Расчет компаратора на операционном усилителе

   Простая схема триггера Шмитта на операционом усилителе имеет симметричные пороговые напряжения относительно нулевой точки и требует для своей работы двуполярное питание. Симметричные пороги ограничивают возможности применения схемы, а двуполярное питание подразумевает использование соответствующего источника, что неудобно, если схема триггера используется совместно с микроконтроллером, напряжение питания которого обычно 5 или 3,3 Вольта. 

   Существует еще одна схема триггера Шмитта на операционном усилителе, в которой используется однополярное питание и можно задавать отличающиеся друг от друга пороговые напряжения. О расчете такой схемы и пойдет речь в этой статье. 

   Рассматриваемая схема имеет два устойчивых состояния — когда на выходе операционного усилителя нулевое напряжение и когда на выходе положительное напряжение насыщения (+Usat).  Нам нужно разобраться, как рассчитать номиналы резисторов R1, R2 и R3 для произвольно задаваемых верхнего и нижнего порогов.  

   Принимая во внимание упрощения, используемые при анализе схем на операционных усилителях (бесконечное входное сопротивление и, соответственно, нулевые входные токи, нулевое выходное сопротивление , бесконечный коэффициент усиления без обратной связи, бесконечная полоса пропускания),  мы можем перерисовать схему триггера Шмитта,  заменив операционный усилитель источником напряжения. 

U1 — источник питания операционного усилителя. 

U2 — источник напряжения, имитирующий выход операционного усилителя. 

Напряжение между точками A и B — это входное напряжение операционного усилителя. 

Если воспользоваться методом узловых потенциалов, то можно определить значение этого напряжения. Оно будет равно:

Uab = (U1*g1 + U2*g3)/(g1 + g2 + g3)

где g1, g2, g3 — проводимости ветвей цепи. Проводимость — это величина обратная сопротивлению  g = 1/R, если ты не знал или забыл. Измеряется в сименсах.

Подробное рассмотрение метода узловых потенциалов выходит за рамки этой статьи, поэтому просто прими это выражение на веру. 

Используя приведеное выше выражение, запишем уравнения, определяющие пороги триггера Шмитта.  

при U2 = 0 

Uab = Ult = U1*g1 /(g1 + g2 + g3)

при U2 = +Usat

Uab = Uht = (U1*g1 + Usat*g3)/(g1 + g2 + g3)

Ult, Uht — нижнее и верхнее пороговые напряжения. Эти значения мы задаем. U1 и Usat — напряжение питания и насыщения соответственно. 

   Все, что теперь от нас требуется — решить эту систему из двух уравнений, задав значение одного из резисторов, например R3. Выполнить эти вычисления вручную несложно, но довольно муторно. Нужно выразить из первого уравнения g1, подставить это выражение во второе, выразить g2 через g3, а затем последовательно вычислить значения резисторов.

   Лично я предпочитаю использовать для расчета компаратора  Маткад. Он позволяет изменять любые параметры схемы и тут же  получать ответ. Это удобно, когда требуется подобрать значения резисторов соответствующих номинальному ряду, например Е24.

   Ниже приведен пример расчета компаратора на операционном усилителе. 

   Фактическое значение задается только для резистора R3, для резисторов R1 и R2 задаются только начальные значения. Сам маткадовский файл для расчета приведен в конце статьи.

   Несколько слов по поводу выбора номиналов резисторов. 

   Номиналы резисторов должны быть достаточно большими, чтобы не нагружать источник питания и выход операционного усилителя и достаточно маленькими, чтобы входное сопротивление реального операционного усилителя оказывало как можно меньшее влияние на наши расчеты. В схемах, которые мне доводилось применять, я обычно задавал сопротивление обратной связи от 10 до 100 кОм. Получаемые расчетные значения двух других резисторов были ~от 10 кОм до 2 МОм.

   Также не следует забывать, что все резисторы имеют разброс номинала и это в какой-то мере будет влиять на реальные значения пороговых напряжений.

   Ну вот собственно и все, что я хотел поведать по этой теме. Надеюсь материал пригодится начинающим электронщикам.  

расчет компаратора — проект для Proteus 7.4

расчет компаратора —  файл для MathCad14

Таблица параметров компараторов

Условные обозначения параметров компараторов
Обозначение	Описание
К (В/мВ)	Коэффициент усиления К (в тысячах)
E см (мВ)	Напряжение смещения нуля
U др.(мкВ/C)	Дрейф К
I вх (нА)	Входной ток К
I вх (нА)	Разность входных токов входов К
TK Ib (нА/C)	Дрейф входного тока К
TK Ib (нА/C)	Дрейф разности входных токов входов К
K сф (дб)	Коэффициент подавления синфазного сигнала
K вп (мкВ/В)	Коэффициент влияния напряжения питания (изменение смещения нуля при изменении напряжения питания)
Tз/Uп (нс/мВ)	Время срабатывания компаратора при перевозбуждении Uп
U дф(В)	Величина предельного дифференциального напряжения
U сф(В)	Величина предельного синфазного напряжения
U вых(В)	Размах выходного напряжения при номинальном напряжении питания
E пит(В)	Номинальное напряжение питания
I п. (мА)	Потребляемый ток при номинальном напряжении питания
Параметры компараторов
Наимен.	Описание	К В/мВ	Есм мВ	Uдр мкВ/C	I вх. нА	dIвх нА	Kсф дб	Tз/Uп нс/мВ	Uдф В	Uсф В	Uвых	E пит. В	I п. мА	Прим.
521СА1	Сдвоенный компаратор с общим выходом со стробами	0.75-	3.5	—	75000	10000	70	110/5	5	4	ТТЛ	+12,-6	11. 5	—
К521СА1	Сдвоенный компаратор с общим выходом со стробами	—	7.5	—	—	—	—	120/5	—	—	ТТЛ	+12,-6	—	—
521СА2	Компаратор	0.75-	5	—	75000	10000	70	120/5	5	4	ТТЛ	+12,-6	—	—
К521СА2	Компаратор	0.75-	7.5	—	—	—	—	130/5	—	—	ТТЛ	+12,-6	—	—
521СА3	Универсальный компаратор с регулируемым выходным уровнем	150-	3	—	100	10	70	300/10	15	15	—	+15,-15	6. 0	—
521СА4	Быстрый компаратор с прямым и инверсным выходами со стробом, с регулируемым выходными уровнями	—	6	—	2000	750	—	25	4	5	ТТЛ	+9,-9,+5	4.0,8.5,18	—
521СА5	Быстрый компаратор со стробом	1.5-	3	—	3000	1000	—	30/50	—	—	ТТЛ	+12,-6	5.3 ,2.7	—
521СА6	Сдвоенный компаратор	30-	3	—	1000	100	—	160/5	—	—	—	+12,-12	2. 5,5.0	—
К554СА1	Сдвоенный компаратор с общим выходом со стробами	0.7-	7.5	—	75000	10000	70	120/5	5	4	ТТЛ	+12,-6	11.5,6.5	—
554СА2	Компаратор	0.75-	7.5	—	75000	10000	70	120/5	5	4	ТТЛ	+12,-6	9.0,8.0	—
554СА3А	Универсальный компаратор с регулируемым выходным уровнем	150-	3	—	100	10	70	300/10	15	15	—	+15,-15	7. 5,5.0	—
554СА3Б	Универсальный компаратор с регулируемым выходным уровнем	150-	7.5	—	250	50	70	—	—	—	—	—	—	—
К554СА6	—	10-	7.5	—	1000	200	—	150/	—	—	ТТЛ	+12	5	MAL319
597СА1	Быстрый компаратор с прямым и инверсным выходами ЭСЛ с защелкой	65дб	3	10	10000	1000	80	6. 5/5	—	3.3	ЭСЛ	+5,-6	21.5,27.5	AM685
597СА2	Быстрый компаратор с прямым и инверсным выходами ТТЛ с защелкой	—	3	—	10000	1000	80	12/5	—	2.7	ТТЛ	+5,-6	42,34	AM686
597СА3	Два компаратора широкого применения	—	5	—	250	100	70	300/5	—	12	—	+15,-15	5.2,2.0	—
597СА4A	Быстрый компаратор	—	5	—	20000	5000	80	2/	3. 2	2.5	—	+5,-5.2	22,32	VC7695
597СА4Б	Быстрый компаратор	—	5	—	20000	5000	80	3/	3.2	2.5	—	+5,-5.2	22,32	VC7695
1040СА1	2 компаратора широкого применения	50-	5	—	250	50	—	3000/	—	—	—	2.2-16	2.5	LM393
КФ1053СА1	2 компаратора напряжения	50-	5	—	250	50	—	3000/	—	—	—	2. 2-16	2.5
КФ1053СА2	4 компаратора напряжения	50-	5	—	250	—	—	3000/	—	—	—	2.2-16	2.5
1121СА1	4 компаратора широкого применения	50-	3	—	2000	400	—	120/	—	—	—	+12,-12	30,15	—
1401СА1	4 компаратора широкого применения	50-	5	—	250	50	—	3000	—	—	—	+/-15	2	LM139
1401СА2	4 компаратора широкого применения	50-	7	—	250	50	—	3000	—	—	—	+/-15	2. 5	—
1401СА3	2 компаратора широкого применения	50-	5	—	250	50	—	3000	—	—	—	3-33	2	LM393
К1401УД6	ОУ и компаратор среднего класса с однополярным питанием	50-	5	—	250	50	65	600б/с 3000м/с	—	—	—	5	2	ОУ и компаратор

Разница между LM393 и LM339, LM358

LM393 представляет собой интегральную схему двойного компаратора напряжения. Выходное сопротивление нагрузки может быть подключено к любому напряжению источника питания в пределах допустимого диапазона напряжения питания и не ограничивается значением напряжения на клемме Vcc. Этот выход можно использовать как простую разомкнутую цепь SPS на землю (когда не используется нагрузочный резистор), а ток стока в выходной секции ограничен доступными значениями β привода и устройства. При достижении предельного тока (16 мА) выходной транзистор закрывается, и выходное напряжение быстро возрастает.

LM339 (четырехсторонний дифференциальный компаратор) оснащен четырьмя независимыми компараторами напряжения внутри чипа компаратора напряжения. Это обычная интегральная схема, которая в основном используется в схемах высоковольтных цифровых логических вентилей. Различные схемы компаратора напряжения и схемы генератора могут быть легко сформированы с использованием LM339.

LM358 — это двойной операционный усилитель. Он включает в себя два независимых операционных усилителя с высоким коэффициентом усиления и внутренней частотной компенсацией, подходящих для работы с однополярным питанием в широком диапазоне напряжений питания, а также для режимов работы с двойным питанием. При рекомендуемых условиях эксплуатации ток питания и напряжение питания не имеют значения. Он используется в усилителях чувствительности, блоках усиления постоянного тока и во всех других приложениях, где операционные усилители могут работать от одного источника питания.

1. Разница между LM393 и LM339

LM393 представляет собой маломощный двухкомпаратор с низким напряжением смещения, а LM339 — маломощный четырехкомпаратор с низким напряжением смещения. Два компаратора имеют одинаковую принципиальную схему и одинаковые функциональные параметры. Разница в том, что у одного два, а у другого четыре.

(1) Диапазон синфазного сигнала LM339 очень велик: от 0 В до напряжения питания минус 1,5 В; Диапазон напряжения питания LM339n широкий, одиночное питание 2-36В, двойное напряжение плюс-минус 1В-плюс-минус 18В;

(2) Микросхема компаратора напряжения LM339 оснащена четырьмя независимыми компараторами напряжения, LM339 является очень распространенной интегральной схемой.

2. Разница между LM393 и LM358

LM393 представляет собой интегральную схему двойного компаратора напряжения. Выходное сопротивление нагрузки может быть подключено к любому напряжению источника питания в пределах допустимого диапазона напряжения питания и не ограничивается значением напряжения на клемме Vcc. Этот выход можно использовать как простую разомкнутую цепь SPS на землю (когда не используется нагрузочный резистор), а ток стока в выходной секции ограничен доступными значениями β привода и устройства. При достижении предельного тока (16 мА) выходной транзистор закрывается, и выходное напряжение быстро возрастает.

Хотя символы компаратора и операционного усилителя на принципиальной схеме одинаковы, эти два устройства действительно очень разные и, как правило, не могут быть взаимозаменяемы. Отличия следующие:

(1) Скорость переворота компаратора высокая, порядка нс, тогда как скорость переворота ОУ вообще порядка нас (за исключением специальных быстродействующих ОУ ).

(2) Выходной каскад операционного усилителя обычно имеет двухтактную схему с биполярным выходом. Выходной каскад большинства компараторов представляет собой структуру с открытым коллектором, поэтому требуется подтягивающий резистор, требуется однополярный выход, и его легко подключить к цифровым схемам.

(3) Операционный усилитель можно подключить к цепи отрицательной обратной связи, но компаратор не может использовать отрицательную обратную связь. Хотя компаратор также имеет две входные клеммы, синфазные и синфазные, но поскольку внутри нет схемы фазовой компенсации, при подключении отрицательной обратной связи схема не может работать стабильно. Здесь нет внутренней схемы фазовой компенсации, что является основной причиной того, что компаратор намного быстрее, чем операционный усилитель.

Короче говоря, LM393 — это двойной компаратор напряжения, а LM358 — это двойной операционный усилитель, который нельзя заменить напрямую. Однако в некоторых схемах, требующих меньшей точности, операционный усилитель можно использовать в качестве компаратора напряжения, но для сравнения операционный усилитель использовать нельзя. Поскольку функции усиления нет, подтягивающий резистор оригинала 39Выход 3 должен быть удален при замене 358 на 393.

Разница между операционным усилителем и компаратором

Здравствуйте, читатели, добро пожаловать в новый пост. Сегодня мы обсудим разницу между операционным усилителем и компаратором . Из интегральных схем, что отличает операционные усилители от компараторов, которые кажутся похожими или имеют похожие графические обозначения, и как их отличить в реальных условиях
?
Сначала обратите внимание на их внутреннюю разностную диаграмму:

Выходная цепь отличает операционный усилитель от компаратора, как видно из внутренней схемы.

В компараторе используется один транзистор с коллектором, соединенным с выходом, и эмиттером, соединенным с землей, тогда как в операционном усилителе используется двухтранзисторный двухтактный выход. Для компаратора требуется внешний подтягивающий резистор, равный сопротивлению коллектора транзистора от положительного провода питания до выходной клеммы.
Операционные усилители могут использоваться в нелинейных схемах сравнения напряжения сигнала или в схемах линейного усиления (отрицательная обратная связь) (разомкнутая петля или положительная обратная связь).
Схема линейного усилителя не может использовать компаратор напряжения; его можно использовать только для сравнения напряжения сигнала (компаратор не имеет частотной компенсации). Оба могут использоваться для сравнения напряжений сигналов, но компараторы представляют собой быстродействующие переключатели
с более короткими задержками и более высокими скоростями нарастания, чем операционные усилители.

Операционный усилитель

Это обычная схема линейного усилителя, которую можно найти на принципиальных схемах материнских плат. Обычно его использует схема регулятора напряжения. Он эквивалентен трехвыводному регулятору напряжения на транзисторе при использовании схемы отрицательной обратной связи, хотя он более удобен в использовании.
Как показано ниже:

Часто важно знать, какой из двух сигналов сильнее или когда сигнал превышает определенное напряжение (для сравнения напряжений). Для выполнения этой функции в простой схеме можно использовать операционный усилитель. Выход высокий, когда напряжение V+ превышает напряжение V. выходной низкий уровень, когда напряжение V+ ниже напряжения V-.
Как показано ниже:

Проверьте цепь. Резисторы делят 2,5 вольта, чтобы подать 1 вольт на клемму V-. На вход V+ подается напряжение шины, которое обычно составляет 1,2 вольта. В настоящее время управление питанием ЦП получает высокий уровень выходных данных, поскольку напряжение V+ больше, чем напряжение V-. Разрешающий вывод EN микросхемы. Если напряжение на шине не выводится или ненормально падает ниже 1 вольта, выходное напряжение низкое, поскольку напряжение V+ в настоящее время ниже напряжения V-.

Компаратор напряжения

Когда напряжение на неинвертирующем выводе компаратора (V+) больше, чем напряжение на его инвертирующем выводе (V-), выходной транзистор активируется и выход заземляется на низкий уровень. И наоборот, когда напряжение неинвертирующего вывода ниже, чем напряжение инвертирующего вывода, выходная мощность подтягивающего резистора увеличивается. Как показано ниже:

Исследуйте цепь. Напряжение, разделенное резистором делителя напряжения, когда компаратор U8A выше имеет выход VCC, подается на неинвертирующую клемму (V+) и выше, чем напряжение на инвертирующей клемме (V-) после деления 5VSB. внутренний транзистор выключен, подтягивающий резистор выдает на питание 12 вольт, N-канальный полевой транзистор Q37 включен, а на выходе VCC 5 вольт. В то же время компаратор U8B ниже имеет свой внутренний транзистор, выключенный, потому что напряжение на его неинвертирующем выводе выше, чем на его инвертирующем выводе. P-канальный полевой транзистор Q293 выключается одновременно. В отличие от
, внутренний транзистор активируется, когда напряжение на инвертирующем выводе выше, чем напряжение на неинвертирующем выводе, подтягивающий источник питания 12 В снижается до низкого уровня, N-канальный полевой транзистор Q37 отключается. выключается, и одновременно активируется полевой транзистор Q293 P-канала, выдавая 5VSB. Это схема производства 5VDUAL (если не упомянуто, обычное двойное напряжение 5 В относится к источнику питания +5, -5 В, а двойное напряжение 5 В относится к двойному напряжению +5 ​​В). Операционные усилители часто не требуют подтягивающих источников питания в практических приложениях, но компараторы требуют.

существенное различие между операционным усилителем и компаратором напряжения

(1) Характеристика замкнутого контура является основным различием между компаратором и усилителем Поскольку большинство усилителей работают в режиме замкнутого контура, необходимо, чтобы они неспособен к самовозбуждению после замкнутого контура. Большинство компараторов стремятся к скорости при работе в режиме без обратной связи. Компаратор обычно не может использоваться в качестве усилителя,
однако, в случае очень низкой частоты, усилитель может полностью заменить компаратор (обратите внимание на выходной уровень).
Эта оптимизация сужает диапазон стабильности с обратной связью, поскольку компаратор оптимизирован по скорости. Скорость снижается в результате оптимизации операционного усилителя для диапазона стабильности с обратной связью. Лучшими устройствами для выполнения своих функций являются компараторы и усилители в одном ценовом диапазоне. Можно использовать компаратор в качестве усилителя и наоборот, точно так же, как усилитель можно использовать в качестве компаратора. Однако, чтобы сделать его стабильным с обратной связью, вам, возможно, придется вложить больше, чем просто усилитель!
Другими словами, определение того, используется ли операционный усилитель в качестве компаратора или усилителя, требует изучения уровня отрицательной обратной связи в цепи. В результате неглубокий компаратор с обратной связью может работать в состоянии усилителя, не подвергаясь стимуляции. Тем не менее, необходимо провести многочисленные испытания, чтобы гарантировать его стабильность при любых условиях эксплуатации, связанных с продуктом! Вы должны тщательно взвесить расходы и опасности в это время.
(2) Компаратор и операционный усилитель идентичны. Проще говоря, компаратор — это операционный усилитель, используемый в разомкнутом контуре, но он специально разработан для сравнения порогов напряжения. Выходной фронт увеличивается при сравнении, и порог сравнения должен быть точным. В качестве альтернативы время падения должно быть коротким, выходной сигнал должен соответствовать стандартам TTL, CMOS или OC и т. д., точность промежуточного соединения не обязательно должна быть точной, а навыки вождения должны отличаться. Предпочтительно использовать меньшее количество операционных усилителей в качестве компараторов, потому что большинство из них не могут достичь полномасштабного выходного сигнала или время фронта после сравнения слишком велико при использовании в качестве компараторов.

Разница между операционным усилителем и компаратором

Несмотря на то, что на принципиальной схеме используются одни и те же символы, компаратор и операционный усилитель представляют собой совершенно разные компоненты, которые обычно несовместимы. Вариации следующие:
1. Скорость переключения ОУ часто порядка нас, тогда как скорость переключения компаратора быстрая, порядка нс (кроме специальных быстродействующих ОУ) .

2. Компаратор не может использовать отрицательную обратную связь, но операционный усилитель может быть подключен к цепи отрицательной обратной связи. Хотя компаратор также включает в себя две входные клеммы для неинвертирующего и инвертирующего сигналов, схема нестабильна при подключении к отрицательной обратной связи, поскольку отсутствует внутренняя схема регулировки фазы. Ключевой фактор, вызывающий компаратор&#39Более высокая скорость
по сравнению с операционным усилителем связана с отсутствием встроенной схемы фазовой коррекции.
3. Выходной каскад операционного усилителя обычно использует двухтактную схему с биполярным выходом. Поскольку структуры с открытым коллектором составляют большинство выходных каскадов компараторов, они требуют подтягивающих резисторов, имеют однополярный выход и просты для интеграции в цифровые схемы.
4. Выход компаратора с открытым коллектором (OC) нуждается в подтягивающем резисторе, чтобы иметь возможность выводить ток наружу (LM339и LM393). Операционные усилители имеют двухтактные выходные каскады с симметричными возможностями источника и стока. Кроме того, имеется много промежуточных ступеней и отсутствует внутренняя регулировка частоты для увеличения времени отклика компараторов.