или не обеспечивать оптимальную производительность. Тем не менее, когда приложение не требует больших усилий, всегда возникает соблазн использовать эти электронные компоненты, потому что они уже могут быть доступны.
Производительность микросхем компаратора и операционных усилителей существенно различается по ряду аспектов:
Блокировка операционного усилителя: В некоторых условиях, особенно когда операционный усилитель сильно нагружен, он может заблокироваться, то есть даже при изменении входа выход остается прежним. Компараторы предназначены для работы в этом режиме и никогда не должны срабатывать.
Это одна из ключевых областей, в которой использование компаратора, а не операционного усилителя может быть явным преимуществом.
Работа в разомкнутом контуре: Операционные усилители предназначены для использования в режиме замкнутого контура, и их схемы оптимизированы для этого типа сценария. Их работа не охарактеризована в режиме разомкнутого контура.
Цифровые и аналоговые: Операционные усилители являются важными аналоговыми компонентами, и их внутренние схемы предназначены для работы в этом регионе. Компараторы предназначены для работы в качестве логической функции, т.е.е. в цифровом режиме.
Это означает, что операционные усилители лучше всего работают в аналоговом режиме, когда выход не попадает в шины, тогда как компараторы не так хороши при работе в линейном режиме и намного лучше работают с логическими уровнями.
Выходные каскады: Выходные каскады операционных усилителей и компараторов сильно различаются. Обычно операционные усилители имеют линейный выход, часто работающий в режиме дополнительной симметрии, чтобы обеспечить оптимальные линейные характеристики для выхода.
Компараторы часто имеют выход с открытым коллектором, подходящий для подключения к цифровым интерфейсам. Они предназначены для взаимодействия с логическими схемами, обеспечивая логический вход для сравнения аналоговых напряжений.
Сравнение выходных схем операционного усилителя и компаратораВремя отклика: Компараторы оптимизированы для обеспечения очень быстрого отклика и времени переключения. Скорость нарастания высока и обеспечивает оптимальную производительность.
Операционные усилители не оптимизированы для этих характеристик.Это, как правило, гораздо более медленные электронные компоненты, оптимизированные для линейной работы, а не для скорости.
Выходное напряжение и напряжение насыщения: Компараторы обычно могут работать в небольших пределах напряжения шины. Это необходимо для хорошей коммутации логических схем. Операционные усилители не смогут жестко подъехать к рельсам, поскольку они имеют определенное напряжение насыщения — это может привести к плохому переключению логических цепей.
Принимая во внимание эти факторы, всегда предпочтительнее использовать микросхему компаратора, где предусмотрен этот тип работы.
Компаратор операционного усилителя
Можно использовать операционный усилитель в качестве компаратора, поскольку он удовлетворяет основным требованиям для данной функции.
Во время работы операционный усилитель переходит в положительное или отрицательное насыщение в зависимости от входных напряжений. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя обычно превышает 100 000, выход будет работать в режиме насыщения, когда входы разнесены на доли милливольта.
Хотя операционные усилители широко используются в качестве компаратора, специальные микросхемы компаратора намного лучше.
Эти специальные микросхемы компаратора предлагают очень быстрое время переключения, намного превышающее время переключения, предлагаемое большинством операционных усилителей, предназначенных для более линейных приложений. Типичная скорость нарастания напряжения составляет порядка нескольких тысяч вольт за микросекунду, хотя чаще приводятся цифры задержки распространения.
Типичная схема компаратора будет иметь один из входов, удерживаемых при заданном напряжении. Часто это может быть потенциальный разделитель от источника или эталонного источника. Другой вход поступает в точку, которая должна быть обнаружена.
Схема компаратора базового операционного усилителяНа этой схеме напряжение переключения генерируется делителем потенциала, состоящим из R1 и R2. Это устанавливает напряжение на одном входе компаратора — в данном случае инвертирующем входе. Неинвертирующий вход этой цепи подключен к точке, требующей измерения. Когда напряжение в этой точке поднимается выше опорного напряжения, выход компаратора становится высоким, а когда оно падает ниже опорного напряжения, выход становится низким.
Обычно компаратор работает от тех же шин напряжения, что и система. Для логики 5 В компаратор обычно запускается от шины 5 В.
Примечания к компаратору ОУ
p> При использовании схем компаратора следует помнить о нескольких моментах. Между обычными схемами операционного усилителя и схемами компаратора есть некоторые различия, которые необходимо учитывать при проектировании любой электронной схемы.- Убедитесь, что дифференциальный вход не превышен: Поскольку нет обратной связи, два входа в схему будут иметь разное напряжение.Соответственно, необходимо убедиться, что максимальный дифференциальный вход не превышен. Все возможности состояния схемы следует учитывать на этапе проектирования электронной схемы.
- Изменение входного тока: Опять же, в результате отсутствия обратной связи, нагрузка, подаваемая компаратором на источник, изменится. В частности, при изменении схемы будет небольшое увеличение входного тока. Для большинства цепей это не будет проблемой, но если полное сопротивление источника велико, это может привести к нескольким необычным откликам.Это следует учитывать при проектировании электронной схемы.
- Шум входного сигнала: Основная проблема этой схемы заключается в том, что новая точка переключения, даже небольшой шум приведет к переключению выхода вперед и назад. Таким образом, около точки переключения может быть несколько переходов на выходе, и это может вызвать проблемы в другом месте всей схемы. Решением этого является использование триггера Шмитта.
Если требуется функция компаратора, лучше всего использовать микросхему компаратора: Если требуется функция компаратора, всегда предпочтительно использовать микросхему компаратора, если это вообще возможно.Если один из этих электронных компонентов недоступен и необходимо использовать операционный усилитель, будьте осторожны, чтобы не перегрузить вход, чтобы не произошло защелкивания.
Использование микросхемы компаратора
Когда возникает необходимость в схеме компаратора, всегда лучше выбрать конкретную микросхему компаратора в качестве основы схемы.
Микросхемы компараторанамного лучше справляются с переключением между двумя значениями и часто могут иметь выходные каскады, которые могут более легко взаимодействовать с логикой, чем аналоговые операционные усилители.
С точки зрения работы базовой схемы, основное отличие состоит в том, что большинство компараторов имеют выход с открытым коллектором и требуют внешнего подтягивающего резистора или другой схемы.
Операционные усилители очень дешевы и широко доступны. Компараторы не так дешевы и не так свободно доступны, поскольку эти электронные компоненты, как правило, используются немного реже и могут быть немного дороже, но не намного. Проблем с их использованием возникнуть не должно.
Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей
Схемы операционных усилителей
Цепи питания
Конструкция транзистора
Транзистор Дарлингтона
Транзисторные схемы
Схемы на полевых транзисторах
Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .
Схемы компаратора | 2 важных типа | инвертирование
Первоначальным загрузчиком изображения на обложке был — Zephyris в английской Википедии., Microchips, CC BY-SA 3.0
Содержание Что такое схема компаратора?Компаратор или компаратор напряжения — это устройство, используемое для сравнения двух уровней напряжения. Мы можем определить, какой уровень напряжения выше, по выходу компаратора. Это применение типичных операционных усилителей, и, кроме того, у него есть приложения.
Что делает схема компаратора?Компаратор сравнивает два заданных входных напряжения и выдает выходной сигнал, указывающий, какое напряжение имеет более высокое значение. Схема принимает вход с помощью инвертирующих и неинвертирующих клемм и обеспечивает выход с выходной клеммы. Выходной диапазон лежит между положительным напряжением насыщения и отрицательным напряжением насыщения.
Схема компаратора | Схема компаратора на ОУНа рисунке ниже представлена принципиальная схема схемы компаратора.Как мы можем заметить, схема содержит только операционный усилитель, и входное напряжение подается в нее через инвертирующие и неинвертирующие клеммы.
Схема компаратораСхема компаратора разработана с использованием операционного усилителя. Для его готовности к работе предусмотрены входные напряжения. В нем нет встроенной системы обратной связи. Опорное напряжение и сигнал напряжения подаются через операционный усилитель. Также предусмотрены входы положительного и отрицательного напряжения насыщения.Ориентировочный выходной сигнал собирается с выхода операционного усилителя.
Как работает схема компаратора?Принцип работы компаратора довольно прост. Как правило, он сравнивает два источника напряжения и обеспечивает большую мощность. Нижеупомянутые два пункта констатируют работу.
- Если напряжение на неинвертирующей клемме выше, чем напряжение на инвертирующей клемме, выход переключается на положительное напряжение насыщения операционного усилителя.
- Если напряжение инвертирующей клеммы выше, чем напряжение на неинвертирующей клемме, выход переключается на отрицательное напряжение насыщения операционного усилителя.
ОУ 741 — это интегральная схема, содержащая ОУ. Компаратор напряжения может быть создан с использованием ОУ 741. На рисунке ниже представлена принципиальная схема неинвертирующего компаратора напряжения с ОУ 741.
Компаратор с ОУ 741 Блок-схема компаратораРабота компаратора может быть представлена с помощью блок-схем.На следующем изображении представлена блок-схема компаратора,
Блок-схема компаратора реле цепи компаратораРеле — это переключатели, которые могут управлять цепью. Он может включать или выключать цепь, а также может подключать и отключать цепь от другой цепи. Компаратор широко используется в качестве реле.
Схема компаратора используетКомпаратор — ценное и важное устройство. Есть несколько применений компараторов.Некоторые применения компараторов перечислены ниже.
- Детектор нуля: Если значение равно нулю, детектор нуля его обнаруживает. Компаратор обычно представляет собой усилитель с высоким коэффициентом усиления, а для управляемых входов компаратор подходит для обнаружения нуля.
- Сдвигатель уровня: Сдвигатель уровня может быть сконструирован с использованием одного операционного усилителя. Используя подходящее подтягивающее напряжение, схема обеспечивает большую гибкость при выборе интерпретируемых напряжений.
- Аналого-цифровой преобразователь (АЦП): Компараторы используются для создания аналого-цифровых преобразователей. В преобразователе выход показывает, какое напряжение выше. Эта операция аналогична 1-битному квантованию. Именно поэтому компараторы используются практически в каждом аналого-цифровом преобразователе.
- Помимо упомянутых приложений, существует множество других компараторов, таких как — Осциллятор релаксации, в детекторах абсолютного значения, в детекторах перехода через ноль, в оконных детекторах и т. Д.
Цепи фаззинга могут быть разработаны с использованием компараторов. Микросхема LM311 является таким примером нечеткого компаратора. Мы обсудим это позже, когда речь идет о LM311.
Как сделать компаратор?Компаратор — это конкретное и простое в изготовлении электрическое устройство. Чтобы построить компаратор, нам понадобится операционный усилитель и напряжения питания. Сначала на операционный усилитель подается положительное и отрицательное напряжение насыщения.Выход будет изменяться в этом диапазоне напряжений. Затем вводятся их инвертирующие и неинвертирующие клеммы. Опорное напряжение подается на неинвертирующую клемму, а входное напряжение — на инвертирующую клемму. С этой схемой не связана система обратной связи.
Схема компаратора напряженияСхема компаратора может обнаруживать высокие напряжения между двумя напряжениями. Компараторы, которые обычно сравнивают по напряжениям, известны как схема компаратора напряжения.
Принципиальная схема фазового компаратораФазовый компаратор — это аналоговая логическая схема, способная к смешиванию и умножению. Он обнаруживает разность фаз между двумя заданными сигналами, генерируя сигнал напряжения. На изображении ниже представлена принципиальная схема фазового компаратора.
микросхемы компаратораКак упоминалось ранее, компаратор сравнивает два сигнала напряжения и выдает ориентировочный выходной сигнал. Компараторы встроены в интегральную схему для удобства использования.На изображении ниже представлены схемы для компаратора ic.
Типичная микросхема компаратора Схема компаратора lM358lm358 — это микросхема компаратора, состоящая из двух компараторов внутри нее. Он имеет восемь контактов. Эта микросхема не требует какого-либо независимого внешнего источника питания для работы каждого компаратора. Принципиальная схема микросхемы приведена ниже.
LM358 Компаратор IC внутренняя схема компаратораКомпаратор разработан с использованием операционного усилителя — операционного усилителя в качестве дополнительной схемы.Внутренняя схема внутри микросхемы приведена ниже на схеме. Наблюдая за схемой, мы видим, что она состоит в основном из транзисторов, диодов и резисторов. Внутреннюю схему можно разделить на три части в зависимости от их работы. Это входной каскад, каскад усиления и выходной каскад.
Схема компаратора | Схема транзисторного компаратораПринципиальная схема компаратора приведена ниже. Внутренняя принципиальная схема такая же, как и схема внутреннего компаратора.В нем есть диоды, транзисторы и резисторы. Компоненты с внутренним подключением работают как компаратор.
Схема компаратора триггера ШмиттаТриггер Шмитта — это вирусная схема, используемая для повышения помехоустойчивости и снижения вероятности множественного переключения.
Триггер Шмитта — это схема компаратора с отдельными уровнями переключения входов для изменения выходов. Схема компаратора триггера Шмитта изображена на диаграмме ниже.
555 схема компаратора таймера555 таймер представляет собой схему генератора.Он известен как таймер 555, поскольку в нем есть три резистора по 5 кОм, которые внутренне подключены для обеспечения опорных напряжений для обоих компараторов схем таймера. Микросхема таймера A555 используется в таймерах задержки, светодиодных индикаторах, генерации импульсов и т. Д. Базовая блок-схема микросхемы таймера 555 приведена ниже. Есть два компаратора, транзистор NPN, триггер, три резистора 5 кОм и выходной драйвер.
схема компаратора с использованием lm324lm324 — это микросхема операционного усилителя общего назначения, внутри которой расположены четыре операционных усилителя.Его также можно использовать в качестве компаратора. Операционные усилители обладают более высокой стабильностью и более широкой полосой пропускания. LM324 имеет 14 контактов. Схема выводов lm324 приведена ниже.
| Номер вывода | Описание | ||
| 1 | Выход первого компаратора | ||
| 2 | Вход инвертора первого компаратора | ||
| 3 | Первый вход компаратора | Напряжение питания 5 В | |
| 5 | Неинвертирующий вход второго компаратора | ||
| 6 | Инвертирующий вход второго компаратора | ||
| 7 | Выход второго компаратора | ||
| 9 | Инвертирующий вход третьего компаратора | ||
| 10 | Неинвертирующий вход третьего компаратора | ||
| 11 | Контакт заземления (GND) | ||
| 12 | неинвертирующий вход | 13 | Четвертая Compa Инвертирующий вход rator |
| 14 | Выход четвертого компаратора |
Принципиальная схема компаратора LM324 изображена на диаграмме ниже.
Схема компаратора lm139lm139 — еще одна микросхема компаратора. Он имеет четыре отдельных прецизионных компаратора. Микросхема предназначена для работы от одного источника питания. Он специально разработан для прямого взаимодействия с транзисторно-транзисторной логикой и комплементарной МОП-логикой. IC имеет задержку распространения 0,7 микросекунды.
На изображении ниже показана внутренняя принципиальная схема компаратора lm139.
Схема компаратора lm319lm319 — еще одна микросхема компаратора, имеющая 14 контактов.Он имеет два отдельных прецизионных компаратора. Микросхема предназначена для работы в широком диапазоне напряжений питания. Он специально разработан для прямого взаимодействия с транзисторно-транзисторной логикой и комплементарной МОП-логикой, RTL, DTL. IC имеет задержку распространения 0,025 микросекунды.
Схема компаратора напряжения lm311lm311 — еще одна микросхема компаратора, имеющая восемь контактов. Имеет единственный компаратор. Микросхема имеет минимальное время отклика 0.200 наносекунд и типичное усиление по напряжению 200.
На рисунке ниже показана внутренняя принципиальная схема компаратора lm311.
LM 311 Компараторы lm339 схема компаратораlm339 — еще одна микросхема компаратора. Он имеет четыре отдельных прецизионных компаратора. Микросхема предназначена для работы от одного источника питания и для широкого диапазона напряжений. Он специально разработан для прямого взаимодействия с транзисторно-транзисторной логикой, дополнительной МОП-логикой и DTL, ECL, MOS-логикой.IC имеет задержку распространения 0,7 микросекунды.
Пример схемы компаратора на ОУСхемы компаратора на ОУ используются в различных приложениях. Например, чтобы убедиться, что входное значение достигло пика или определенного значения или нет, или для квантования в АЦП, также в оконных детекторах, детекторах перехода через нуль и т. Д.
Схема компаратора окна напряженияA оконный компаратор относится к схеме, которая работает только в определенном кадре, окне или напряжении.Компаратор напряжения сравнивает два сигнала и выдает выходной сигнал. Для схемы оконного компаратора существует так называемый сэндвич-эффект: если входное напряжение становится выше, чем опорное напряжение низкого уровня. Цепь включена, и если входное напряжение становится выше, чем опорное напряжение высокого уровня, тогда цепь ВЫКЛЮЧЕНА.
Компоненты, необходимые для компаратора окна напряжения:
- Операционные усилители LM741 (2)
- 4049 Чип инвертора (1)
- Резистор 470 Ом (1)
- 1N4006 Диоды (2)
- LED
- Если напряжение на неинвертирующей клемме выше, чем напряжение на инвертирующей клемме, выход переключается на положительное напряжение насыщения операционного усилителя.
- Если напряжение инвертирующей клеммы выше, чем напряжение на неинвертирующей клемме, выход переключается на отрицательное напряжение насыщения операционного усилителя.
- Механические компараторы
- Механические, оптические компараторы
- Электронные компараторы
- Пневматические компараторы
- Они позволяют току проходить только в одном направлении.
У ретранслятора вверху стрелка; Ток красного камня может проходить только в этом направлении: внутрь и наружу спереди. Нет передачи в стороны, вверх или вниз, что очень полезно, когда вы пытаетесь разместить провода в ограниченном пространстве. - Они усиливают ток, чтобы расширить его диапазон.
Независимо от силы тока, идущего сзади, сигнал, который выходит спереди, достаточно силен, чтобы пройти 15 блоков. Таким образом, вы можете удлинить провод как хотите, если каждый 16-й блок является повторителем.
Это усиление означает, что размещение ретранслятора на конце провода из красного камня, где он встречается со своей целью, обеспечивает полную мощность, а не слабую. - Они вводят задержку.
Щелчок правой кнопкой мыши на репитере перемещает один из маленьких фонариков и регулирует продолжительность задержки, вызываемой, когда сигнал проходит через репитер: есть 4 позиции, соответствующие 0.1, 0,2, 0,4 и 0,4 секунды. Эти задержки могут быть полезны при установке сроков для всех видов изобретений. - Два ретранслятора, помещенные вместе, могут действовать как защелка.
Если у ретранслятора есть другой ретранслятор с питанием, указывающий на него сбоку, то его выходной статус фиксируется на месте и не реагирует на изменения на входе. Это не так сложно, как кажется: посмотрите картинки!
Схема компаратора окна напряжения показана на рисунке ниже.
Компаратор с защелкой разработан с использованием защелки StrongArm. Защелка StrongArm считается первичным каскадом усиления решения. На следующем этапе используется фиксирующий элемент, несущий выходную нагрузку.
Схема компаратора операционного усилителя с гистерезисомРазница между верхней точкой срабатывания и нижней точкой срабатывания является гистерезисом. Гистерезис основан на концепции триггера Шмитта.Если типичный компаратор разработан с положительной обратной связью, эта схема вызывает гистерезис. На изображении ниже изображена принципиальная схема.
Схема рекуперативного компаратораСхема триггера Шмитта также называется схемами рекуперативного компаратора. Они используются для повышения помехоустойчивости и снижения вероятности многократного переключения схем регенеративного компаратора для разработки других сложных схем. Они используются в АЦП, схемах слайсеров, считывании памяти и т. Д. Принципиальная схема триггера Шмитта упоминается как принципиальная схема схемы рекуперативного компаратора.
Схема температурного компаратораТемпературная схема — это цифровая электронная схема, которая измеряет, ниже ли температура на входе заданной эталонной температуры. Это один из основных примеров схемы компаратора. Датчики температуры включают компаратор.
Часто задаваемые вопросы 1. Как работает схема компаратора?Ответ: Принцип работы компаратора довольно прост.Как правило, он сравнивает два источника напряжения и обеспечивает большую мощность. Нижеупомянутые два пункта констатируют работу.
Ответ: Есть несколько типов компараторов. Некоторые из широко используемых усилителей перечислены ниже.
Ответ: Цепи компаратора не имеют связанной с ними обратной связи. Таким образом, операционный усилитель имеет коэффициент усиления без обратной связи. Для идеального операционного усилителя коэффициент усиления без обратной связи бесконечен, а для практичного операционного усилителя коэффициент усиления очень высокий. Теперь напряжение насыщения типичных операционных усилителей составляет + — 15 В. Операционный усилитель насыщается при +13 или -13 В. Теперь операционный усилитель быстро насыщается при небольшом входном напряжении.Именно поэтому выходное напряжение в схеме компаратора равно напряжению насыщения.
4. Почему в схеме компаратора операционного усилителя используется опорное напряжениеОтвет: Сравнение выполняется между двумя или более величинами. Чтобы указать, что более важно, нам нужна ссылка, чтобы решить. Нам нужно определить, какое напряжение более важно для компаратора. Вот почему для принятия решения используется опорное напряжение.
5.Как схема цифрового компаратора различает меньшее и более значащее числоОтвет: Цифровой компаратор сравнивает два двоичных числа. Компаратор сначала определяет эквивалентное напряжение двоичных чисел, а затем определяет, какое число меньше, какое число является значимым.
Для получения дополнительных статей по электронике щелкните здесь
О Sudipta Roy
Я энтузиаст электроники и в настоящее время занимаюсь электроникой и коммуникациями.
Я очень заинтересован в изучении современных технологий, таких как искусственный интеллект и машинное обучение.
Мои работы посвящены предоставлению точных и обновленных данных всем учащимся.
Мне доставляет огромное удовольствие помогать кому-то в получении знаний.
Давайте подключимся через LinkedIn — https://www.linkedin.com/in/sr-sudipta/
Redstone: повторитель и компараторы | Майнкрафт 101
Повторители и компараторы Redstone
Эти два блока похожи друг на друга, но выполняют совершенно разные функции в схемах из красного камня.
ПовторителиRedstone являются важными компонентами любой системы Redstone Minecraft. Они выполняют несколько функций.
Компараторы похожи на повторители, но у них есть совсем другие функции.
Рецепт крафта также похож, за исключением того, что вам понадобится кусок кварца Пустоты.
Вот краткое изложение того, что можно делать с компаратором:
Как и повторитель, компаратор позволяет току проходить через него только в одном направлении: внутрь сзади, наружу спереди, что отмечено стрелкой вверху.
В отличие от ретранслятора сигнал не задерживается и не усиливается.
Сравнение силы тока
Как следует из названия, компаратор может сравнивать силу двух токов. Он сравнивает основной сигнал , который он получает через заднюю часть (основание стрелки), с сигналом, который он проходит через сторону, и отправляет его на выходе через переднюю часть.
Нормальный режим
Сигнал, поступающий сзади, будет передан через переднюю часть, если он больше, чем сигнал, поступающий через сторону. Если ретранслятор получает сигнал с обеих сторон, он просто использует тот, который является самым сильным, и игнорирует другой.
Мощность основного сигнала не изменится.
Режим вычитания
Если щелкнуть компаратор правой кнопкой мыши, он перейдет в режим вычитания. Об этом свидетельствует то, что на передней панели загорается один из трех факелов из красного камня (маленький).
В режиме вычитания компаратор работает так же, как описано выше, за исключением того, что токовый выход на передней панели равен основному входу минус боковой вход. Другими словами, сила основного тока, который проходит через него, будет уменьшена силой бокового тока (до нуля, если боковой ток больше основного тока).
A: основной сигнал сильнее, чем побочный, потому что он не прошел так далеко: сигнал проходит.
B: основной сигнал слабее бокового сигнала, поэтому он не проходит.
C: в режиме вычитания, хотя основной сигнал сильнее, из него вычитается побочный сигнал, так что ток, который проходит через него, слишком слаб, чтобы достигнуть конца провода.
Отчетность о заполненности контейнеров
Если основание компаратора расположить напротив контейнера (ящик, печь, бункер, капельница, дозатор, подставка для заваривания или музыкальный автомат), то он будет выводить ток с силой, которая зависит от того, насколько заполнен контейнер. Это можно использовать, чтобы проверить, пуст ли контейнер, или сравнить, насколько полны два разных контейнера.
В этой роли компараторытакже могут работать как в нормальном режиме, так и в режиме вычитания, что позволяет выполнять всевозможные сложные вычисления для установки пороговых значений для сравнения.
Эта установка сравнивает, сколько вещей находится в каждом сундуке, и посылает сигнал, если в том, что слева, больше.
Как сила сигнала соотносится с заполнением контейнера?
Это довольно сложно, так как у каждого типа контейнера разное количество слотов, и разные предметы могут складываться по-разному.Выходной ток равен 0 для полностью пустой емкости и 15 для полной.
Стенд для заваривания имеет 3 слота для бутылок, и бутылки не складываются друг в друга, поэтому каждая бутылка дает одну треть максимальной мощности сигнала, т.е. По 5 штук.
Большой сундук может вместить 3456 любых блоков, которые могут складываться до 64 предметов на слот, поэтому каждый предмет стоит намного меньше, чем бутылки в пивоварне! Предметы, которые не складываются, такие как инструменты или лодки, считаются за всю стопку, а полная стопка из 16 яиц стоит столько же, сколько полная стопка из 64 чего-то.
.