Компаратор напряжения: характеристики и разновидности

Компаратор напряжения – это устройство, выполняющее сравнение имеющегося уровня напряжения с опорным сигналом. Ответом, как правило, становится двоичная величина – да либо нет, нуль или единица.

Благодарности

Без братьев Кузнецовых не представилось бы читателям столь замечательного обзора. Нельзя оставить без внимания труд научного коллектива Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского, его участников, меж которыми:

• Сдобняков В.В.
• Карзанов В.В.
• Шабанов В.Н.
• Рецензенты: Дорохин М.В. И Здоровейщев А.В.

Общая информация

Компаратор сравнивает два напряжения, откуда происходит название. При необходимости формируется либо условный сигнал в виде двоичного кода, либо знак разницы выдаётся иным способом:

1. Крутой перепад напряжения (фронт или спад).
2. Импульс с заданными характеристиками.
3. Сменой полярности выходного напряжения.
4. Двоичным кодом в системе логики данного набора микросхем.

Компаратор территориально входит в аналого-цифровой преобразователь, способен применяться и отдельно. От элемента напрямую зависит точность, как и от разрядности. К характеристикам компаратора относят:

• Чувствительность.
• Быстродействие.
• Стоимость.
• Долговечность.
• Стабильность.
• Нагрузочная способность.
• Входное сопротивление и пр.

Большинство компараторов реализуется на базе операционных усилителей, данные в справочниках приводятся совместные. Это достигается за счёт введения обратной связи, что придумано в 30-е годы XX века.

Характеристики компараторов

Под чувствительностью компаратора понимается минимальное напряжение, годное к восприятию. Дифференциальные пары транзисторов, применяемые в операционных усилителях, повышают температурную стабильность, потому служат для создания компараторов. Параметр тесно связан с разрешающей способностью или точностью. Чувствительность сильно зависит от схемного решения, это очевидный факт.

Помимо температурной стабильности и архитектуры на параметр влияют помехоустойчивость и надёжность. На практике оптимальной считают чувствительность, равную половине разряда аналого-цифрового преобразователя. Это значит, что из-за компаратора не снижается точность замера. На современном этапе развития технологии это порой сильно отличающиеся значения.

Быстродействие цифровой технике велико, но учитывая факт, что преобразователю нужно успеть сделать выборку, тактовая частота процессора должна быть в сотни, если не тысячи раз выше, нежели дискретность отсчётов. И главным ограничивающим фактором становятся скоростные характеристики компаратора. На его втором входе в момент измерения опорное напряжение постепенно растёт до достижения совпадения. И вырабатывается цифровой код результата.

Частота дискретизации определяется скоростными качествами исследуемого процесса. Если это звуковой диапазон, значения начинаются от 45 кГц и способны составлять вчетверо больше для студийной записи. На каждом интервале времени компаратор должен успеть сравнить напряжение, минимальная частота процессора для получения точности в 0,5% лежит уже в области 10 МГц. На практике наблюдаются намного большие величины, но помните, главная шина материнской платы становится самым быстродействующим участком системного блока (персонального компьютера).

Быстродействие компаратора выражается временем между соседними измерениями. Оно складывается из интервала повышения сравниваемого напряжения до нужного уровня и скорости работы электронных компонентов. К последним цифрам относят период от принятия решения компаратором на выдачу сигнального импульса до его реального появления на выводах. Вторым параметром считают крутизну фронта импульса, поскольку логика микросхем настроена на пороги срабатывания. Важным считается время восстановления, за которое компаратор возвращается в первоначальное состояние.

Указанные параметры в сумме определяют тактовую частоту самого компаратора. Под нагрузочной способностью понимается способность выдать сигнал, достаточно мощный для срабатывания зависимых схем. Различают так называемую перегрузочную способность, показывающую, как велика иногда разница в напряжении на соседних отсчётах. Для сокращения интервалов измерения, начиная со второго, компаратор может вести два параллельных процесса измерения:

1. Увеличение напряжения в сравнении с предыдущим отсчётом.
2. Уменьшение напряжения в сравнении с предыдущим отсчётом.

Так удастся быстрее найти результат, не перебирая весь диапазон с начала. Хотя потребуется целых два параллельно включённых компаратора. Но экономия времени стоит указанной борьбы. На успех подобного мероприятия напрямую влияет перегрузочная способность.

Входное сопротивление образует с источником сигнала резистивный делитель, и чем оно меньше, тем выше точность, большая часть напряжения падает именно здесь. С повышением параметра снижается и потребляемый ток. У большинства компараторов входное сопротивление подстраивается под конкретно взятые нужды, для отдельных схем.

Разновидности компараторов

Большинство компараторов строится на схемах операционных усилителей, охваченных цепью положительной обратной связи. За счёт большого коэффициента усиления удаётся добиться отвесной передаточной функции каскада.

Характеристика операционного усилителя на неком участке линейна. График симметричен относительно нуля. При некотором значении Uогр происходит насыщение и выходное напряжение дальше не растёт. Это наблюдается в положительной области входных значений и в отрицательной. Описанное свойство используется для построения компараторов.

Операционный усилитель охватывается положительной связью, при коэффициенте её передачи обратно пропорциональном коэффициенту передачи операционного усилителя, формула уходит в область бесконечности. От указанного параметра зависит крутизна графика, он становится вертикальным. Что требуется на практике для сравнения напряжений.

Эталоном допускается любое значение. К примеру, возможна реализация схемы перехода напряжения через нуль. Но в составе аналого-цифрового преобразователя измеряемая величина в рамках интервала считается постоянной, опорное напряжение растёт, пока не сравняется. И в этот момент вырабатывается импульс совпадения.

Пороговый компаратор

Пороговый компаратор напряжения – упоминается в литературе. Передаточная характеристика его однозначна – когда разница на входах операционного усилителя становится равной нулю, возникает отклик на выходе. Обратное движение вдоль передаточной характеристики идёт по прежней траектории.

Он организован, как рассказано выше: операционный усилитель охвачен петлёй обратной связи для получения крутой, отвесной передаточной характеристики. Но остаётся некая малая погрешность. Эталонное напряжение принято подавать на неинвертирующий вход.

Гистерезисный компаратор

Гистерезисный компаратор получил название за то, что коэффициент передачи цепи обратной связи меняется по абсолютному значению и по знаку. В результате получают семейство передаточных характеристик, позволяющее создать компаратор, включающийся по одному значению напряжения, а выключающийся по иному.

Устройство оказывается полезным в случае наличия на линии высокочастотной помехи. И когда на заданном интервале измерения величина многократно изменяется, обычному компаратору напряжения легко промахнуться. Одновременно гистерезисный верно оценит с точностью до помехи и продержит сигнал на выходе, пока исследуемый процесс близок к эталону.

 

Любой реальный компаратор считается гистерезисным из-за наличия ошибки, отдельные виды специально имеют расширенную петлю в связи с описанными нюансами. Ярко выраженной прямоугольной характеристикой характеризуется триггер Шмитта. Его гистерезисная передаточная функция может служить для построения компаратора. Из-за наличия положительной обратной связи характеристика триггера Шмитта обладает ощутимой крутизной.

 

Уже для аналоговых схем порог чувствительности достигал 5-10 мВ, чего хватает в большинстве случаев. Поскольку время срабатывания триггера Шмитта уменьшается до 0,1 мкс, становится возможным процесс оценки сигналов частотой в сотни кГц (гораздо выше ультразвука). Представленный на рисунке триггер характеризуется большим температурным дрейфом и малым диапазоном измерения.

Ввиду простоты популярны балансные регенеративные схемы с диодами. Обратная связь здесь выполнена через трансформатор. За счёт использования средней рабочей точки становится возможным одновременно произвести и положительную, и отрицательную обратную связь. Сравниваемые напряжения подаются на катоды диодов (n-область, в районе которой нарисована перпендикулярная черта). Рабочая точка транзистора выбрана в начале вольт-амперной характеристики, ток базы рассчитывается так, чтобы не произошло насыщения.

Конденсатор выполняет гальваническую развязку базы и входной цепи. Если диод Д1 заперт, а Д2 — открыт, работает отрицательная обратная связь. В результате генерации не происходит. В обратном случае блокинг-генератор производит первый импульс. Его положительный фронт свидетельствует, что эталон сравнялся с оцениваемой величиной. Чувствительность балансной регенеративной схемы может достигать 1 мВ.

Компараторы на туннельных диодах хороши малыми габаритами, отличным быстродействием, низким уровнем шумов, низкими переключающими порогами по мощности. Механическая прочность и стойкость полупроводников общеизвестны. Туннельные диоды считаются редкими приборами, не боящимися радиации, что делает их популярными в специальных применениях. Вдобавок сопротивление таких компараторов крайне мало, что снижает чувствительность.

Характеристика туннельного диода содержит участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что позволяет реализовать нужную передаточную функцию. Очевидным недостатком схемы становится низкая точность. Вольт-амперная характеристика туннельного диода слишком пологая. Зато по простоте этот компаратор нельзя сравнить с любым другим типом устройств. Его пока нельзя назвать гистерезисным, для получения этого типа характеристики требуется, как минимум, два туннельных диода.

Самый простой компаратор

При помощи двух туннельных диодов нетрудно построить простейший компаратор, включая их по схеме твин. Предполагается, что элементы идентичны. Передаточная характеристика системы сильно зависит от напряжения питания схемы. Характеристики легко изменяются, что обусловливает большую гибкость применения. Чувствительность измеряются по току, и экспериментально полученные значения лежат в области 8 мкА при частоте тактирования 200 МГц, 3 мкА – при 50 МГц.

Деление по принципу действия

Помимо чисто функциональных особенностей, рассмотренных выше, компараторы делятся по принципу действия на:

1. Регенеративные.
2. Генераторные.
3. Амплитудно-импульсные.
4. Модуляторные.

Речь здесь идёт о формируемых устройствами выходных сигналах. В работе компаратора напряжения выделяют два процесса: сравнение величин и формирование выходного сигнала. Статическая ошибка обусловлена лишь двумя причинами:

1. Шумами.
2. Температурным дрейфом и старением.

Компараторы напряжения

В этой статье мы сравним разность двух напряжений. Вроде бы ничего сложного, но мы постараемся это сделать так, чтобы  получить результат нашего сравнения  в течение микросекунды!

Для этого потребуется новая интегральная схема — компаратор напряжения. Мы также обсудим понятие дифференциального напряжения.

Как сравнить напряжение вручную?

Чтобы понять, зачем нужно сравнение двух разных напряжений, представьте следующую ситуацию: у вас есть две батареи AA с номинальным напряжением 1,5 В. Вы знаете, что одна из них разряжена, но не знаете, какая именно. В ваше устройство, например будильник, нужно поставить менее разряженную, то есть батапейку с более высоким напряжением.

Как сравнить напряжение двух батареек АА

Какая будет ваша первая мысль? Да, правильно, измерить напряжение каждой батареи с помощью мультиметра, и просто сравнить два числа друг с другом. Предположим, что результаты наших измерений следующие: 1,113 В и 1,521 В. Выбор батарейки в будильник очевиден.

Самый простой способ сравнить две батареи — измерить их напряжение мультиметром

Если у вас есть батарейки типа AA, то можете сами проверить их напряжение. Если батареи новые, то их напряжения должны быть одинаковыми (могут быть некоторые различия). Для сравнения вы можете использовать одну старую батареюку, взятую, например, из пульта дистанционного управления.

Однако, у такого метода измерения есть небольшой недостаток — для сравнения напряжения батареи нужно «целых» два измерения. Но эту операцию можно упростить до одного измерения! Достаточно совместить минусы обоих аккумуляторов, и затем прижать щупы мультиметра к их плюсам. Такое измерение покажет нам разницу с предыдущими результатами — мультиметр покажет так называемое дифференциальное напряжение.

Напряжение — это разность потенциалов между двумя точками, поэтому такое подключение, также является правильным — подключение черного щупа к плюсу батареи безопасно.

Схема измерения напряжения	Дифференциальное напряжение двух батареек АА

Что такое дифференциальное напряжение?

Дифференциальное напряжение — важная концепция в электронике, и идея, лежащая в основе этого проста — если у вас есть два источника напряжения с общей точкой отсчета, вы также можете определить напряжение между их неподключенными клеммами.

Нам нужно было узнать, какая батарея имеет больший заряд. Независимо от того, покажет ли мультиметр -1 В или -0,1 В, результат будет одинаковым. Это будет означать, что батарея справа имеет более высокий заряд (напряжение). Если бы результат был положительным при тех же подключениях, мы бы выбрали левую батарею.

Что такое компаратор напряжения?

Компаратор напряжения — это небольшая интегральная схема, которая позволяет сравнивать два напряжения друг с другом. Компаратор имеет два входа: инвертирующий (-) и неинвертирующий (+), а также выход. Кроме того, такая схема явно требует мощности.

На схемах часто не указывается информация о линиях электропитания, потому что опытному электронщику «очевидно», что каждая схема должна быть запитана.

Символ компаратора на схемах

Компаратор проверяет разницу напряжений между входами, и на основании этого устанавливает свой выход:

• Если напряжение на неинвертирующем входе выше, чем на инвертирующем, то напряжение на выходе близко к положительному полюсу питания (например, 5 в).
• Если напряжение на неинвертирующем входе ниже, чем на инвертирующем, то напряжение на выходе близко к отрицательному полюсу питания (например, к земле, 0 в).

На картинке ниже мы видим схему компаратора с питанием от 6 В. Кроме того, два его входа подключены к отдельным источникам напряжения, которые мы и хотим сравнить друг с другом. К выходу компаратора (и к земле) подключается мультиметр.

Слева большее напряжение на инвертирующем входе, а справа — на неинвертирующем входе

Сразу стоит запомнить, что при сравнении двух напряжений компаратор выдает информацию в виде нуля или единицы. Это означает, что на его выходе напряжение близко к положительной шине питания (здесь 6 В) или к отрицательной (здесь 0 В). Промежуточных состояний нет!

Таким образом, компараторы являются чрезвычайно важным «мостом» между аналоговыми и цифровыми схемами.

Компараторы напряжения также полезны там, где вам просто нужно сравнить два напряжения. В следующей статье мы обсудим так называемые аналоговые датчики, которые могут измерять, например, текущую температуру или яркость солнечного света. Объединив их с компараторами, мы построим термостат (систему, которая реагирует на превышение заданной температуры) и лампу, которая включается после наступления темноты. Однако, прежде чем мы перейдем к таким схемам, нам необходимо познакомиться с самим компаратором на практике.

LM311 — пример популярного компаратора

Мы проведем эксперименты с использованием микросхемы LM311, которая имеет один компаратор в небольшом восьмиконтактном корпусе. Эта схема выпускалась в различных вариантах уже несколько десятков лет, что можно назвать огромным успехом ее конструкторов.

Схема LM311 — аналоговый компаратор

Его основные параметры (при 25 ° C):

• напряжение питания: 3,5–30 В,
• максимальный ток, потребляемый входами: 100 нА,
• максимальное смещение напряжения: 3 мВ,
• максимальное смещение тока: 10 нА,
• максимальный выходной ток: 50 мА.

Если вы еще не знаете, что означают эти параметры, не волнуйтесь — мы вернемся к этому позже. Достаточно, если теперь вы сделаете два вывода: микросхему LM311 можно безопасно запитать от наших 6В, а его входы также потребляют очень и очень небольшой ток.

Нумерация выводов

Сразу стоит запомнить:

1) Каждый вывод такой схемы имеет свой номер.

2) Выводы всех интегральных схем, выпускаемых в этих корпусах, пронумерованы одинаково — начните с первого вывода и опуститесь вниз, затем перейдите к другой стороне схемы и поднимитесь.

3) Нам нужно знать, как найти первый вывод (ножку) — здесь все очень просто. Мы всегда смотрим на такую ​​систему сверху (ножки направлены вниз). Затем на одной стороне корпуса находим бороздку или холмик. Вывод слева от этой отметки является номером 1.

Универсальный способ нумерации выводов интегральной схемы

Идентично биполярным транзисторам, в одном корпусе может быть несколько электронных компонентов. Поэтому всегда нужно проверять маркировку: в данном случае, имя элемента будет просто напечатано на корпусе. Конечно, на корпусе могут быть какие-то дополнительные знаки, но должен совпадать главный — „311”.

Функции выводов LM311

Пора узнать о функциях выводов. Обычно, в такой ситуации, смотрим на информацию в каталоге — вводим «LM311 datasheet» в поисковике Google и читаем найденный PDF-файл, подготовленный производителем. Однако на этот раз, для вашего удобства, мы собрали здесь самую важную информацию.

Символическое изображение внутренней части схемы LM311

Как показано на рисунке выше, функции отдельных выходов следующие:

1. эмиттер выходного транзистора (обычно крепится к земле схемы),
2. неинвертирующий вход (+),
3. инвертирующий вход (-),
4. отрицательный полюс источника питания (заземление схемы),
5. баланс,
6. баланс / блокировка,
7. коллектор выходного транзистора,
8. положительный полюс источника питания.

Правильное соединение выводов 5 и 6 позволяет вручную регулировать смещение напряжения и уменьшите его почти до нуля. Это сложная тема, но сейчас вам не о чем беспокоиться. Кроме того, ножка 6 позволяет выключить схему, но сейчас эта функция нам не понадобится.

Символ компаратора и транзистора «внутри схемы» на рисунке, служит лишь для удобства, чтобы помочь вам быстро понять, что это за схема, и как она работает. На самом деле, внутренняя часть этой схемы намного сложнее.

Выход LM311 относится к типу OC (открытый коллектор), что означает, что в цепи присутствует транзистор, который, в зависимости от результата работы схемы, либо забивается, либо насыщается. Коллектор этого транзистора подключен к выводу 7 и, следовательно, является выходом нашего компаратора. Вы можете найти больше информации об этом в конце этой статьи. А теперь, пора приступить к практике!

Компаратор LM311 на практике

Пора запустить компаратор и проверить его работу на практике. Мы построим схему, которая позволит нам точно наблюдать, что происходит при изменении разницы напряжений между двумя входами компаратора. Для выполнения упражнения вам потребуются следующие элементы:

• 1 × LM311,
• Резистор 4 × 10 кОм ,
• Резистор 1 × 330 Ом ,
• Потенциометр 1 × 5 кОм,
• Конденсатор 1 × 100 нФ,
• 1 × 220 мкФ конденсатор,
• 1 × светодиод (выберите свой любимый цвет),
• Батарея 4 × AA,
• 1 × корзина для 4 батареек АА,
• 1 × макетная плата,
• Комплект соединительных проводов.

Эти элементы следует подключать согласно схеме ниже. Если вам все понятно, можно попробовать собрать эту схему на плате самостоятельно. Только помните о правильной полярности светодиода и электролитического конденсатора. Также обратите внимание на нумерацию выводов (ножек) LM311. Если вы не хотите рисковать или не знаете, как собрать такую ​​схему на плате, следуйте приведенным ниже инструкциям, которые пошагово описывают весь процесс сборки.

Обратите внимание на углубление в корпусе компаратора — сравните элемент с рисунком выше, чтобы найти правильные выводы схемы.

Схема первой цепи с компаратором LM311

Шаг 1. Начинаем с размещения компаратора в центре макетной платы — углубление в середине платы должно проходить под схемой. Если сомневаетесь, вспомните, как устроена макетная плата — другое расположение схемы может привести к короткому замыканию контактов.

Примеры неправильного и правильного размещения интегральных схем на макетной плате

При размещении схемы на плате, обратите внимание на положение выемки в корпусе (или точки), которая позволяет найти первый вывод схемы.

Шаг 2. Добавьте два фильтрующих конденсатора блока питания (C1 и C2 на схеме).

Шаг 1: размещение на макетной плате	Шаг 2: конденсаторы силового фильтра

Шаг 3: берем два резистора по 10 кОм (в схеме R3 и R4), создаем один делитель напряжения, центр которого совмещаем с инвертирующим входом компаратора (вывод 3).

Шаг 4. Подключите питание к восьмой ножке (выводу) компаратора. Дополнительно подключите светодиод с резистором к плате (на схеме LED1 и R5).

Шаг 3: делитель напряжения	Шаг 4: питание микросхемы, светодиод и резистор

Шаг 5. Используя следующие резисторы 10 кОм (R1 и R2 на схеме) и потенциометр 5 кОм (P1), создаем делитель напряжения, который подключаем к неинвертирующему входу компаратора LM311.

Шаг 6. Добавьте недостающие соединения, то есть соедините контакты 1 и 4 с землей схемы. Вы также должны подключить крайние положительные провода, расположенные на макетной плате, для передачи напряжения с одной стороны платы на другую.

Шаг 5: второй делитель напряжения	Шаг 6: последние штрихи

На практике, схема может выглядеть как на фото ниже. Сматывание проводов нужно только для того, чтобы сделать сборку более понятной. На практике, вся схема может выглядеть более хаотичной — это совершенно нормальный вид для сборки на макетной плате.

Подключение с помощью смотанных проводов	Подключение без сматывания проводов

Как работает вышеуказанная схема?

На макетной плате есть делитель напряжения (R3 и R4), благодаря которому, на инвертирующем входе LM311 напряжение составляет около 3 В. Аналогичный делитель подключен к инвертирующему входу, но есть потенциометр, который влияет на сопротивление всего делителя, что позволяет вручную настроить подключение на небольшой диапазон (в диапазоне от ~ 2,4 В до ~ 3,6 В). Благодаря этому мы можем наблюдать, как LM311 ведет себя при разных напряжениях на неинвертирующем входе.

Включаем питание и наблюдаем за диодом, медленно поворачивая потенциометр. При низком состоянии светодиод должен гореть, а при высоком — нет.

Низкое состояние на выходе — светодиод горит	Высокое состояние на выходе — светодиод не горит

В случае, когда потенциометр повернут в крайнее положение, на неинвертирующем входе будет около 2,4 В, что меньше 3 В на инвертирующем входе. Компаратор сравнивает напряжение на обоих входах. Итак, вспомним фрагмент из предыдущего описания:

• Если напряжение на неинвертирующем входе ниже, чем на инвертирующем, то напряжение на выходе близко к отрицательному полюсу питания (например, к земле, 0 в).

Таким образом, в этой ситуации на выходе компаратора отображается потенциал, близкий к 0 В. Для упрощения — масса, то есть «минус от батареи». Следовательно, диод, подключенный к выходу компаратора, включен, потому что он подключен анодом (через резистор) к положительной шине питания, поэтому, когда на катоде с выхода компаратора появляется «минус», ток будет протекать и диод будет гореть.

После поворота потенциометра в другую сторону неинвертирующий вход будет иметь более высокое напряжение, поэтому на выходе компаратора мы получим напряжения, близкие к положительной шине питания. Проще говоря, будет «аккумулятор плюс». В этой ситуации светодиод будет подключен к плюсу «с двух сторон» (анод через резистор батареи и катод компаратора) и, следовательно, не будет гореть.

Неожиданные сбои

Однако есть положение (около половины оборота потенциометра), в котором светодиод горит мягко или быстро мигает. При таком положении, схема может быть чувствительной даже к приближению руки.

Откуда берутся помехи?

Компаратор на самом деле называется дифференциальным усилителем напряжения. Коэффициент усиления LM311 достигает 200 В / мВ, что означает, что 1 мВ дифференциального напряжения на входах усиливается до 200 В на выходе. Но успокойтесь: такого высокого напряжения на выходе этой схемы нет — это просто пропорциональные расчеты.

В этом случае, схема питается от 6 В, поэтому для полного переключения этой схемы достаточно (теоретически) 30 мкВ дифференциального напряжения.

Что, если нам удастся установить, например, около десятка микровольт дифференциального напряжения? Это очень сложно, но возможно — медленно поворачивая потенциометр, однажды мы найдем такую ​​настройку. Затем схема делает то, что может, т.е. усиливает, но не может полностью переключить диод. Дифференциальное напряжение слишком мало, чтобы решить, положительное оно или отрицательное. Тогда мы можем сказать, что мы находимся в переходной зоне компаратора.

Обратная связь компаратора

Нам не нужны схемы, которые ведут себя хаотично. В предыдущую схему необходимо внести некоторые изменения, чтобы в схеме никогда не возникало проблем с определением знака дифференциального напряжения.

На этот раз достаточно буквально одного резистора, но это будет элемент с очень высоким сопротивлением, мы говорим о резисторе 1 МОм! Он должен быть подключен между неинвертирующим входом и выходом компаратора (на схеме R6).

Принципиальная схема с добавленным резистором (обратная связь)

На практике такое подключение можно реализовать даже без дополнительных проводов. Вам просто нужно аккуратно подключить резистор над микросхемой.

Схема с подключенной обратной связью	Схема обратной связи на практике

Включаем питание и снова поворачиваем ползунок потенциометра. Что изменилось? Наш резистор R6 перенаправляет часть тока (очень небольшую) с выхода на неинвертирующий вход.

Обратная связь заключается в том, что схема (в данном случае компаратор напряжения) перенаправляет некоторую информацию со своего выхода на вход. В данном случае, эта информация представляет собой ток, протекающий через резистор 1 МОм. Обратная связь бывает двух типов:

• отрицательная — возвращаемая информация стабилизирует схему, уменьшает ее искажения и усиление (такая связь используется в усилителях звука),
• положительная — дестабилизирует схему и пытается вывести ее из равновесия.

Как работает обратная связь?

Работу этой схемы можно объяснить следующим образом: если светодиод не горит, это означает, что выходное напряжение близко к положительной шине питания. Ток протекает через R6 к неинвертирующему входу, что еще больше увеличивает его потенциал и увеличивает дифференциальное напряжение.

Однако уменьшение напряжения, с помощью потенциометра, в какой-то момент переключит состояние компаратора, т.е. ток, подаваемый R6, перестанет быть достаточным, и потенциал неинвертирующего входа будет ниже, чем у инвертирующего входа. В результате, на выходе компаратора появится потенциал до нескольких сотен милливольт, который можно упростить до массы (минус батареи). Светодиод загорится. Через R6 ток начнет течь в другом направлении — от неинвертирующего входа к выходу, благодаря чему дифференциальное напряжение снова будет увеличиваться, на этот раз с противоположной полярностью.

Такое свойство схемы называется гистерезисом — она ​​запоминает свое предыдущее состояние, поэтому следующий толчок, который смог бы ее переключить, должен быть достаточно сильным. Гистерезис необходим во всех схемах, в которых запоминающиеся процессы протекают медленно, особенно в термостатах.

Термостат включается при значительном падении температуры, ниже порога, и выключается при незначительном превышении порога. Промежуточных состояний нет.

Гистерезис представляет собой зону нечувствительности, в которой система не реагирует на изменения

Величина резистора R6 влияет на ширину гистерезиса, то есть на расстояние между напряжениями (устанавливается с помощью потенциометра P1), при котором схема меняет состояние выхода. При отсутствии этого резистора, что можно считать бесконечно большим сопротивлением, пороги включения и выключения находились практически в одном месте.

Уменьшение этого сопротивления до 1 МОм привело к четкой разнице между порогами переключения. Следуя этому пути, дальнейшее уменьшение значения R6 вызовет еще большую разницу между напряжением, при котором схема включает диод, и напряжением, при котором схема отключает его.

Это можно проверить, добавив второй резистор 1 МОм параллельно R6. Результирующее сопротивление будет тогда 500 кОм.

Причина этого кроется в большей интенсивности протекающего через него тока связи (поскольку здесь все еще действует закон Ома). Если сила этого тока выше, то он может сильнее повлиять на потенциал неинвертирующего входа — «добавляя» или «забирая» ток из части схемы (R1 + P1 + R2).

В случае отсутствия обратной связи, наш делитель напряжения с потенциометром смещает неинвертирующий вход на постоянное, задаваемое вручную напряжение. С другой стороны, в случае схемы обратной связи, ситуация немного сложнее, потому что через резистор R6 протекает относительно небольшой ток, который протекает один раз со входа на выход и один раз с выхода на вход компаратора. Это зависит от состояния выхода компаратора. Обе ситуации показаны на рисунках — путь дополнительного тока обратной связи отмечен красными стрелками.

Срабатывание гистерезиса — переход во включенное состояние	Работа гистерезиса — переход в выключенное состояние

Все зависит от выходного потенциала компаратора. Если выход низкий, дополнительный ток течет от входа к выходу. Однако, если выход компаратора высокий, ток течет в противоположном направлении. В зависимости от направления этот ток протекает через потенциометр или ту или иную половину делителя напряжения. Таким образом, он тонко меняет напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход. Благодаря этому схема работает более стабильно, потому что ей «кажется», что разница между входами компаратора немного больше, чем есть на самом деле.

Ток обратной связи, влияющий на выход компаратора	Ток обратной связи, протекающий с выхода компаратора

Однако более решительное изменение настройки потенциометра приводит к тому, что ток обратной связи становится слишком слабым, чтобы «исказить» результат, и компаратор переключается нормально.

Принцип работы компаратора (для любознательных)

Иногда, юные электронщики используют юмористический термин «магический треугольник», т.к. они еще не знакомы с внутренней структурой схемы. Чтобы полностью понять, как работает компаратор, нужно хорошо знать транзисторы — внутри компаратора нет никакого волшебства.

Ниже представлена ​​простейшая принципиальная схема компаратора. Схема ужасная, но она будет работать. Следующая информация должна рассматриваться чисто из любопытства — мы не будем использовать этот тип компараторов.

Построение простого компаратора на транзисторах

Компараторы, продаваемые как интегральные схемы, содержат дюжину и более транзисторов, поэтому они не удобны при ручном анализе работы.

Транзисторы Т1 и Т2 образуют так называемую дифференциальную схему, которая находится на входе каждого компаратора. Ее преимущество в том, что она позволяет изучать дифференциальное напряжение, ведь здесь важна только разница напряжений между их базами.

Если напряжение на Т1 ниже, чем на Т2, первый транзистор открывается, а второй забивается. Это связано со свойствами транзистора PNP — для его открытия необходим базовый потенциал ниже, чем у эмиттера. База T1 будет снижать потенциал эмиттеров ниже, чем база T2, вызывая засорение T2. Весь ток от резистора будет проходить через коллектор T1.

Транзисторы Т1 и Т2 постоянно конкурируют друг с другом за ток от резистора R1. Тот, кто побеждает (то есть начинает проводить ток от эмиттера к коллектору), устанавливает напряжение эмиттер-база около 0,7 В. Если его «противник» не проводит ток, его напряжение эмиттер-база ниже.

Если в ситуации, показанной ниже, транзистор T2 с базовым потенциалом 2,5 В должен был проводить ток, то его потенциал эмиттера был бы 3,2 В или 0,7 В. Однако тогда, напряжение эмиттер-база транзистора T1, поскольку их эмиттеры соединены, будет до 3,2 В — 2 В = 1,2 В, поэтому он будет проводить гораздо больший ток.

Простой компаратор — текущий путь в первой ситуации

В такой схеме проводящим может быть только один транзистор. Ситуация, в которой ток протекает через оба транзистора одновременно, невозможна.

В схеме напряжений, которую мы только что предположили, Т1 должен проводить ток. Потенциал эмиттера будет 2,7 В. Тогда напряжение эмиттер-база в транзисторе Т2 будет всего 2,7 В — 2,5 В = 0,2 В. Следовательно, Т2 останется забитым. Весь ток от R1 будет течь на землю через коллектор T1. Ток не будет течь в базу T3, и этот транзистор также будет забит.

Теперь поменяем местами провода, подающие напряжение на входы компаратора. Дифференциальное напряжение по-прежнему составляет 0,5 В, но его знак изменился. Теперь потенциал базы Т2 составляет 2 В, а Т1 — 2,5 В. Теперь можно сделать вывод, что Т2 придется открывать. Его напряжение эмиттер-база будет 0,7 В, а Т1 — 0,2 В, поэтому он останется забитым.

Простой компаратор — путь тока во второй ситуации

Весь ток от резистора R1 будет протекать через эмиттер T2 на базу T3. Этот транзистор, пока забитый, но сможет открыться и через его коллектор сможет протекать ток, например, от дополнительного резистора (подробнее об этой теме чуть позже), к земле системы. Если ток коллектора достаточно низкий, транзистор может насыщаться.

Таким образом, эта простая схема действует как реальный компаратор. Когда потенциал входа, отмеченного знаком «+», выше, чем «-», состояние выхода высокое (выходной транзистор забит). Если входной потенциал «-» выше, чем «+», выход будет закорочен на массу (выходной транзистор открыт).

Что такое выход с открытым коллектором?

Транзистор подключен как Т3, который выводится из коллектора, он называется выходом с открытым коллектором (англ. Open Collector , OC). У большинства компараторов есть такой выход. Обычно между этим выходом и положительным полюсом источника питания подключается резистор, который позволяет получить соответствующее выходное напряжение.

Открытый коллектор — это распространенный тип вывода в системах с двумя состояниями. Одно из состояний — низкое — сигнализируется замыканием этого выхода на массу системы, что реализуется встроенным выходным транзистором. Второе состояние, высокое, — это засорение этого транзистора. Оно определяется как высокое, потому что коллектор этого транзистора обычно подключен к нагрузке, подключенной с другой стороны к положительной шине питания. Когда через него не протекает ток, на нем нет падения напряжения, поэтому потенциал коллектора транзистора равен напряжению питания.

Принцип работы выхода типа OC

Преимущество этого типа выхода состоит в том, что на нагрузку может подаваться напряжение, отличное от напряжения остальной схемы. Это может быть, например, реле с катушкой на напряжение 12 В, тогда как остальная электроника получает 5 В. Переключение этого реле будет происходить в низком состоянии после насыщения выходного транзистора. В свою очередь, чтобы выключить его, достаточно прервать протекание тока (засорение транзистора).

В предыдущих рассуждениях мы сознательно опустили этот резистор, который представляет собой нагрузку, подключенную к выходу компаратора, чтобы не усложнять описание.

Когда компаратор перестает нормально работать?

Компаратор показывает нам знак дифференциального напряжения, приложенного к его входам. Что, если оба входа поляризованы с одинаковым потенциалом? Это можно сделать очень легко, закоротив их — тогда дифференциальное напряжение будет равно нулю.

Реальность такова — даже в такой ситуации компаратор примет решение и отобразит низкое состояние на своем выходе (т.е. насыщает выходной транзистор) или высокое состояние (забивает его).

Ранее мы предполагали, что транзисторы T1 и T2 в открытом состоянии имеют напряжение эмиттер-база 0,7 В. Это не совсем так — они отличаются друг от друга даже на десяток милливольт. Производители стараются уменьшить эти отличия, но такая проблема была, есть и будет… Итак, как и во многих других ситуациях — нужно помнить о некоторой погрешности и несовершенстве элементов.

Смещение напряжения и тока

Транзисторы дифференциальной схемы, помимо приложенных к напряжениям, также учитывают для сравнения их напряжение эмиттер-база. Эти напряжения складываются с внешними, что влияет на определение потенциала эмиттера и решение, какой транзистор подключить.

Это свойство называется смещением и является плохим явлением для схем с дифференциальным входом.

Под смещением следует понимать источник напряжения, который «имеет» компаратор и который последовательно подключен к одному из входов. Производители никогда не указывают точное значение смещения, так как оно зависит от агрегата, температуры и других факторов. Вместо этого они указывают диапазоны, например ± 5 мВ. Для электроники это означает, что такой компаратор должен возбуждаться дифференциальным напряжением, превышающим 5 мВ, потому что меньшие по размеру могут не правильно распознаваться.

Фрагмент каталожной записи LM311

В дополнение к смещению напряжения существует также смещение тока, то есть разница между токами, потребляемыми базами транзисторов, управляющих входами. Она упоминается гораздо реже, чем смещение напряжения, но вы должны знать о его существовании — это также вызвано различиями в параметрах транзисторов.

Диапазон входного напряжения компаратора

Компараторы также характеризуются приемлемым диапазоном входных напряжений. Для правильной работы транзисторов в дифференциальной цепи, потенциалы, приложенные к их базам, должны быть немного выше, чем напряжение на отрицательной части источника питания, и ниже, чем на положительной.

Ошибочно сравнивать напряжения, близкие к любой из линий питания (например, 5,8 В против 5,9 В на 6 В).

Типичные компараторы требуют напряжения питания примерно 1-2 В от напряжения питания. Однако есть группа компараторов, которые могут работать с гораздо меньшим запасом, порядка 20–100 мВ.

Вывод

Вот мы и прошли с вами очень важную тему, касающуюся компараторов напряжения. Если на этом этапе вам что-то непонятно, убедитесь, что вы понимаете общий принцип работы этих элементов. Детальные знания внутренней структуры компаратора сейчас не понадобятся, поэтому вам не нужно сосредотачиваться на этом — самое главное, вы можете воссоздать практическое упражнение.

Если в настоящее время вы не видите практического применения компаратора, подождите, пока мы не начнем комбинировать его с другими элементами, например, аналоговыми датчиками. Для этого, в следующей статье, мы построим лампу, которая автоматически включается после наступления темноты, а также соберем простой термостат.

С Уважением, МониторБанк

АНАЛОГОВЫЕ КОМПАРАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ Устройство и принцип действия

Аналоговые компараторы напряжения предназначены для определения момента равенства двух напряжений и выработки цифровых выходных сигналов 0 или 1 в зависимости от знака разности сравниваемых сигналов. Компаратор представляет собой одноразрядный аналого-цифровой преобразователь. По сути дела, компаратор напряжения чувствителен к полярности напряжения, приложенного между его сигнальными входами. Напряжение на выходе компаратора будет иметь высокий уровень всякий раз, когда разность напряжений между неинвертирующим и инвертирующим сигнальными входами положительна и, наоборот, когда разностное напряжение отрицательно, выходное напряжение компаратора соответствует логическому нулю.

Графическая зависимость выходного напряжения от разности входных сигналов и условное графическое обозначение компаратора приведены на рис.14.1 . Помимо основных сигнальных входов и выходов, компараторы напряжения могут иметь служебные входы различного назначения: балансировки, стробирования, согласования уровней и др. Наличие балансировочного входа позволяет осуществлять балансировку выхода при помощи внешнего подстроечного резистора и дает возможность скорректировать напряжение смещения нулевого уровня, возникающее во входном дифференциальном каскаде. С помощью балансировки можно также установить предпочтительное начальное состояние выхода.

Рис.13.10. Универсальный фильтр второго порядка

 

 

Рис.14.1. Передаточная характеристика (а) и условное графическое обозначение стробируемого компаратора напряжения (б)

 

 

Входы стробирования предназначены для фиксации момента времени, когда производится сравнение входных сигналов и выдача результата сравнения на выход. Результаты сравнения могут появляться на выходе компаратора только во время строба (компаратор со стробом без памяти) или могут фиксироваться в элементах памяти компаратора до прихода очередного импульса строба (компаратор с памятью). Кроме этого, стробирование может выполняться по уровню импульса или по его фронту. Для указания стробирования по фронту на входе стробирования изображают направление перепада от низкого уровня к высокому (рис.14.2, а) или, наоборот, от высокого к низкому (рис.14.2, б).

Рис.14.2. Условное обозначение входа стробирования по переднему (а) и заднему (б) фронту импульса

 

Поскольку импульс строба приходит одновременно с изменяющимся входным сигналом, то минимальная длительность строба (или его фронта) должна быть такой, чтобы входной сигнал успел пройти входной каскад компаратора, прежде чем сработает ячейка памяти. Это время называет обычно временем разрешения выборки. Применение стробирования повышает помехозащищенность компараторов, так как помеха может изменить состояние выхода только на малое время разрешения выборки.

Компараторы напряжения условно делятся на две группы в соответствии с временными диаграммами (рис. 14.3): с характеристикой без гистерезиса и с гистерезисом.

К компараторам второй группы предъявляется ряд дополнительных требований, определяемых их функциональным назначением. Основными из них являются, минимальная ширина петли гистерезиса передаточной характеристики, наличие которой приводит к неоднозначности срабатывания компаратора, и более высокие требования к точности и стабильности уровней срабатывания.

 

 

Рис.14.3. Временные диаграммы работы компаратора без гистерезиса (б) и с гистерезисом (в)

 

Компараторы — узлы электронных схем

Компараторы и их применение, градиентные реле (8 схем)

Компаратор представляет собой устройство сравнения сигналов, своеобразные электрические весы. Если на один из входов компаратора (чашу весов) подать эталонный сигнал (положить гирьку), а на другой — подать контролируемый сигнал (положить груз неизвестной массы), на выходе…

0 7087 0

Пороговые устройства на элементах цифровой логики

Пороговые устройства, называемые также компараторами, предназначены для преобразования аналогового сигнала в цифровую информацию. Например, на выходе порогового элемента формируется сигнал какого-либо логического уровня, если входной аналоговый сигнал по своему значению меньше…

0 6350 0

Схема компаратора напряжения

Светодиод в этой схеме включается, когда входное напряжение на выводе 5 микросхемы LM339 становится ниже опорного напряжения на выводе …

0 3334 0

Схема регулируемого компаратора

Положение движка потенциометра R2 определяет уровень напряжения, при котором данный компаратор переключится в другое состояние. Выходной сигнал может быть использован для управления любыми устройствами, где нужен именно сигнал компаратора, в пределах …

0 3069 0

Быстродейтсвующий ТТЛ-совместимый компаратор

Микросхему HFA1130 компании Harris Semiconductor можно с успехом использовать в качестве компаратора. На схеме показан инвертирующий компаратор с ТТЛ-совместимыми уровнями выходного сигнала и временем срабатывания 2 не. Он построен на базе HFA1130 …

0 2457 0

Компаратор напряжения на четыре уровня

Предлагаемую 4-уровневую пороговую схему можно использовать в качестве вольтметра с линейной шкалой. Необходимо только выставить каждый потенциометр (R5 — R8) на выбранные значения напряжений срабатывания …

0 3027 0

Схема двухпорогового компаратора

Этот двухпороговый компаратор определяет, находится ли напряжение между двумя пределами — верхним и нижним. Используя цифровой вольтметр, надо выставить оба опорных напряжения на одно и то же значение в нужном диапазоне. Затем следует изменить один из опорных …

1 4424 3

Схема компаратора на два напряжения

Этот компаратор можно использовать для контроля за аккумуляторной батареей во время ее заряда. Схема позволяет фиксировать и недостаточный заряд по малому напряжению на батарее, и повышенное напряжение на ней. Потенциометрами R3 и R4 можно выставить уровни …

0 3267 0

Радиодетали, электронные блоки и игрушки из китая:

9.1.    Компараторы | Электротехника

Выходное напряжение усилителя ограничено величиной ±U_{вых max}. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя (К_{U оу})_{велик, то значение выходного напряжения (Uвых = ±Uвых max) достигается при очень малых  входных  напряжениях:}

U_вх= ±U_{вых max} / K_{U оу}.

Поэтому можно считать.

То есть операционный усилитель является схемой сравнения входных сигналов – компаратором.

Компараторы

представляют собой устройства, предназначенные для сравнения по уровню двух входных напряжений и скачкообразного изменения выходного напряжения в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого.

Компаратор должен иметь низкое напряжение сдвига, низкий дрейф напряжения сдвига, устойчиво работать без самовозбуждения и иметь низкое значение тока смещения. Один вход компаратора (рис. 9.1) соединен с источником опорного напряжения, а на другой подается входной сигнал. Когда U_вх подается на инвертирующий вход и U_оп > 0, выходное напряжение будет отрицательным при U_вх > U_оп, и положительным при U_вх < U_оп

.

Когда входной сигнал в процессе изменения становится больше опорного, то выход компаратора немедленно изменяет свое состояние  (рис. 9.2).

Если, например,  изменение  выходного напряжения составляет 5 В, а  коэффициент усиления компаратора равен 100 000, то разность входного и опорного напряжений (U_вх – U_оп.), вызывающая изменение выходного напряжения, будет равна:  

 мВ,

то есть сравнение  двух уровней напряжения осуществляется с высокой точностью. Но эта схема обладает существенным недостатком: если входной сигнал изменяется медленно и его величина близка к U_оп, то шумы, содержащиеся в U_вх, могут вызвать ложные срабатывания (рис. 9.3).

Более устойчивым к действиям помех является компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью (ПОС), осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторов и (рис. 9.3, а ). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом (рис. 9.3, б ). Схема известна под названием триггера Шмита или порогового устройства.

Переключение схемы (рис. 9.4) в состояние -U_вых.max происходит при достижении U_вх напряжения (порога) срабатывания (U_ср), а возвращение в исходное состояние (U_вых = +U_вых.max) происходит при снижении U_вх до напряжения (порога) отпускания (-U_отп). Значения пороговых напряжений находят по схеме, положив U

0 = 0:

;

.

Частным случаем схемы (см. рис. 9.4) при  = 0 является схема (рис. 9.5).  Ее пороговые напряжения и зона гистерезиса (рис. 9.6) составляют:

;       ;   .

Величина гистерезиса (зоны нечувствительности) определяется пороговыми  напряжениями. Выбирая необходимые значения пороговых напряжений  и , можно изменять «зону нечувствительности» компаратора в зависимости от уровня помех (рис. 9.6).

Компаратор с ПОС может использоваться в качестве формирователя прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы.

КОМПАРАТОРЫ И ПОЛИКОМПАРАТОРНЫЕ МИКРОСХЕМЫ в устройствах на микросхемах

Всем доброго времени суток. В предыдущих статьях я рассказывал о применении операционных усилителей в линейных схемах, где ОУ охвачен отрицательной обратной связью, которая позволяет строить усилители, параметры которых будут в основном определяться элементами обвязки ОУ. Данная статья расскажет о применении ОУ без обратной связи или даже с положительной обратной связью (ПОС).

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Работа операционного усилителя без обратной связи

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

Операционные усилители имеют очень большой коэффициент усиления ОУ по напряжению КU = 105 … 106, а выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания (обычно несколько меньше). Поэтому, для того чтобы ОУ работал в качестве усилителя напряжения максимальное входное дифференциальное напряжение не должно превышать нескольких десятков мкВ (при UПИТ = 15 В, КU = 105, UД ≈ 150 мкВ). С учётом вышесказанного можно сделать вывод, что без применения отрицательной обратной связи, которая снижает усиление ОУ в схеме, применение ОУ бесполезно, так как при входных напряжениях в несколько милливольт ОУ войдёт в насыщение с выходным напряжением равным напряжению питания.

Но существуют схемы, в которых операционные усилители применяются без обратной отрицательной связи, а в некоторых случаях специально вводят положительную обратную связь

(ПОС) для увеличения коэффициента усиления схем. Одним из видов таких схем являются пороговые устройства, в состав которых входят различные компараторы, триггеры Шмитта, детекторы уровней напряжения.

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.

Читать также: Что такое кромкооблицовочный станок

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».

Принцип работы компаратора

Простейшим пороговым устройством является компаратор. Он сравнивает напряжение, которое поступает на один из его входов, с опорным напряжением, которое присутствует на другом его входе. Простейший компаратор получается из операционного усилителя, в котором отсутствует отрицательная обратная связь. Рассмотрим принцип работы компаратора напряжений на основе ОУ, схема которого изображена ниже

Использование ОУ в качестве компаратора и графики входного и выходного напряжений.

В основе компаратора лежит ОУ на инвертирующий вход, которого поступает входное напряжение UBX, а неинвертирующий вход соединён с источником опорного напряжения UОП. Принцип работы компаратора изображённого на рисунке заключается в следующем: когда входное напряжение UBX больше опорного UОП, то выходное напряжение принимает значение отрицательного напряжения насыщения –UНАС и остаётся неизменным пока входное напряжение UBX не уменьшиться ниже опорного напряжения UОП, в этом случае на выходе будет напряжение положительного насыщения +UНАС.

На рисунке изображен компаратор с инвертирующим выходным сигналом

по отношению к входному сигналу. Для того, чтобы не происходило инверсии на выходе необходимо поменять подключение выводов ОУ, то есть входной сигнал должен поступать на неивертирующий вход, а опорное напряжение на инвертирующий вывод. Тогда при превышении опорного напряжения на выходе ОУ будет положительное напряжение насыщения, а при входном напряжении меньше, чем опорное напряжение на выходе будет присутствовать отрицательное напряжение насыщения ОУ.

Несколько тонкостей работы с компараторами.

Данный материал написан для людей, которые уже попробовали поработать с компараторами и хотят углубиться в данной теме:

Читать также: Дюбель гвоздь размеры таблица

1. Чувствительность компаратора зависит от величины минимального напряжения между входами. Если вы стараетесь сделать очень точные измерения, по типу вытащить 0,001*С из схемы срабатывания охлаждения, то будьте готовы к тому, что у вас это не получиться в виду ограничений микросхемы

2. Во время переключения некоторое время компаратор переключается. Это свойство проявляется в основном при детекции вч сигналов. Если ваши рабочие частоты лежат до 100 кГц, то о данном параметре на всех современных ОУ можете не заморачиваться. В противном случае смотрите на величину скорости роста сигнала. Обычно у современных ОУ эта величина составляет единицы/десятки вольт в микросекунду. В вашем случае она считается по формуле:

Если данная величина получилась больше, чем параметр ОУ, то меняйте оу. На экране осциллографа при этом у вас будет сильное сваливание от прямоугольного сигнала на выходе ОУ к треугольному сигналу.

3. В некоторых случаях полезно реализовать гистерезис(запаздвание) на положительной обратной связи, но это рассмотрим подробнее в одном из следующих занятий практикума.

В конце концов вот вам приятный подарок, раз уж вы дочитали до конца. Вот видео автора данной статьи о компараторах, из которого можно подчеркнуть много интересного и полезного.

Основные схемы компаратора

Существует много разновидностей компараторов, но в из основе лежат две основные схемы: одновходовая и двухвходовая. Одновходовая схема позволяет сравнивать разнополярные напряжения по модулю

, то есть по абсолютной величине. Двухвходовый же компаратор
сравнивает два напряжения с учётом знака
. Расссмотрим обе схемы подробнее.
Схема одновходового компаратора.
На рисунке выше изображён одновоходовый компаратор, позволяющий сравнивать два разнополярных напряжения по абсолютному значению (по модулю). В его основе лежит инвертирующий сумматор, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому ослабления коэффициент усиления операционного усилителя не происходит. В результате чего на инвертирующем входе ОУ происходит суммирование входного напряжения UBX и опорного напряжения UОП приведённого к инвертирующему входу UПРИВ, а результат суммирования усиливается ОУ и выводится на его выход. Для того чтобы происходило сравнение необходимо фактически производить операцию вычитания, то есть напряжения на входах UBX и UПРИВ должны иметь разную полярность.

Приведённое напряжение UПРИВ можно вычислить по следующему выражению

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

Основным недостатком данной схемы является необходимость использования стабилизированного отрицательного напряжения, что приводит к усложнению схемы. Поэтому одновходовый компаратор не получил широкого распространения.

Наибольшее распространение получила схема двухвходового компаратора, в котором отсутствует необходимость в отрицательном напряжении. Схема данного компаратора приведена ниже

Схема двухвходового компаратора.

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

Компараторы применяются в широком спектре схем:

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

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

Появление ложных импульсов на выходе компаратора.

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

Схемы практической реализации устройств на основе компараторов

В качестве примера возмем распространённый компаратор К554СА3, (зарубежные аналоги LM-111, LM-211, LM-311).

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.

Для согласования выхода с логическими уровнями КМОП микросхем, напряжение питания соответственно может быть 9-15 вольт.

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.

Триггер Шмитта

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

В одной из статей я рассказывал о триггере Шмитта выполненном на транзисторах. Он характеризуется тем, что в отличие от компаратора имеет так называемую петлю гистерезиса. То есть компаратор переключается из высокого уровня напряжения в низкий при одной и той же величине входного напряжения, а триггер Шмитта имеет два уровня (порога) переключения

. Данное различие иллюстрирует изображение ниже

Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева).
Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП.

Для реализации триггера Шмитта применяют ОУ охваченные положительной обратной связью (ПОС), которая реализуется подачей на неинвертирующий вход части выходного напряжения. Схема триггера Шмитта изображена ниже

Триггер Шмитта на операционном усилителе.

Работа триггера Шмитта во многом похожа на работу компаратора, только в отличие от него в триггере опорное напряжение не постоянно, а зависит от разности выходного и опорного напряжений, то есть имеет различные значения.

Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном входное напряжение не превышает верхнего уровня срабатывания триггера UВП, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения UНАС+ (примерно на 1 – 2 В ниже положительного напряжения питания UПИТ+). Когда входное напряжение достигает верхнего порога переключения UВП выходное напряжение резко упадёт до уровня отрицательного напряжения насыщения UНАС-(примерно на 1 – 2 В выше отрицательного напряжения питания UПИТ-). Верхний уровень напряжения переключения триггера Шмитта определяется следующим выражением

Далее триггер остаётся в устойчивом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания UНП, а на выходе триггера установится положительное напряжение насыщения UНАС+. Нижний порог срабатывания триггера определяется следующим выражением

Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса UГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания UВП и нижнего порога срабатывания UНП

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

Как работает компаратор?

На один из входов подается постоянный сигнал, который называется опорным. Он используется как образец для сравнения. Ко второму поступает испытуемый сигнал. На выходе стоит транзистор, меняющий свое состояние в зависимости от условий:

• Напряжение прямого входа выше инверсного – транзистор открыт.
• Напряжение инверсного входа выше прямого – закрыт.

Соответственно, выходное напряжение меняется скачком от минимума до максимума, или наоборот.

Напряжение выходных каскадов соответствует входным уровням большинства цифровых микросхем. Это необходимо для случаев, когда компаратор – это формирователь импульса, управляющего работой логических элементов.

Пример практического применения компаратора

На принципиальной схеме представлен датчик освещенности.

Опорное напряжение задается резисторами RV1 и R2. При этом, RV1 служит регулятором чувствительности конструкции. Индикация реализована на светодиоде D1. Датчиком является элемент LDR1, который меняет омическое сопротивление в зависимости от освещенности. Собственно компаратор представлен операционным усилителем LM324. Это простое устройство демонстрирует то, как работает компаратор на практике.

Принцип действия аналогового компаратора

Аналоговый компаратор сравнивает непрерывные сигналы – входной измеряемый и входной опорный. Как работает устройство, показано на графике ниже.

При медленном изменении входного сигнала, происходит многократное переключение компаратора за малый отрезок времени. Такое явление называют «электронным дребезгом». Его наличие значительно снижает эффективность сравнения. Поскольку часто повторяющиеся смены состояния выхода, вводят оконечный транзистор в состояние насыщения.

Для уменьшения эффекта «электронного дребезга», в схему вводят ПОС – положительную обратную связь. Она обеспечивает гистерезис – небольшую разницу между уровнем напряжения включения и отключения. Некоторые компараторы имеют встроенную ПОС, что уменьшает количество дополнительных элементов построения конструкции. Например, при незначительной потери чувствительности, добиваются стабильной работы компаратора.

Схемы компаратора | 2 важных типа | инвертирование

Схема компаратора

Первоначальный загрузчик изображения обложки был —  Зефирис at Английский Википедия., Микросхемы, CC BY-SA 3.0

Contents [show]

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?

A компаратор сравнивает два заданных входных напряжения и выдает выходной сигнал, показывающий, 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 операционного усилителя

На изображении 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 компаратора

Схема 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 обеспечиваются через ОУ. 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. Ниже упомянутые два пункта констатируют работу.

• Если напряжение на неинвертирующем выводе выше, чем напряжение на инвертирующем выводе, выход переключается на положительное напряжение насыщения операционного усилителя.
• Если напряжение инвертирующего терминала выше, чем напряжение на неинвертирующем терминале, выход переключается на отрицательное напряжение насыщения операционного усилителя.

Схема компаратора напряжения на ОУ 741

Операционный усилитель 741 — это интегральная схема, содержащая операционный усилитель. Компаратор напряжения может быть создан с использованием операционного усилителя 741. На рисунке ниже представлена ​​принципиальная схема неинвертирующего компаратора напряжения с использованием операционного усилителя 741.

Компаратор на ОУ 741

блок-схема компаратора

Работу компаратора можно представить с помощью блок-схем. На следующем изображении представлена ​​блок-схема компаратора.

Блок-схема компаратора

реле цепи компаратора

Реле — это переключатели, которые могут управлять цепью. Он может включать или выключать цепь, а также подключать и отключать цепь от другой цепи. Компаратор широко используется в качестве реле.

схема компаратора использует

Компаратор — ценное и важное устройство. Есть несколько применений компараторов. Некоторые применения компараторов перечислены ниже.

• Детектор нуля: Если значение равно нулю, детектор нуля обнаруживает его. Компаратор обычно представляет собой усилитель с высоким коэффициентом усиления, а для управляемых входов компаратор подходит для обнаружения нуля.
• Сдвиг 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 абсолютных значений, в детекторах перехода через ноль, в оконных детекторах и т. Д.

нечеткая цепь компаратора

Схемы Fuzz 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 особенное 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 предусмотрено в неинвертирующем терминале, и входное напряжение обеспечиваются в инвертирующем терминале. С этой схемой не связана система обратной связи.

Схема компаратора напряжения

Схема компаратора может обнаруживать высокие напряжения между двумя напряжениями. Компараторы, которые обычно сравнивают с напряжениями, известны как схема компаратора напряжения.

Принципиальная схема фазового компаратора

Фазовый компаратор — это аналоговая логическая схема, способная смешивать и умножать. Он обнаруживает разность фаз между двумя заданными сигналами, генерируя сигнал напряжения. На изображении ниже представлена ​​принципиальная схема фазового компаратора.

микросхемы компаратора

Как 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.

Типичный компаратор IC

Схема компаратора lM358

lm358 — 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 цепь компаратора

Компаратор 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 компаратора

Принципиальная 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 Шмитта

Триггер 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.

Схема компаратора таймера 555

Таймер 555 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 lm324

lm324 — 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 контакта	Описание
1	Выход первого компаратора
2	Инвертирующий вход первого компаратора
3	Неинвертирующий вход первого компаратора
4	Напряжение питания 5В
5	Неинвертирующий вход второго компаратора
6	Инвертирующий вход второго компаратора
7	Выход второго компаратора
8	Выход третьего компаратора
9	Инвертирующий вход третьего компаратора
10	Неинвертирующий вход третьего компаратора
11	Контакт заземления (GND)
12	Неинвертирующий вход четвертого компаратора
13	Инвертирующий вход четвертого компаратора
14	Выход четвертого компаратора

Принципиальная схема компаратора LM324 изображена на схеме ниже.

схема компаратора lm139

lm139 — 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 дополнительной МОП-логикой. IC имеет задержку распространения 0.7 микросекунды.

На изображении ниже изображена внутренняя принципиальная схема компаратора lm139.

схема компаратора lm319

lm319 — еще одна микросхема компаратора с 14 контактами. 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 lm311

lm311 — еще одна микросхема компаратора с восемью контактами. Имеет единственный компаратор. Микросхема имеет время отклика минимум 0.200 наносекунды и типичное усиление напряжения 200.

На изображении ниже изображена внутренняя принципиальная схема компаратора lm311.

LM 311 Компараторы

схема компаратора lm339

lm339 — 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 операционного усилителя

Компараторные схемы операционного усилителя 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 ноль и т. Д.

Схема компаратора окна напряжения

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 компаратора окна, есть то, что называется сэндвич эффект: если входное напряжение идет выше, чем опорное напряжение низкого уровня. Контур включен, и если входное напряжение становится выше, чем опорное напряжение высокого уровня, то схема выключена.

Компоненты, необходимые для компаратора окна напряжения:

• Операционные усилители LM741 (2)
• Чип инвертора 4049 (1)
• Резистор 470 Ом (1)
• 1N4006 Диоды (2)
• LED

Схема компаратора окна напряжения представлена ​​на рисунке ниже.

схема компаратора с фиксацией

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 гистерезисом

Разница между верхней точкой срабатывания и нижней точкой срабатывания — гистерезис. 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 компаратора

Схема 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 компаратора температуры

Температурный контур — 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. Ниже упомянутые два пункта констатируют работу.

• Если напряжение на неинвертирующем выводе выше, чем напряжение на инвертирующем выводе, выход переключается на положительное напряжение насыщения операционного усилителя.
• Если напряжение инвертирующего терминала выше, чем напряжение на неинвертирующем терминале, выход переключается на отрицательное напряжение насыщения операционного усилителя.

2. Типы схем компаратора

Ответ: Есть несколько типов компараторов. Некоторые из широко используемых усилителей перечислены ниже.

• Механические компараторы
• Механические, оптические компараторы
• Электронные компараторы
• Пневматические компараторы

3. Почему выходное напряжение в схеме компаратора операционного усилителя равно напряжению насыщения?

Ответ: Цепи компаратора не имеют 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. В схеме компаратора ОУ, почему используется опорное напряжение

Ответ: Сравнение производится между двумя или более количествами. Чтобы указать, что более важно, нам нужна ссылка, чтобы решить. Нам нужно определить, какое напряжение более важно для компаратора. Поэтому опорное напряжение используется, чтобы принять решение.

5. Как схема цифрового компаратора различает меньшее и большее значащее число?

Ответ: Цифровой компаратор сравнивает два двоичных числа. Компаратор сначала определяет эквивалентное напряжение двоичных чисел, а затем определяет, какое число меньше, какое число является значимым.

Дополнительные статьи по электронике нажмите сюда

О судипте Рой

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 статьи посвящены предоставлению точных и обновленных данных всем учащимся.
Мне доставляет огромное удовольствие помогать кому-то в получении знаний.

Подключимся через LinkedIn — https://www.linkedin.com/in/sr-sudipta/

Компаратор напряжения на операционном усилителе. Инвертирующий компаратор напряжения, неинвертирующий компаратор операционных усилителей, практическая схема компаратора

Схема компаратора напряжения.

Компаратор напряжения — это схема, которая сравнивает два напряжения и переключает выход в высокое или низкое состояние в зависимости от того, какое напряжение выше. Здесь показан компаратор напряжения на базе операционного усилителя. На фиг.1 показан компаратор напряжения в инвертирующем режиме, а на фиг.

Компаратор напряжения

Неинвертирующий компаратор.

В неинвертирующем компараторе опорное напряжение подается на инвертирующий вход, а сравниваемое напряжение — на неинвертирующий вход. Когда сравниваемое напряжение (Vin) превышает опорное напряжение, выход операционного усилителя переключается на положительное насыщение (V +) и наоборот. На самом деле происходит следующее: разница между Vin и Vref (Vin — Vref) будет положительной и будет увеличиваться до бесконечности операционным усилителем.Поскольку резистор обратной связи Rf отсутствует, операционный усилитель находится в режиме разомкнутого контура, поэтому коэффициент усиления по напряжению (Av) будет близок к бесконечности. Таким образом, выходное напряжение достигает максимально возможного значения, т.е. V +. Вспомните уравнение Av = 1 + (Rf / R1). Когда Vin опускается ниже Vref, происходит обратное.

Инвертирующий компаратор.

В случае инвертирующего компаратора опорное напряжение подается на неинвертирующий вход, а сравниваемое напряжение подается на инвертирующий вход. Когда входное напряжение (Vin) превышает Vref, выход операционного усилителя переключается на отрицательное насыщение.Здесь разница между двумя напряжениями (Vin-Vref) инвертируется и усиливается до бесконечности операционным усилителем. Помните уравнение Av = -Rf / R1. Уравнение для усиления напряжения в инвертирующем режиме: Av = -Rf / R1. Поскольку резистора обратной связи нет, коэффициент усиления будет близок к бесконечности, а выходное напряжение будет как можно более отрицательным, т. Е. V-.

Практическая схема компаратора напряжения.

Практический неинвертирующий компаратор на базе операционного усилителя uA741 показан ниже. Здесь опорное напряжение устанавливается с помощью цепи делителя напряжения, состоящей из R1 и R2.Уравнение Vref = (V + / (R1 + R2)) x R2. Подстановка значений, приведенных на принципиальной схеме, в это уравнение дает Vref = 6V. Когда Vin превышает 6 В, выход переключается на ~ + 12 В постоянного тока и наоборот. Схема питается от двойного источника питания +/- 12 В постоянного тока.

Компаратор напряжения с использованием 741

Несколько других схем, связанных с операционными усилителями, которые могут вас заинтересовать.

Интегратор, использующий операционный усилитель : для интегрирующей схемы выходной сигнал будет интегралом входного сигнала.Например, синусоидальная волна при интегрировании дает косинусоидальную волну, прямоугольная волна при интегрировании дает треугольную волну и т. Д.

Инвертирующий усилитель : В инвертирующем усилителе выходной сигнал будет инвертированной версией входного сигнала и усилен в определенном размере.

Инструментальный усилитель : это тип дифференциального усилителя с дополнительными буферными каскадами на входе. Это приводит к высокому входному сопротивлению и простому согласованию. Инструментальный усилитель имеет лучшую стабильность, высокий CMRR, низкое напряжение смещения и высокое усиление.

Аналоговые компараторы напряжения

выполняют различные функции

Поскольку дизайнеры стремятся собрать больше данных для приложений Интернета вещей (IoT), промышленного IoT (IIoT), искусственного интеллекта (AI) и машинного обучения (ML), им нужен простой способ определения этого измеренного значения. , будь то напряжение, ток, температура или давление, выше или ниже порогового значения. Точно так же часто необходимо знать, что измеряемая величина находится внутри или вне диапазона значений.Это определение на границе при наличии шумов и мешающих сигналов часто бывает затруднительным, но могут помочь правильно выбранные и примененные компараторы напряжения.

Компаратор напряжения — это электронное устройство, которое сравнивает входное напряжение с известным эталонным напряжением и изменяет свое выходное состояние в зависимости от того, было ли входное напряжение выше или ниже эталонного. Эта возможность удовлетворяет потребность в обнаружении переходов пороговых значений, нулей и амплитуд сигналов в пределах или за пределами диапазона амплитуд.

В этой статье описывается использование компараторов напряжения, их характеристики и ключевые критерии их выбора. Используя примеры устройств от Texas Instruments, будет обсуждаться использование компараторов напряжения для детекторов пересечения порога и нуля, а также приложений для восстановления тактовой частоты и релаксационного генератора.

Что такое компаратор напряжения?

Компаратор напряжения — это электронное устройство, выход которого представляет собой логическое состояние, которое указывает, какой из двух его входов имеет большее напряжение, чем другой (рисунок 1).

Рисунок 1: Основная работа компаратора, проиллюстрированная в моделировании TINA-TI, путем подачи синусоидальной волны на неинвертирующий вход компаратора, в то время как инвертирующий вход привязан к нулю вольт (земля). (Источник изображения: Digi-Key Electronics)

Компаратор представляет собой одиночный компаратор Texas Instruments TLV3201AQDCKRQ1 с двухтактными выходами. Как и все компараторы, он имеет два входа. Инвертирующий вход отмечен знаком минус (-), а неинвертирующий вход отмечен знаком плюс (+).Входы компаратора очень похожи на входы операционного усилителя. Основное отличие состоит в том, что выход компаратора представляет собой цифровое логическое состояние, а не аналоговое напряжение. На рисунке 1 вход представляет собой синусоидальную волну 1 мегагерц (МГц) с пиковой амплитудой 200 милливольт (мВ). Когда напряжение на неинвертирующем входе больше, чем на инвертирующем входе, выход будет в высоком состоянии, в данном случае 2,5 В. Когда напряжение на неинвертирующем входе ниже, чем на инвертирующем входе, выход переходит в низкое состояние, -2.В данном случае 5 вольт. Этот компаратор имеет выходы rail-to-rail, поэтому логические состояния выхода распространяются на уровни источника питания. В этом примере используются симметричные положительные и отрицательные источники питания 2,5 В, которые отражаются в размахе выходного напряжения.

Один из способов представить себе компаратор — это однобитовый аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Если он настроен на изменение состояния при переходе через нуль, его выход, по сути, является битом знака.

Этот компаратор имеет время отклика 40 наносекунд (нс), которое определяется как скорость или задержка распространения.Это время от пересечения порога на входе до изменения состояния выхода. Скорость распространения влияет на то, как быстро компаратор может переключать состояния, и, по сути, является спецификацией, связанной с полосой пропускания. TLV3201 также имеет встроенный гистерезис напряжения 1,2 мВ для противодействия наличию шума на входе сигнала.

Гистерезис и шум

Если на входе компаратора есть шум или паразитные сигналы, порог может быть пересечен несколько раз, а выход может следовать за порогом и переключаться несколько раз (Рисунок 2).

Рис. 2: Наличие шума на входе сигнала может привести к многократному переключению выхода компаратора, поскольку шум многократно приводит к тому, что входной сигнал становится выше и ниже порогового значения. (Источник изображения: Digi-Key Electronics)

Решением этого нежелательного переключения выхода является добавление амплитудного гистерезиса к схеме компаратора. Гистерезис заставляет выход компаратора сохранять свое состояние после пересечения порога до тех пор, пока входная амплитуда не изменится на фиксированную величину. Это достигается за счет применения положительной обратной связи с выхода на вход компаратора, который сдвигает пороговое значение на небольшой шаг (рисунок 3).

Рисунок 3: Гистерезис применяет положительную обратную связь к входу задания для сдвига порога на фиксированное приращение. Таким образом, небольшие изменения амплитуды входного сигнала не могут изменить выходной. (Источник изображения: Digi-Key Electronics)

Резистор R3 возвращает выходной сигнал на опорный вход, сдвигая опорный уровень на небольшую величину, определяемую номиналами резисторов R1, R2 и R3. Для данных номиналов резистора это приводит к гистерезису 400 мВ, изменяя порог, так что состояние выхода не меняется до тех пор, пока входной сигнал не превысит амплитуду гистерезиса.В результате выход делает единственный переход при переходе через порог.

Несколько замечаний об используемой схеме по сравнению со схемой на рисунке 1. Во-первых, инвертирующий и неинвертирующий входы поменялись местами, инвертируя выходную логику. На выходе высокий логический уровень, когда сигнал ниже порогового значения. Эта характеристика схемы используется в схемах, которые определяют, когда значение находится внутри или вне диапазона значений. TLV3201 работает от одного пятивольтового источника питания, а не от двойного 2.Источник питания 5 вольт, используемый на рисунке 1. Из-за этого опорное напряжение, полученное делителем напряжения R1 и R2, составляет 2,5 В, синфазное напряжение для входа. Входной сигнал также смещен к этому синфазному напряжению. Треугольная волна имеет пиковую амплитуду 2 В при уровне смещения 2,5 В. Эта конфигурация схемы является распространенной альтернативой.

Значение считывания внутри или за окном

Один компаратор напряжения может определять, находится ли входное напряжение выше или ниже опорного порогового значения.Для определения того, находится ли входное напряжение между двумя пределами, называемого оконным режимом, требуется два компаратора, по одному для каждого предела (рисунок 4).

Рисунок 4: Конфигурация схемы окна компаратора использует двойной компаратор напряжения, чтобы определить, находится ли вход в пределах двух уровней напряжения, V _L и V _H . (Источник изображения: Texas Instruments)

В показанной оконной схеме используется двойной компаратор напряжения Texas Instruments TLV6710DDCR. TLV6710 состоит из двух высокоточных компараторов, предназначенных для приложений высокого напряжения.Напряжение питания может быть от 1,8 до 36 В. Он включает в себя внутренний опорный источник постоянного тока 400 мВ. Выходы компаратора представляют собой соединения с открытым стоком, которые можно объединить логическим «ИЛИ», связав их вместе через общий подтягивающий резистор, как показано. Компараторы подключены так, что опорное напряжение подается на инвертирующий вход на одном (компаратор A) и неинвертирующий вход на другом (компаратор B). Вход подается через делитель напряжения, состоящий из резисторов R1, R2 и R3, который устанавливает пороговое напряжение, равное 3.3 вольта для нижнего предела и 4,1 вольта для верхнего предела. Выход компаратора находится в высоком состоянии (3,3 В), когда вход V _MON находится в пределах окна. Компаратор A показывает, когда входное напряжение ниже 4,1 В, а компаратор B показывает, когда входное напряжение превышает 3,3 В. Обратите внимание, что оба компаратора в TLV6710 имеют номинальный внутренний гистерезис напряжения 5,5 мВ, чтобы помочь подавить шум и небольшие сбои.

Задержка распространения этого компаратора обычно составляет 9.9 микросекунд (мкс) для перехода от высокого к низкому уровню и 28,1 мкс для перехода от низкого к высокому уровню. Это различие связано с конфигурацией выхода с открытым стоком. Переход от высокого к низкому уровню представляет собой активное понижение выходным полевым транзистором, в то время как переход от низкого к высокому уровню представляет собой пассивное подтягивание через резистор, которое занимает больше времени. Этот компаратор предназначен для приложений контроля напряжения, которые не требуют чрезвычайно низкой задержки распространения.

Оконное приложение

Windowing может использоваться в робототехнике для управления направлением движения робота с помощью света и двух фотоэлементов CDS.Например, фотоэлементы из сульфида кадмия (CDS) изменяют свое сопротивление в ответ на освещение, имея более высокое сопротивление в темноте и гораздо более низкое сопротивление при освещении. Моделирование TINA-TI иллюстрирует этот принцип с использованием двойного компаратора Texas Instruments LM393BIPWR (рисунок 5).

Рис. 5. Имитация схемы управления рулевым управлением робота с использованием двух управляющих двигателей, обозначенных как «Левый» и «Правый». Когда на двигатели подается 5 вольт, они движутся вперед, когда 0 вольт, они движутся назад.(Источник изображения: Digi-Key Electronics)

Компаратор LM393B — это двойной компаратор с выходами с открытым коллектором, который может работать при напряжении питания от 3 до 36 вольт. В этой схеме каждая секция обеспечивает сигнал управления двигателем для каждого из двух двигателей, обозначенных как левый или правый привод.

Потенциометр используется для моделирования двух фотоэлементов CDS. Настройка потенциометра от 0% до 40% соответствует освещению правого фотоэлемента и левого фотоэлемента в темноте.Настройки от 60% до 100% означают, что свет в основном находится на левом фотоэлементе, а на правом фотоэлементе — темном. От 40% до 60% светятся оба фотоэлемента. Когда сигнал управления двигателем на любой из двигателей составляет +5 В, двигатель вращается в прямом направлении. Если сигнал управления двигателем равен 0 В, двигатель вращается в обратном направлении.

Когда оба фотоэлемента освещены одинаково, оба двигателя работают в прямом направлении, перемещая робота прямо вперед. Когда потенциометр находится между 0% и 40%, левый двигатель вращается в прямом направлении, а правый двигатель вращается в обратном направлении, перемещая робота вправо.В диапазоне от 60% до 100% правый двигатель вращается в прямом направлении, левый двигатель вращается в обратном направлении, и робот поворачивает влево.

Опорные уровни компаратора получены от делителя напряжения и установлены на 2 В (40% на потенциометре) для правого контроллера и 3 В (60% на потенциометре) для левого контроллера.

Осциллятор релаксации

Используя как положительную, так и отрицательную обратную связь, компаратор можно настроить как генератор релаксации (рисунок 6).

Рисунок 6: Добавляя конденсатор к одному из входов и применяя обратную связь к этому конденсатору, создается генератор релаксации. (Источник изображения: Digi-Key Electronics)

Релаксационный генератор (также называемый нестабильным мультивибратором) с прямоугольным выходом может быть создан с помощью схемы, показанной на рисунке 6. Частота колебаний определяется постоянной времени резистора-конденсатора R1 и C1. При первоначально разряженном C1 (0 вольт) инвертирующее входное напряжение ниже опорного напряжения на неинвертирующем входе.На выходе принудительно 5 вольт. Конденсатор C1 заряжается через R1 до опорного напряжения, при котором выходное напряжение падает до 0 вольт. C1 разряжается через R1 до тех пор, пока оно не упадет ниже опорного напряжения, и цикл повторяется. К опорному напряжению добавляется гистерезисная (положительная) обратная связь. Когда на выходе 0 вольт, эталонное значение составляет 2,5 вольт. Когда на выходе 5 вольт, опорное напряжение увеличивается примерно на 1,7 вольт, доведя его до 4,2 вольт. Переходная характеристика, показанная на графике, показывает формы сигналов как выходного (Vo), так и конденсаторного (Vc) напряжения.

Максимальная частота колебаний ограничена задержкой распространения компаратора. В этом случае TLV3201 от Texas Instruments с задержкой распространения 40 нс используется для создания генератора 10 МГц. Эта частота довольно близка к максимальной для данного компаратора.

Восстановление и восстановление часов

Тактовые сигналы, передаваемые через объединительные платы и кабели, страдают от ухудшения, вызванного ограничениями полосы пропускания, межсимвольными помехами (ISI), шумом, отражениями и перекрестными помехами.Компараторы могут использоваться для восстановления тактовых сигналов и восстановления их до более четко определенной формы (рисунок 7).

Рисунок 7. Компаратор с задержкой распространения 7 нс и внутренним гистерезисом используется для восстановления тактовой частоты 20 МГц. (Источник изображения: Digi-Key Electronics)

В приложениях этого типа задержка распространения более критична. Максимальная частота, которую может отслеживать компаратор, зависит от задержек распространения и времени перехода на выходе:

Уравнение 1

Где: f _MAX — максимальная частота переключения

t _Rise — время нарастания выхода

т _{Падение} — время падения производительности

t _{PD LH} — задержка распространения от низкого к высокому

t _{PD HL} — задержка распространения от высокого до низкого

Texas Instruments LMV7219M5X-NOPB, работающий от источника питания 5 В, имеет 1.Время нарастания 3 нс, время спада 1,25 нс и типичная задержка распространения 7 нс для обоих направлений перехода. Это дает максимальную частоту переключения 60,4 МГц. Даже при напряжении питания 2,7 В и более длительной задержке распространения и времени перехода максимальная частота переключения для этой частоты компаратора составляет около 35 МГц, что более чем достаточно для этой тактовой частоты 20 МГц.

В дополнение к исключительно низкой задержке распространения, LMV7219 включает двухтактный выходной каскад, обеспечивающий короткое и равномерное время нарастания и спада.Он также имеет внутренний гистерезис 7,5 мВ, чтобы минимизировать влияние шума.

Заключение

Соединяя аналоговый и цифровой миры, компаратор напряжения является особенно полезным инструментом, будь то для уровней сигналов и управления окнами для IIoT, AI или ML на границе, или для обнаружения нуля, восстановления тактовой частоты или в качестве генератора.

Заявление об ограничении ответственности: мнения, убеждения и точки зрения, выраженные различными авторами и / или участниками форума на этом веб-сайте, не обязательно отражают мнения, убеждения и точки зрения Digi-Key Electronics или официальную политику Digi-Key Electronics.

Компаратор напряжения LM311 — журнал DIYODE

Эта ИС представляет собой способ с малым количеством компонентов для сравнения двух напряжений сигнала или сигнала и опорного сигнала и включения или выключения выхода.

Компараторы

выполняют очень специфическую работу, которая дает производителям некоторые преимущества, которые могут быть не сразу очевидны. Сравнение напряжений или переключение на пороге может быть выполнено с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в Arduino и Raspberry Pi, но мы обсудим позже некоторые очень веские причины, по которым вы можете захотеть сделать это извне.

Мы уже сталкивались с компаратором раньше, когда обсуждали операционные усилители (операционные усилители), и мы даже делали их из операционных усилителей в проектах. Однако интегральная схема (ИС) LM311 — это специализированное устройство, которое выполняет только эту работу, и делает это хорошо. Конечно, не каждый читатель будет знаком с операционными усилителями или предыдущими статьями, поэтому вот очень краткое резюме.

Операционные усилители — это ИС с высокоомными входами, что означает, что они чувствительны к напряжению, а не к току.Один вход является инвертирующим, а другой — неинвертирующим, что означает, что положительное напряжение на инвертирующем входе вызовет отрицательное напряжение на выходе, а положительное напряжение на неинвертирующем входе вызовет положительное напряжение на выходе. Обратное также верно. Операционные усилители часто питаются от положительного и отрицательного источника питания с разделенными шинами с нулевым заземлением посередине, что позволяет им работать как положительно, так и отрицательно. В случае одиночного рельса устраивается синтетический грунт.

Операционные усилители

можно использовать в качестве компаратора, в котором один вход сравнивается с другим, а на выходе устанавливается высокий или низкий уровень в зависимости от ситуации на входах. Операционные усилители имеют много других режимов работы, но в этой статье речь идет о компараторе.

Обычно это делается с помощью делителя напряжения для получения известного напряжения и последующей подачи его на один из входов. Другой используется для измерения целевого сигнала, например напряжения на датчике. Выходной сигнал будет высоким или низким, в зависимости от настройки, когда напряжение датчика поднимется выше или ниже опорного значения.

Компараторы напряжения

, такие как LM311, делают это с высокой точностью, быстрым откликом и минимальным количеством внешних компонентов. LM311 разработан с учетом универсальности, поскольку он может работать в диапазоне напряжений питания, включая +/- 15 В постоянного тока и + 5 В постоянного тока для логических цепей. К сожалению, минимальное рабочее напряжение исключает работу 3,3 В. Выходы имеют достаточно высокий рейтинг, чтобы управлять некоторыми нагрузками без дополнительного усиления.

Как всегда, полезно иметь копию таблицы данных производителя микросхемы.Мы всегда резюмируем наиболее актуальную информацию для нашей аудитории производителей, но в таблицах данных всегда есть больше. Мы использовали документ LM111 / LM211 / LM311 компании Texas Instruments, пересмотренный в марте 2017 года. Хотя спецификации должны быть одинаковыми для всех производителей, расположение информации и объем информации могут отличаться.

Примечание. Чтобы узнать больше об операционных усилителях, вы можете обратиться к нашим предыдущим статьям в классе, включая «Операционные усилители — суперэлектронный строительный блок» из выпуска 7, январь 2018 г. или «Операционные усилители»…Revisited »из выпуска 13, июль 2018 г.

Хотя мы очень кратко описали работу компараторов, здесь мы дадим немного более подробную информацию. Базовый компаратор имеет пять соединений: инвертирующий вход, неинвертирующий вход, а также выход, положительный источник питания и отрицательный источник питания. Поскольку LM311 может работать от однорельсового питания, и мы собираемся использовать его таким образом, мы будем двигаться вперед именно так.

В базовом операционном усилителе измеряемым параметром является разность напряжений между двумя входами.Разница в том, что усиливается и передается на выход, а не в фактических напряжениях на входах. В компараторе разница не измеряется как таковая, а сравнивается, и выход полностью включен или полностью выключен в зависимости от разницы между входами.

Если напряжение на неинвертирующем входе больше положительного, чем напряжение на инвертирующем входе, выход включен. Если напряжение на неинвертирующем входе меньше положительного, чем напряжение на инвертирующем входе, выход выключен.Другими словами, если разница между входами положительная, выход полностью включен, независимо от того, насколько велика или мала разница.

Здесь есть нюанс. В большинстве случаев выход либо полностью включен, либо выключен. Однако есть небольшой участок отклика около порога пересечения эталона, где отклик фактически не является абсолютным.

Вы нечасто увидите это на практике, но мы столкнулись с этим при разработке проекта световой банки, основанного на схеме Класса этого месяца.График на рис. 8 в таблице данных показывает, что имеется короткий крутой отклик, который является почти линейным. Полный эффект охватывает менее милливольта на входе, поэтому он не будет беспокоить большинство пользователей слишком часто.

ИСТОЧНИК: Texas Instruments

Обратите внимание, что мы не включили в эти схемы подключения источника питания. Это связано с тем, что информация действительна для компараторов в целом, в том числе для компараторов, изготовленных с внешними компонентами от дискретных операционных усилителей, независимо от того, работают ли они от биполярного (с двумя шинами) или от униполярного (с одной шиной) питания.

Это также означает, что напряжения на обоих входах могут быть отрицательными, но пока разница положительная, выход включен.

Для большинства производителей подходят варианты блоков питания LM311. Он будет легко работать с минимальными усилиями от одинарного источника питания +5 В, чего нельзя сказать обо всех операционных усилителях и компараторах. Хотя большинство операционных усилителей и их производных можно заставить работать от одной шины, эти устройства, предназначенные для этого, упрощают проектирование схем.Потребление тока различается для разных ситуаций питания, но было измерено на рабочем столе как 1,19 мА от источника питания + 5 В без нагрузки.

LM311 — довольно старое устройство, и максимальный входной дифференциал (разница между напряжениями на входах) составляет 30 В (+/- 15 В). Это заметно меньше, чем напряжение питания 36 В (+/- 18 В), и иногда указывается как фактор, отвлекающий от устройства. Это может быть правдой для инженеров, но для большинства производителей это не имеет значения.

Большинство наших проектов питаются от 5 В или 12 В, с небольшим количеством проектов на 24 В.Поскольку это обычно однорельсовые источники питания, в этих случаях не возникнет ситуации, когда разрыв между максимальной входной разностью и максимальным напряжением питания станет проблемой. Это по-прежнему хороший выбор, потому что он прочный, простой и очень легко доступен для розничной продажи. Немногие другие компараторы можно купить без рецепта в местном магазине электроники.

Как и все операционные усилители и производные от них устройства, LM311 имеет входы с очень высоким импедансом, с максимальным требуемым входным током 300 нА, с типичным значением 100 нА.Время переключения также варьируется в зависимости от условий входа и выхода, но все цифры в таблицах и графиках таблицы данных ниже 200 нс, и даже при больших диапазонах напряжения питания и сигнала наибольшее значение, которое мы нашли в любой литературе, было менее 1 мс для полного размаха. .

На упрощенной схеме показан выход LM311 как N-канальный транзистор с открытыми выводами коллектора и эмиттера. Он может обрабатывать максимум 40 В при 50 мА, что означает, что он может переключать многие реле самостоятельно или использоваться с внешним транзистором для переключения больших нагрузок.

Глядя на функциональную блок-схему на странице 10 таблицы данных, можно увидеть, что на выходе задействовано больше транзисторов и несколько резисторов. Поскольку выход не является действительно плавающим транзистором, нагрузка должна быть привязана к Vcc +, GND или Vcc-, в зависимости от источника питания и требований проекта. Для наших целей выход эмиттера подключается прямо к земле, а нагрузка подключается к коллектору. Хотя есть и другие способы использования этих контактов и причины для сопоставления, они выходят за рамки данной статьи.

На розничном рынке LM311 поставляется в 8-контактном пластиковом корпусе с двойным расположением выводов (DIP). Возможно, удастся найти и версии для поверхностного монтажа, но мы не смогли найти для них австралийского продавца. Существуют и другие пакеты, указанные в таблицах данных, с которыми вы можете столкнуться при поиске, если покупаете не у наших постоянных поставщиков. Обычно они доступны только на коммерческой основе.

Для однорельсового питания вывод Vcc- становится контактом заземления, в то время как контакт Vcc + сохраняет свою роль.Другими выводами, которые могут потребовать дальнейшего объяснения, являются выводы BALANCE и BAL / STRB. Балансирный штифт используется для внешнего смещения неинвертирующего входа. Все производимые устройства имеют степень допуска, с которой мы знакомы по резисторам и транзисторам. LM311 ничем не отличается, а балансирный штифт используется для ручной регулировки, когда происходит пересечение нуля. Хотя хорошо знать, что это делает, в схемах производителей он не используется часто.

Вывод баланса / строба имеет дополнительную функцию — его заземление отключает выход независимо от состояния входа.Это можно использовать как ручную коррекцию для отключения выхода. Хотя мы будем использовать выключатель питания для отключения нашей сборки позже в схеме, вход строба может быть полезен для схем на основе микроконтроллеров, где LM311 может использоваться в качестве цифрового входа.

Как правило, два контакта оставляют неподключенными или закорачивают вместе, чтобы избежать ложного срабатывания.

На практике использовать компаратор довольно просто. На один из входов необходимо подать опорное напряжение, и это обычно делается с помощью делителя напряжения.На другой вход подается контролируемое напряжение. В большинстве приложений опорное напряжение подключается к неинвертирующему входу, а контролируемый сигнал подключается к инвертирующему входу.

Поскольку мы ориентируемся на использование одинарной шины питания, контакт Vcc + подключается к положительной шине питания, а Vcc- подключается к земле или шине 0 В. Эмиттер выхода должен подключаться к земле, а коллектор — к отрицательной стороне нагрузки.Помните, что выход может выдерживать ток 50 мА, поэтому, если ваша нагрузка не ограничена этим или ниже по току, вам нужно будет либо использовать транзистор, либо ограничить ток нагрузки с помощью резистора, если это возможно.

Обратите внимание, что, поскольку выход LM311 представляет собой N-канальный транзистор, существует более одного способа увеличения тока на выходе. На схеме 4A мы использовали транзистор PNP. Отображается текущий поток в ВЫСОКОМ состоянии (выход включен).

На схеме 4B мы использовали транзистор NPN.Как правило, транзисторы NPN не используются в качестве переключателей на стороне высокого напряжения, потому что ток базы должен течь через эмиттер на землю, и это может быть проблематично.

Использование их в качестве переключателя нижнего плеча также может привести к довольно небольшому сопротивлению транзистора в его «включенном» состоянии, что дает несовершенное заземление, если вы включаете или выключаете всю схему с помощью выходного транзистора. Светодиод не будет заботиться, но микроконтроллер или другая чувствительная схема, вероятно, будет. Таким образом, переключатель высокого напряжения подходит для определенных приложений, а транзистор PNP следует использовать для переключателя высокого уровня.

Возможно использование NPN-транзистора в качестве переключателя высокого напряжения. Однако, если в управляемой цепи есть что-то, что означает, что базовый ток не может легко течь на землю, например, в цепи с высоким сопротивлением или с обратной ЭДС от индуктивной нагрузки, транзистор не будет работать правильно.

В прошлом мы использовали транзистор NPN в качестве переключателя высокого напряжения с очень простыми нагрузками с низким сопротивлением, такими как светодиоды. Иногда это делается по редакционным причинам, а не по техническим причинам.

В простых схемах может быть сложно придумать что-то, чего еще не существует, и выполнение таких вещей, как создание переключателя высокого напряжения с NPN, а не PNP транзистора, может помочь избежать слишком большого сходства с уже опубликованным материалом. Так что, хотя вы можете видеть, что это сделано, это не должно быть первым откликом.

* Указано количество, возможна продажа упаковками. Вам также понадобится макетная плата и оборудование для прототипирования, а также блок питания на выбор в пределах допустимого напряжения.Подойдет обычный настольный блок питания или блок питания на 12 В.

Мы собираемся представить очень простую сборку в этом месяце, но мы собираемся модифицировать ее по мере продвижения. Мы будем использовать его, чтобы изучить поведение LM311 с различными конфигурациями входа. Схема будет нашей отправной точкой, а результат останется прежним. Это просто светодиод, который сообщает нам, что происходит. Мы будем использовать LDR в качестве входного датчика, сначала с делителем напряжения с фиксированным резистором, а затем с потенциометром, дающим переменное опорное напряжение.

Сборка особенно проста, потому что мы собираемся использовать то, что узнали, в отдельном проекте. В выпуске №039 наш проект Firefly Light Jar использует LDR с компаратором LM311 для включения светодиодной цепочки, когда уровень окружающего освещения упал до выбранного уровня. Обязательно зацените.

Мы обнаружили, что LDR различаются, поэтому вам может потребоваться изменить номинал резистора R1 в соответствии с требованиями. Наш LDR измерял сопротивление 141 Ом на полном зимнем солнце и более 40 МОм в полной темноте при наличии только подсветки мультиметра в комнате.В тени за окнами в солнечный день мы измерили 850 Ом, а если приложить руку к поверхности LDR в тех же условиях, мы получили 4348 Ом. По этой причине мы сделаем наш делитель напряжения с LDR и резистором 2,4 кОм.

Сначала соедините макетную плату и компоненты, как показано на схеме, и подключите ее.

Обратите внимание, что происходит, когда вы закрываете LDR. Сколько вам нужно покрыть, чтобы схема активировалась? Вам нужно отбросить тень или почти полностью обернуть ее черной лентой? R2 и R3 должны быть одинаковыми по величине, поэтому напряжение на их стыке с неинвертирующим входом составляет половину напряжения питания.

Пришло время внести изменения. Первое изменение будет заключаться в замене делителя напряжения с постоянным резистором на потенциометр. Снимите R2 и R3 и подключите потенциометр как VR1 с одним концом, подключенным к шине питания, другим концом, подключенным к шине заземления, а стеклоочиститель подключен к неинвертирующему входу LM311, контакт 2.

Теперь вы можете настроить опорное напряжение так, чтобы выходной светодиод загорался, когда вы этого хотите. Попробуйте настроить VR1 так, чтобы светодиод включался, а тень на светодиоде отбрасывала, а затем установите его так, чтобы вся цепь находилась в полностью темной комнате, чтобы светодиод мог включиться.

Теперь, когда потенциометр контролирует опорное напряжение, мы можем исследовать, как положение компонентов влияет на схему. Поменяйте местами LDR1 и R1 и посмотрите, как это повлияет на схему. Как далеко и каким образом вам нужно отрегулировать потенциометр, чтобы цепь сработала?

Вернитесь к исходной конфигурации LDR1 и R1, но подключите соединение LDR1 и R1 к неинвертирующему входу, а стеклоочиститель потенциометра — к инвертирующему входу.Как теперь ведет себя схема?

Теперь, когда у вас была возможность поэкспериментировать и изучить поведение LM311, вы сможете лучше решить, как использовать его в проектах. Конечно, мы исследовали LDR только как датчик, но все, что работает в пределах входного напряжения, будет работать. Пьезоизмерительный датчик силы, датчик Холла, датчик приближения с ИК-светодиодом — все они могут использоваться с LM311. Возраст устройства имеет некоторые ограничения, но для большинства производителей они не имеют большого значения, если вообще имеют значение.В сочетании с доступностью без рецепта, LM311 по-прежнему остается универсальным и полезным устройством для производителя.

Не забывайте в ближайшем будущем следить за нашим проектом Firefly Light Jar, основанным на схеме, которую мы изучали в этом выпуске Класса.

Компаратор операционных усилителей

| Основы электроники

Что такое операционные усилители?

Операционные усилители

(операционные усилители) — это дифференциальные усилители, которые усиливают дифференциальное напряжение между положительным (+) / отрицательным (-) входными контактами и характеризуются высоким входным сопротивлением, низким выходным сопротивлением и высоким коэффициентом усиления при разомкнутой цепи.

Каждая цепь состоит из 5 клемм: положительный источник питания, отрицательный источник питания, + вход, — вход и выход.

* Как правило, названия контактов источника питания, входа и выхода не стандартизированы

Операционные усилители требуют высокого входного сопротивления (импеданса) и низкого выходного сопротивления. На рисунке ниже (модель усилителя с источником напряжения с регулируемым напряжением) соотношение между входным и выходным напряжением выражается следующей формулой:

Чтобы лучше понять диаграмму и формулу выше:

В _с ： Источник входного сигнала
R _с ： Выходное сопротивление источника сигнала
R _i ： Входное сопротивление
R _o ： Выходное сопротивление
R _L ： Сопротивление нагрузки
A _v ： Коэффициент усиления

Напряжение сигнала V _s делится делителем напряжения на основе сопротивления источника сигнала R _s и входного сопротивления операционного усилителя R _i , при этом ослабленный сигнал поступает в операционный усилитель.

Однако, когда R _i достаточно велико по сравнению с R _s (R _i = ∞), первый член уравнения может быть приближен к 1 и рассматриваться как Vs = Vi.

Что касается второго члена, усиленное входное напряжение A _v V _i делится и выводится на основе выходного сопротивления операционного усилителя R _o и сопротивления нагрузки R _L .
В это время, когда R _o значительно меньше, чем R _L (R _o = 0), второй член может быть приближен к 1, и вы увидите, что сигнал может выводиться без ослабления.

Операционные усилители этого типа считаются идеальными операционными усилителями. Обычные операционные усилители сконфигурированы так, чтобы быть максимально приближенными к идеальным операционным усилителям, с высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением.

Следовательно, для операционного усилителя выгодно иметь высокий коэффициент усиления.
Причина может быть объяснена «Цепью повторителя напряжения».
Цепь повторителя напряжения — это цепь, в которой входное и выходное напряжения равны. Он в основном используется в качестве буфера напряжения с высоким входным сопротивлением и низким выходным сопротивлением, а V _с = V _OUT .

Операционные усилители

усиливают дифференциальное напряжение на основе коэффициента усиления операционного усилителя, при этом выходное напряжение выражается следующим образом.

Следовательно,

Когда открытый коэффициент усиления A _v операционного усилителя достаточно велик, левая часть может быть приближена к 0, и V _s = V _OUT .
Если коэффициент усиления низкий, левая часть уравнения не может быть приближена к 0, и при выходном напряжении возникнет ошибка.
Для достижения высокого коэффициента усиления при открытии ошибка выходного напряжения должна быть как можно меньше на основе этого коэффициента усиления.
Другой способ взглянуть на это состоит в том, что минимизация разности потенциалов между инвертирующим (-) и неинвертирующим (+) входами увеличит коэффициент открытия. Это означает, что чем больше увеличивается коэффициент усиления при открытии, существует соотношение V _{IN +} = V _IN-. Это соотношение, при котором контакты + Input и -Input практически равны, называется виртуальным коротким или воображаемым замыканием (или воображаемым / виртуальным заземлением).

Обратите внимание, что эта взаимосвязь существует при настройке и использовании цепей отрицательной обратной связи и проектировании цепей приложений с использованием характеристик виртуального заземления.

Что такое компараторы?

Компараторы

имеют ту же конфигурацию контактов, что и операционные усилители: контакты + вход, — вход, положительное питание, отрицательное питание и выходные контакты. Однако с компараторами один из входных контактов используется в качестве опорного вывода (с фиксированным напряжением), и разница в напряжении между этим опорным значением и напряжением, подаваемым на другой входной вывод, усиливается, что приводит к высокому или низкому уровню выход.

+ Потенциал входного контакта> -Потенциал входного контакта = Высокий выход
-Потенциал входного контакта> + Потенциал входного контакта = Низкий уровень выхода

Основное различие между операционными усилителями и компараторами заключается в наличии / отсутствии емкости фазовой компенсации.Операционные усилители требуют емкости с фазовой компенсацией для предотвращения внутренних колебаний, особенно при настройке цепей отрицательной обратной связи.

Напротив, компараторы (которые не используются для конфигурирования цепей отрицательной обратной связи) не имеют внутренней емкости фазовой компенсации. В результате, поскольку время отклика между входом и выходом будет ограничено (из-за емкости фазовой компенсации), компараторы обычно обеспечивают лучший отклик по сравнению с операционными усилителями.

Другими словами, при использовании операционных усилителей в качестве компараторов чувствительность будет намного хуже из-за емкости фазовой компенсации, включенной в операционные усилители.Поэтому рекомендуется соблюдать осторожность при замене компараторов на операционные усилители.

ROHM предлагает операционные усилители и компараторы всех типов, такие как биполярные, CMOS, с датчиком заземления, двойным питанием, низким уровнем шума и полным ходом ввода / вывода, для удовлетворения различных потребностей.

Операционный усилитель — Компаратор постоянного напряжения

Я собираюсь создать простую схему сравнения постоянного напряжения, которая выводит высокий или низкий логический уровень в зависимости от входа, например, когда он поднимается выше 2 В.

Исходя из моего, по общему признанию, элементарного понимания операционных усилителей, если я помещаю свой входной сигнал на Vin, источник 2 В на Vref, источник 5 В на Vcc + и землю Vcc-, Vout должен выводить от 0 до 5 В.

Что меня смутило, так это то, что во всех примерах, которые я видел с этой установкой, Vcc +/- всегда равны, но противоположны (т.е. + 5V и -5V). Можно ли добиться этого эффекта с заземлением Vcc, или я неправильно понимаю, как работает эта схема?

Спасибо за вашу помощь.

---

Уточнение — Итак, чтобы подвести итог моему проекту в целом, я пытаюсь добавить функциональность «Turbo Button» к старому Sega Nomad (портативная версия Sega Genesis / Mega Drive 90-х).«Турбо-режим» был функцией некоторых контроллеров сторонних производителей; при включении вы можете удерживать кнопку спускового крючка (A / B / C / X / Y / Z), и система будет действовать так, как если бы вы быстро и многократно нажимали ее (хорошо для стрелков, у которых «затирание» кнопки огня приведет к срабатыванию быстрее, чем просто удерживать кнопку нажатой).

Обратите внимание, что я не смог точно подтвердить, как работают оригинальные контроллеры турбо; Информации в Интернете мало, и все три контроллера, которыми я владею (все от разных производителей), используют микросхемы на плате, так что внутри ничего не видно, кроме большой капли эпоксидной смолы.

Чтобы быстро объяснить элементы управления системы, всего 12 кнопок (4-позиционная крестовина, 6 «триггеров» (A / B / C / X / Y / Z), START и MODE), которые представляют собой простые мембранные. кнопки, замыкающие соответствующие сигнальные линии на массу. Эти сигнальные линии подаются в мультиплексор, у которого есть линия «выбора», на которую ЦП посылает импульсы один или три раза за кадр, в зависимости от игры. Genesis изначально выпускался с 3-кнопочным контроллером (A / B / C), но в конце его жизни был обновлен контроллер с 6-ю кнопками (A / B / C / X / Y / Z), которые использовали три импульса выбора. .Кнопка РЕЖИМ была включена в небольшую горстку игр, в которых были проблемы с совместимостью с 6-кнопочным контроллером; удерживая ее при запуске, контроллер перейдет в трехкнопочный режим. Это важно, потому что кнопка MODE в остальном не используется и, таким образом, является свободной сигнальной линией для моддеров.

В моем оригинальном дизайне на каждой кнопке используется SPDT-переключатель для индивидуального включения / выключения турбо-режима; одна ножка переключателя подключается к земле для нормальной работы кнопки, другая ножка подключается к земле через аналоговую ИС переключателя, управляемую линией выбора мультиплексора через T-триггер.Импульс строки выбора должен переключать триггер, открывая / закрывая аналоговый переключатель через каждые два кадра, таким образом «нажимая» кнопку настолько быстро, насколько это возможно для системы:

Я еще не тестировал эту идею, но она кажется вполне разумной. Я заказал дешевый осциллограф и должен получить его в ближайшее время, чтобы я мог проверить строку выбора мультиплексора (Nomad использует для него проприетарный чип, поэтому таблица данных недоступна — все, что мне нужно, это распиновка).

Проблема с этой конструкцией — физические переключатели SPDT: я не хочу вырезать дыры в системе и иметь кучу уродливых переключателей, торчащих наружу.Моя временная идея состоит в том, чтобы использовать аналоговые ИС переключателя SPDT и переключать турбо-режим каждой кнопки с помощью комбинации существующих кнопок системы; т.е. MODE и соответствующая кнопка запуска (A / B / C / X / Y / Z). Я могу использовать логический вентиль ИЛИ-НЕ, чтобы определить, когда кнопки нажаты (обе линии станут низкими), но проблема в том, что как только турбо-режим включен, линия триггерной кнопки будет подключена к часам, и пульсация немедленно отключит турбо-режим сразу же, так как пользователь не сможет надежно нажать кнопку в течение достаточно короткого периода времени (при 60FP это будет прямоугольная волна с частотой 50% рабочего цикла 30 Гц).

Примерная идея, которая у меня есть, состоит в том, чтобы преобразовать тактовый сигнал в устойчивый логический высокий / низкий уровень, прежде чем он попадет на вентиль NOR (на основе этого сообщения с аналогичной проблемой), чтобы предотвратить его немедленное переключение в турбо-режим. Ниже приведен эскиз решения WIP, но это неправильно, после «преобразователя часов» должен быть инвертор, поскольку он передает высокий логический уровень при нажатии A … Я все еще работаю над этим.

Даже если это действительно работает, это действительно не идеальное решение.Он добавляет много дополнительных деталей, если вы считаете, что его необходимо продублировать для всех 6 кнопок триггера … Если бы я мог найти SPDT IC, который имеет встроенную функцию переключения (вместо того, чтобы требовать непрерывного сигнала, чтобы оставаться закрытым) , Я мог бы убрать все триггеры и значительно уменьшить количество компонентов, но пока ничего подобного не нашел.

Компараторы напряжения | Ньюарк

LM211DT

46AC0951

Аналоговый компаратор, Rail-to-Rail, напряжение, 1 компаратор, 200 нс, от 5 В до ± 15 В, SOIC, 8 контактов СТМИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Каждый (поставляется на отрезанной ленте)

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

1 компаратор

200 нс

От 5 В до ± 15 В

SOIC

8 контактов

Открытый коллектор

-40 ° С

105 ° С

—

—

LM111J-8

29Ah2085

КОМПАРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ, ОДИНОЧНЫЙ, ДИП-8 ТЕХАС ИНСТРУМЕНТЫ

Каждый Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

1 компаратор

200 нс

От 5 В до 36 В

ОКУНАТЬ

8 контактов

Открытый коллектор, открытый слив

-55 ° С

125 ° С

—

—

TS391RILT

18AC7854

Аналоговый компаратор, напряжение, 1 компаратор, 1.3 мкс, от 2 В до 36 В, от ± 1 В до ± 18 В, SOT-23, 5 контактов СТМИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Каждый (поставляется на отрезанной ленте) Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

1 компаратор

1.3 мкс

От 2 до 36 В, от ± 1 до ± 18 В

СОТ-23

5 контактов

Открытый коллектор

-40 ° С

125 ° С

—

AEC-Q100

LM311MX / NOPB

28Ah4283

КОМПАРАТОР, НАПРЯЖЕНИЕ, 0.2US, SOIC-8 ТЕХАС ИНСТРУМЕНТЫ

Каждый (поставляется на отрезанной ленте) Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

1 компаратор

200 нс

От 5 В до 36 В

SOIC

8 контактов

Открытый коллектор, открытый слив

0 ° C

70 ° С

—

—

LM6511IM / NOPB

28Ah4592

IC, КОМПАРАТОР 180 NS 3V 8-SO ТЕХАС ИНСТРУМЕНТЫ

Каждый Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

1 компаратор

180 нс

2.От 5 В до 30 В

SOIC

8 контактов

КМОП, МОП, открытый коллектор / сток, TTL

-40 ° С

85 ° С

—

—

LMV339IPT

69AH0617

КОМПАРАТОР, 0.2US, -40 ДО 85 ° C СООТВЕТСТВУЮТ ROHS: ДА СТМИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Каждый (поставляется на отрезанной ленте) Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ 5 шт. Только кратное 5 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 5 Mult: 5

Напряжение

4 компаратора

0.2 мкс

От 2,7 В до 5 В

ЦСОП

14 контактов

Открытый сток

-40 ° С

85 ° С

—

—

LM211DT

94W8293

КОМПАРАТОР, +/- 30VIN, 0.05А, 8СОИК СТМИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Каждый (поставляется на полной катушке) Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ 2500 шт. Только кратные 2500 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 2500 Mult: 2500

Напряжение

1 компаратор

200 нс

От 5 В до ± 15 В

SOIC

8 контактов

Открытый коллектор

-40 ° С

105 ° С

—

—

LM139DT

18AC7417

Аналоговый компаратор, напряжение, 4 компаратора, 1.3 мкс, от 2 до 32 В, от ± 1 до ± 16 В, SOIC, 14 контактов СТМИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Каждый (поставляется на отрезанной ленте) Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

4 компаратора

1.3 мкс

От 2 до 32 В, от ± 1 до ± 16 В

SOIC

14 контактов

Открытый коллектор

-55 ° С

125 ° С

—

—

LMV339IDT

69AH0616

КОМПАРАТОР, 0.2US, -40 ДО 85 ° C СООТВЕТСТВУЮТ ROHS: ДА СТМИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Каждый (поставляется на отрезанной ленте) Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ 5 шт. Только кратное 5 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 5 Mult: 5

Напряжение

4 компаратора

0.2 мкс

От 2,7 В до 5 В

SOIC

14 контактов

Открытый сток

-40 ° С

85 ° С

—

—

BU5265HFV-TR

01AH6968

КОМПАРАТОР, 500 НС, -40 ДО 85 ° C ROHM

Каждый (поставляется на отрезанной ленте) Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

1 компаратор

500 нс

1.От 8 В до 5,5 В, от ± 900 мВ до ± 2,75 В

HVSOF

5 контактов

Тяни-Толкай

-40 ° С

85 ° С

—

—

BA2903YFV-CE2

78Y7176

Аналоговый компаратор, AEC-Q100, датчик заземления, напряжение, 2, 1.3 мкс, от 2 до 36 В, от ± 1 до ± 18 В, SSOP, 8 ROHM

Каждый Доступно в указанном количестве

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

2 Компараторы

1.3 мкс

От 2 до 36 В, от ± 1 до ± 18 В

SSOP

8 контактов

Открытый коллектор

-40 ° С

125 ° С

AEC-Q100

—

LM193DT

18AC7418

Аналоговый компаратор, напряжение, 2 компаратора, 1.3 мкс, от 2 В до 36 В, от ± 1 В до ± 18 В, SOIC, 8 контактов СТМИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Каждый (поставляется на отрезанной ленте) Доступно в указанном количестве

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

2 Компараторы

1.3 мкс

От 2 до 36 В, от ± 1 до ± 18 В

SOIC

8 контактов

Открытый коллектор

-55 ° С

125 ° С

—

AEC-Q100

BA2901YF-CE2

78Y7172

Аналоговый компаратор, напряжение, 4 компаратора, 1.3 мкс, от 2 В до 36 В, от ± 1 В до ± 18 В, SOP, 14 контактов ROHM

Каждый Доступно в указанном количестве

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

4 компаратора

1.3 мкс

От 2 до 36 В, от ± 1 до ± 18 В

СОП

14 контактов

Открытый коллектор

-40 ° С

125 ° С

AEC-Q100

—

BA2903YF-CE2

78Y6303

Аналоговый компаратор, AEC-Q100, датчик заземления, напряжение, 2, 1.3 мкс, от 2 В до 36 В, от ± 1 В до ± 18 В, SOP, 8 контактов ROHM

Каждый Доступно в указанном количестве

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

2 Компараторы

1.3 мкс

От 2 до 36 В, от ± 1 до ± 18 В

СОП

8 контактов

Открытый коллектор

-40 ° С

125 ° С

—

—

BA2903YFVM-CTR

78Y7177

Аналоговый компаратор, AEC-Q100, датчик заземления, напряжение, 2, 1.3 мкс, от 2 до 36 В, от ± 1 до ± 18 В, MSOP, 8 ROHM

Каждый Доступно в указанном количестве

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

2 Компараторы

1.3 мкс

От 2 до 36 В, от ± 1 до ± 18 В

MSOP

8 контактов

Открытый коллектор

-40 ° С

125 ° С

AEC-Q100

—

LM239ADT

33R0194

Аналоговый компаратор, счетверенный, напряжение, 4, 1.3 с, от 1 В до 18 В, SOIC, 14 Соответствие RoHS: Да СТМИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Каждый (поставляется на отрезанной ленте) Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ 5 шт. Только кратное 5 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 5 Mult: 5

Напряжение

4 компаратора

1.3 мкс

От ± 1 В до ± 18 В

SOIC

14 контактов

CMOS, DTL, ECL, MOS, TTL

-40 ° С

105 ° С

—

—

LM311DT

08AC2764

КОМПАРАТОР, ОДИНОЧНЫЙ, 200НС, SOIC-8 СТМИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Каждый (поставляется на отрезанной ленте) Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ 5 шт. Только кратное 5 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 5 Mult: 5

Напряжение

1 компаратор

200 нс

От 5 В до ± 15 В

SOIC

8 контактов

Открытый коллектор

0 ° C

70 ° С

—

—

LM2901M

64Ah4831

КОМПАРАТОР QUAD, SMD, 2901, SOIC14 ТЕХАС ИНСТРУМЕНТЫ

Каждый Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

4 компаратора

1.3 мкс

От 2 до 36 В, от ± 1 до ± 18 В

SOIC

14 контактов

Открытый коллектор

-40 ° С

85 ° С

—

—

TPS3701DDCT

33AH5207

СТЕКЛО КОМПАРАТОР, ДВОЙНОЙ, СОТ-23-6 ТЕХАС ИНСТРУМЕНТЫ

Каждый (поставляется на отрезанной ленте) Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

2 Компараторы

155 мкс

1.От 8 В до 36 В

СОТ-23

6 контактов

Открытый сток

-40 ° С

125 ° С

—

—

TPS3700DSET

28AH5807

IC, КОМПАРАТОР, 1 КАНАЛ, 29 США, WSON-6 ТЕХАС ИНСТРУМЕНТЫ

Каждый (поставляется на отрезанной ленте) Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

2 Компараторы

29 мкс

1.От 8 В до 18 В

WSON

6 контактов

Открытый сток

-40 ° С

125 ° С

—

—

TPS3700DDCT

28AH5806

КОМПАРАТОР, UV / OV DET, 18VIN, 6SOT23 ТЕХАС ИНСТРУМЕНТЫ

Каждый (поставляется на отрезанной ленте) Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

2 Компараторы

—

1.От 8 В до 18 В

СОТ-23

6 контактов

Открытый сток

-40 ° С

125 ° С

—

—

LM311DT

94W8316

Аналоговый компаратор, Rail-to-Rail, напряжение, 1, 200 нс, от 5 В до 15 В, SOIC, 8 Соответствие RoHS: Да СТМИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Каждый (поставляется на полной катушке) Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ 2500 шт. Только кратные 2500 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 2500 Mult: 2500

Напряжение

1 компаратор

200 нс

От 5 В до ± 15 В

SOIC

8 контактов

Открытый коллектор

0 ° C

70 ° С

—

—

LM397MFX / NOPB

28Ah4404

КОМПАРАТОР, ОТКРЫТЫЙ КОЛЛЕКТОР, СОТ-23-5 ТЕХАС ИНСТРУМЕНТЫ

Каждый (поставляется на отрезанной ленте) Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ от 1 шт. Только кратное 1 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 1 Mult: 1

Напряжение

1 компаратор

440 нс

От 5 В до 30 В, ± 2.От 5 В до ± 15 В

СОТ-23

5 контактов

Открытый коллектор

-40 ° С

85 ° С

—

—

LM239ADT

45Y5401

Аналоговый компаратор, счетверенный, напряжение, 4, 1.3 с, от 1 В до 18 В, SOIC, 14 Соответствие RoHS: Да СТМИКРОЭЛЕКТРОНИКА

Каждый (поставляется на полной катушке) Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ 2500 шт. Только кратные 2500 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 2500 Mult: 2500

Напряжение

4 компаратора

1.3 мкс

От ± 1 В до ± 18 В

SOIC

14 контактов

CMOS, DTL, ECL, MOS, TTL

-40 ° С

105 ° С

—

—

TPS3700DDCT

33AH5206

КОМПАРАТОР, UV / OV DET, 18VIN, 6SOT23 ТЕХАС ИНСТРУМЕНТЫ

Каждый (поставляется на полной катушке) Доставка в течение 2-4 рабочих дней с нашего склада в Великобритании для товаров, имеющихся в наличии.

Запрещенный товар Минимальный заказ 250 шт. Только кратные 250 Пожалуйста, введите действительное количество Добавлять Мин .: 250 Mult: 250

Напряжение

2 Компараторы

—

1.От 8 В до 18 В

СОТ-23

6 контактов

Открытый сток

-40 ° С

125 ° С

—

—

Измерение производительности компаратора; Разница между компараторами и операционными усилителями

Компаратор, как следует из названия, сравнивает два напряжения или тока и определяет, какое из них выше.Обычная реализация — с двумя входами для напряжений, которые должны сравниваться, и одним выходом, который посредством высокого или низкого логического состояния указывает на более высокий из двух входов.

Обычно компаратор сравнивает переменное напряжение со стабильным опорным напряжением. Во многих устройствах опорное напряжение встроено в микросхему. Также доступны ИС с диапазоном эталонных напряжений.

Компараторы могут быть непрерывными или синхронизированными. Компаратор непрерывного действия считывает входные данные и сообщает результаты в режиме реального времени.Когда состояние входа изменяется, выход обновляется более или менее мгновенно. (Во многих приложениях скорость имеет значение.) Тактовые (также называемые фиксированными или динамическими) компараторы используются, когда выходы требуются только в дискретных временных интервалах, как в аналого-цифровых преобразователях (АЦП). Преимущество такой схемы состоит в том, что потребляемая мощность ниже, а точность выше.
. Компараторы
широко используются во многих приложениях. В АЦП компаратор работает как дигитайзер, когда он определяет, находится ли напряжение на входе выше или ниже заранее определенного порога.Эта операция совместно с другими устройствами выполняет многобитовое квантование, как в цифровом стробоскопическом осциллографе. Осцилляторы релаксации используют как положительную обратную связь с триггером Шмидта, так и отрицательную обратную связь, вносимую RC-цепью, поэтому компаратор становится нестабильным мультивибратором и, следовательно, жизнеспособным генератором. В детекторах перехода через ноль используется компаратор для определения того, когда импульс переменного тока меняет полярность, поэтому компаратор выдает прямоугольный сигнал. В детекторах нуля компаратор определяет момент времени, когда на входе ноль вольт.

Так же, как бытовая печь или водонагреватель, схема компаратора должна иметь гистерезис для предотвращения неконтролируемых циклов при переходах. Это связано с небольшими колебаниями напряжения, вызванными шумом на входах внутри устройства и изменениями нагрузки. Вместо одного перехода существует два перехода: один для повышения напряжения, а другой — для падения. Современные компараторы имеют встроенный гистерезис в диапазоне низких милливольт. Если внутренний гистерезис отсутствует или слишком мал для предполагаемого применения, может быть предусмотрена внешняя сеть гистерезиса, состоящая из положительной обратной связи от выхода к неинвертирующему входу.Если добавлен гистерезис, компаратор не будет работать в измененном диапазоне гистерезиса.

Если вы посмотрите схемы компаратора и операционного усилителя (ОУ), то увидите, что внешне они эквивалентны. Оба имеют дифференциальные входы с одним выходом. Итак, учитывая низкую стоимость операционного усилителя и гибкую упаковку, почему бы не использовать его там, где предлагается более дорогой компаратор?

Оба устройства имеют инвертирующие и неинвертирующие входы и один выход, который может быть высоким или низким.И оба имеют низкое смещение, высокое усиление и благоприятное подавление синфазных помех. Однако между ними есть некоторые важные различия, и они определяют, когда операционный усилитель можно использовать, а когда нельзя использовать в приложении компаратора.

Оба устройства принимают к сведению входы одинаково, определяя относительные значения, но формируют выходы по-разному.

Логический выход компаратора может быть TTL или CMOS-совместимым, и это указывает, какой из двух входов имеет более высокий уровень напряжения.Для этого выход компаратора быстро переходит на V + или V-, другими словами, прямо на одну из направляющих.

Напротив, на операционном усилителе повышается или понижается, но не обязательно полностью до напряжения источника питания. Однако выходы большинства операционных усилителей довольно близки к V + и V-. Компараторы — это системы с разомкнутым контуром, способные управлять логическими схемами и работающие быстро независимо от того, перегружены ли они. Напротив, операционные усилители не предназначены для перегрузки. Это системы с обратной связью, рассчитанные только на резистивные и реактивные нагрузки.

Из-за их удобства и экономичности операционные усилители были заменены в некоторых низкоскоростных приложениях, но никогда, когда требуется высокая скорость.

Входы компаратора аналоговые, но выход полностью цифровой. Поскольку выход напрямую управляет цифровой логикой, необходимо ограничить его, чтобы он соответствовал семейству цифровых логических схем. (Альтернативный сценарий заключается в том, что он управляет нагрузкой включения-выключения, такой как механический или твердотельный переключатель или, возможно, относительно сильноточный светодиод.)

С этой целью выход компаратора может быть изменен с помощью внешней схемы. Помимо rail-to-rail, есть несколько возможностей: плавающий, открытый сток, открытый коллектор, логика CMOS, логика TTL, логика CMOS с контактом заземления и логика TTL с контактом заземления. Выбор во многом зависит от желаемой скорости и требуемой мощности. Выходной ток имеет решающее значение, если компаратор не должен управлять исключительно цифровой логикой. Для светодиодных и релейных приложений подходят сильноточные полевые МОП-транзисторы и транзисторы Дарлингтона.

Входные напряжения должны оставаться в пределах рабочего диапазона, который сильно различается для разных компонентов. Если компаратор предназначен для работы с одним источником низкого напряжения в диапазоне от 3 до 5 В, входы могут быть заземлены или немного ниже.

Одним из важных входных параметров является входное напряжение смещения. Это дифференциальное входное напряжение, необходимое для переключения компаратора. Входное напряжение смещения, часто обозначаемое как V _IO , ограничивает разрешающую способность компаратора.

T _IO и T _{Отключение} определяют смещение входа и точки срабатывания выхода компаратора.

Производители компараторов рекомендуют измерять V _IO и напряжение точки срабатывания VTrip, используя схему, показанную рядом. Источник постоянного тока устанавливает синфазное напряжение V _ICM . Сигнал треугольника подается обычно через делитель напряжения, чтобы получить хорошую точность показаний осциллографа V _IO . Сигнал треугольника имеет относительно низкую скорость, около 20 Гц, чтобы избежать ошибок из-за задержек распространения.Когда выход меняет состояние, фактическое входное напряжение V _IN считывается из осциллографа. Тогда V _IO = V _IN / значение делителя напряжения. Если делитель напряжения, скажем, 1/101, то V _IO = V _IN /101.

Тестовая схема для измерения входного смещения компаратора и напряжений отключения, предложенная производителем компаратора STMicroelectronics.

Обратите внимание, что щупы осциллографа и заземление генератора сигналов находятся на инвертирующем входном контакте компаратора.Вот почему источники питания V _ICM и V _CC должны быть либо заземлены, либо подключены к изолирующему трансформатору.

Напряжение питания варьируется в широком диапазоне. Входы должны оставаться в пределах рабочего диапазона синфазного режима. Некоторые биполярные компараторы могут выдерживать напряжение 36 В, и они известны как компараторы высокого напряжения. По мере повышения требований к скорости допустимая мощность снижается. Вот почему некоторые компараторы предпочитают средний диапазон от 10 до 15 В, в то время как некоторые КМОП-компараторы с однополярным питанием подключаются к напряжению не более 6 В.

Скорость снижена из-за задержки распространения. Поскольку компаратор по сути является усилителем слабого сигнала, его характеристики усиления на высоких частотах определяют скорость переключения. Насыщение, вызванное перегрузкой сигнала, замедляет цепь. Это явление в основном возникает из-за объединения внутренней емкости и сопротивления для создания значительных постоянных времени. Если приложение не требует скорости, не следует использовать высокоскоростные компараторы, чтобы избежать усугубления проблем гистерезиса.

Производитель компараторов STMicroelectronics предлагает использовать подобную схему для измерения задержки распространения компаратора.

Можно измерить задержку распространения компаратора с помощью осциллографа. Рядом показана одна такая установка от производителя компаратора STM. Один источник постоянного тока служит для смещения V _CC , второй — для напряжения V _ICM . Если измерение происходит при V _ICM = 0 В, источник можно удалить, а инвертирующий контакт напрямую подключить к земле.

Для поддержания низкого импеданса источника и предотвращения паразитных колебаний во время переключения, байпасный конденсатор 100-
нФ устанавливается рядом с положительным выводом питания V _CC + компаратора.
Второй байпасный конденсатор обычно подключается к входному выводу компаратора I _IN — когда есть источник V _ICM . Резистор 50 Ом сводит к минимуму влияние емкости входного контакта, сводя к минимуму отражение сигнала.

Условия измерения должны быть четко определены, особенно емкость нагрузки C _{НАГРУЗКА} , которая сильно влияет на скорость фронта выходного сигнала. То же самое для значения T _PD (измерено при 50% от V _OUT ). C _{НАГРУЗКА} представляет общую емкостную нагрузку
на выходе компаратора, включая нагрузочный конденсатор, емкость пробника осциллографа
и паразитную емкость дорожки печатной платы.

Обратите внимание, что многие генераторы импульсов не могут обеспечить точную амплитуду сигнала, особенно для низкого выходного напряжения. Создание перегрузки 5 мВ может быть затруднено, потому что такое значение часто ниже точности генератора. Таким образом, для небольших измерений перегрузки точность может быть улучшена за счет использования аттенюатора 50 Ом (делительный мост) вместо одного резистора 50 Ом и увеличения амплитуды генератора.

Выходы компаратора близки либо к нулю, либо к напряжению питания. Вот почему они могут быть указаны для надежной работы с семействами логики TTL или CMOS.Выход с общим эмиттером характеризует биполярный компаратор типа Rail-to-Rail, поэтому между выходом и двумя шинами имеется небольшое падение напряжения. Он равен потенциалу коллектор-эмиттер насыщенного транзистора.

Компараторы могут быть двухтактными или открытыми, в зависимости от их выходов. Если выходной каскад является открытым стоком, к положительному источнику питания подключается внешний подтягивающий резистор, устанавливающий высокое логическое напряжение. В двухтактных конфигурациях нет подтягивающего резистора, и ток также может быть источником, в отличие от поведения схемы с открытым стоком.

Источник фиксированного опорного напряжения и входное напряжение могут подаваться на любой из входов компаратора, и это будет определять обнаруживаемое положительное или отрицательное входное напряжение. Если входы поменяны местами, выходной сигнал будет инвертирован. Соответственно, компаратор может быть подключен для работы в инвертирующем или неинвертирующем режиме. Когда входной сигнал более отрицательный, чем опорный сигнал, на выходе высокий логический уровень. Эта конфигурация известна как компаратор отрицательного напряжения.

Поскольку сигнальное и опорное напряжение могут быть подключены к любому из входов, может быть получен инвертирующий или неинвертирующий выход. Две противоположные конфигурации компаратора могут быть связаны для создания так называемой схемы оконного компаратора. В этой реализации оконный компаратор ищет входы, которые находятся в диапазоне напряжений, и выход указывает это состояние. Создаются верхний и нижний пороги.

Кроме того, из оконного компаратора можно построить детектор уровня напряжения на основе компаратора.Сеть делителей напряжения обеспечивает различные входы напряжения для некоторого количества компараторов, выход каждого из которых подключен к отдельному светодиоду. Сопротивления можно выбрать так, чтобы компараторы и светодиоды могли обнаруживать и отображать дискретные уровни напряжения.

Выходные каскады компаратора

работают в насыщенных областях, поэтому они работают хорошо как АЦП, и это, пожалуй, их самое важное применение, как мы видим в цифровом стробоскопическом осциллографе. Добавление положительной обратной связи между выходом и входом позволяет избежать непредсказуемого поведения.

.