Схема компаратор на операционном усилителе: портал и журнал для разработчиков электроники — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 25

21 августа 2019

автоматизацияTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемы

Тим Грин, Пит Семиг, Колин Веллс (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI). Поваренная книга – сборник рецептов, а данный цикл статей – сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах каталога компании КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы операционных усилителей. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Компаратор с гистерезисом и без гистерезиса

Исходные данные для расчета представлены в таблицах 74 и 75.

Таблица 74. Исходные данные для расчета компаратора

Вход		Выход		Питание
V_iMin	V_iMax	V_oMin	V_oMax	V_cc	V_ee	V_ref
0 В	5 В	0 В	5 В	5 В	0 В	5 В

Таблица 75. Пороговые значения

Нижний порог переключения V_L	Верхний порог переключения V_H	V_H – V_L
2,3 В	2,7 В	0,4 В

Описание схемы

Компараторы используются, чтобы сравнить два входных сигнала и сформировать выходной сигнал в зависимости от того, какой из входных сигналов больше (рисунок 84). Шум или дребезг входных сигналов могут привести к множественным переключениям компаратора. Для борьбы с такими переключениями используется гистерезис, устанавливающий верхнюю и нижнюю границу переключения.

Рис. 84. Схемы компараторов с гистерезисом (слева) и без гистерезиса (справа)

Рекомендуем обратить внимание:

следует использовать компаратор с минимальным собственным током потребления;
точность задания пороговых значений гистерезиса определяется точностью номиналов резисторов;
задержка срабатывания определяется параметрами используемого компаратора.

Порядок расчета компаратора с гистерезисом

Выбираем значение резистора R1 = 100 кОм. Значения пороговых напряжений были определены в таблице исходных данных (таблица 74): V_L = 2,3 В, V_H = 2,7 В.
Рассчитаем R2 по формуле 1:

$$R_{2}=\frac{V_{L}}{V_{CC}-V_{H}}\times R_{1}=\frac{2.3\:В}{5\:В-2.7\:В}\times 100\:кОм=100\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Рассчитаем R3 по формуле 2:

$$R_{3}=\frac{V_{L}}{V_{H}-V_{L}}\times R_{1}=\frac{2.3\:В}{2.7\:В-2.3\:В}\times 100\:кОм=576\:кОм\:(номинал)\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Проверяем полученное значение гистерезиса, согласно формуле 3:

$$V_{H}-V_{L}=\frac{R_{1}\times R_{2}}{R_{1}\times R_{3}+R_{3}\times R_{2}+R_{1}\times R_{2}}\times V_{CC}=0.399\:В\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Порядок расчета компаратора без гистерезиса

Выбираем пороговое значение V_th = 2,5 В.
Выбираем значение резистора R4 = 100 кОм.
Рассчитываем R5 по формуле 4:

$$R_{5}=\frac{V_{th}}{V_{CC}-V_{th}}\times R_{4}=\frac{2.5\:В}{5\:В-2.5\:В}\times 100\:кОм=100\:кОм\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Моделирование схемы

Временные диаграммы работы схемы представлены на рисунках 85 и 86.

Рис. 85. Временные диаграммы работы схемы: шум присутствует только в начальный короткий интервал времени 0…120 мкс

Рис. 86. Увеличенная осциллограмма напряжений: интервал 40…110 мкс

TLV3201
V_сс	2,7…5,5 В
V_inCM	V_ee – 200 мВ…V_сс + 200 мВ
V_out	V_ee + 230 мВ…V_cc – 210 мВ (при 4 мА)
V_os	1 мВ
I_q	40 мкА
I_b	1 пА
UGBW	–
SR	–
Число каналов	1, 2

Наименование
TLV3201AIDBVR (TI)
TLV3201AIDCKT (TI)
TLV32012KIDBTRG4 (TI)
TLV3201AIDBVT (TI)
TLV3201AQDCKRQ1 (TI)
TLV32014KIDBTRG4 (TI)
TLV3201AIDCK (TI)
TLV3201AIDBV (TI)
TLV3201AIDCKR (TI)

Простейшие компараторы на операционных усилителях

Kомпараторы на операционных усилителях

В описанных выше схемах в зависимости от характера управляющего сигнала осуществлялась

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

Рис. 14.5. Простейшая схема компаратора

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

Передаточная характеристика такого компаратора изображена на рис. 14.6. Благодаря высокому коэффициенту усиления схема переключается при очень малой величине разности напряжений U₁ – U₂, поэтому она пригодна для сравнения двух напряжений с высокой точностью.

Рис. 14.6. Передаточная характеристика компаратора

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

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

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

Рис. 14.7. Суммирующий компаратор

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

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

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

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

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

Схема представляет собой разновидность компаратора, изображенного на рис. 14.5. Когда выходное напряжение достигает значения ±(U_Z + 0,6В), операционный усилитель оказывается охваченным отрицательной обратной связью через цепочку стабилитронов. При этом дальнейший рост выходного напряжения прекращается. Кроме того, так как операционный усилитель не насыщается, из общего времени задержки срабатывания исключается время восстановления усилителя.

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

Для такой цели лучше всего подходит компаратор типа IС NE 521, так как эта ИС имеет в одном корпусе кроме двух идентичных компараторов с преобразователями уровня сигнала еще два логических элемента И-НЕ. Как показано на рис. 14.10, на выходе логического элемента единичный уровень сигнала будет иметь место тогда, когда выполняется условие: U₁<U_ВХ<U₂, так как в этом случае на выходах обоих компараторов будут единичные логические уровни.

Рис. 14.10. Двухпороговый компаратор

Рис. 14.10 — Временные диаграммы работы двухпорогового компаратора

Как работает компаратор операционных усилителей — Учебные пособия по электронике

Опубликовано 14 октября 2022 г.

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

Что такое компаратор и как его использовать?

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

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

Концептуальный обзор работы компаратора операционных усилителей

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

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

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

Практические рекомендации по использованию операционного усилителя в качестве компаратора:

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

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

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

Резюме

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

Операционный усилитель (11)
Компаратор (6)

Автор:

Джош Бишоп

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

Часто задаваемые вопросы по EE

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

«Сравнение» операционных усилителей и компараторов — можно ли использовать операционный усилитель в качестве компаратора?

Узнайте больше о двух распространенных интегральных схемах — операционных усилителях и компараторах — и узнайте о возможных ловушках при использовании операционного усилителя в качестве компаратора.

Фейсбук

Твиттер

Ссылка на страницу скопирована в буфер обмена

Основы операционных усилителей и компараторов

Беглый взгляд на портфолио любого крупного поставщика интегральных схем (ИС) покажет множество различных ИС для усилителей. Это включает в себя хорошо известный операционный усилитель (операционный усилитель) и другие более специализированные усилители, такие как инструментальные, токовые, дифференциальные и трансимпедансные усилители, и это лишь некоторые из них. Даже, казалось бы, простейшую микросхему компаратора часто относят к категории усилителей.

Несмотря на то, что эти различные типы усилителей во многом перекрывают друг друга, каждый из них предназначен для выполнения различных функций или вариантов использования. В этом посте мы подробно рассмотрим две распространенные ИС — операционные усилители и компараторы — и рассмотрим возможные подводные камни при использовании операционного усилителя в качестве компаратора.

Обзор операционных усилителей и компараторов

Давайте начнем с общего обзора этих двух типов ИС. На первый взгляд они очень похожи; даже символ электрической схемы для операционных усилителей и компараторов одинаков — треугольник с положительным и отрицательным входом и одним выходом. Но фактический дизайн и предполагаемое использование этих двух типов ИС сильно различаются.

Рисунок 1. Базовая схема операционного усилителя и компаратора Символ

Операционный усилитель предназначен для работы с отрицательной обратной связью, что означает, что выход усилителя подключен к инвертирующему (отрицательному) входу. Способ построения этой петли отрицательной обратной связи будет определять работу (отсюда и название) усилителя. Примеры включают создание фильтра нижних или верхних частот, усиление, интегратор, повторитель напряжения и многое другое. В результате этой отрицательной обратной связи выходной каскад операционного усилителя предназначен для работы в линейной области, то есть между шинами питания усилителя.

Компараторы, с другой стороны, имеют выходной каскад, который специально разработан для работы в режиме насыщения, что означает, что выходное напряжение всегда близко к одной шине питания или к другой, а не между ними. Отсутствие отрицательной обратной связи в компараторе и конструкция выходного каскада являются большими различиями между операционными усилителями и компараторами.

Рис. 2. Насыщение в сравнении с линейными рабочими областями

Использование операционного усилителя в качестве компаратора

В общем, если для данного проекта требуется компаратор, лучше просто использовать компаратор. Такое устройство разработано и оптимизировано специально для этой функции и, следовательно, обеспечит наилучшие результаты. Но может возникнуть ситуация, когда использование операционного усилителя в качестве компаратора является привлекательным. Например, если данная конструкция содержит неиспользуемый операционный усилитель и требуется компаратор, то использование этого операционного усилителя в качестве компаратора сэкономит время, площадь платы и затраты. Имея это в виду, давайте рассмотрим некоторые возможные ловушки при использовании операционного усилителя в качестве компаратора.

Начнем с рассмотрения входного каскада операционного усилителя. Не все операционные усилители обеспечивают входной каскад rail-to-rail, поэтому необходимо позаботиться о том, чтобы в данном приложении входной синфазный диапазон операционного усилителя не превышался. Другой возможной проблемой, связанной с входным каскадом, является дифференциальный входной диапазон операционного усилителя. Некоторые операционные усилители имеют встречно-параллельные диоды, которые предотвращают смещение инвертирующих и неинвертирующих входов более чем на один диод. Это чаще встречается в биполярных операционных усилителях и некоторых операционных усилителях с более высоким напряжением. Абсолютные максимальные значения в спецификации на операционный усилитель должны указывать на любое ограничение в диапазоне дифференциального входа.

Есть также несколько соображений относительно выходного каскада операционного усилителя при оценке того, будет ли он правильно работать в качестве компаратора в вашем приложении. При использовании в качестве компаратора скорость выходных переходов с одной шины на другую будет определяться скоростью нарастания усилителя. Необходимо позаботиться о том, чтобы скорость результирующего компаратора была достаточно высокой для данного приложения. Также следует отметить, что в определенных ситуациях это можно считать преимуществом; скорость нарастания будет ограничивать скорость фронта, уменьшая проблемы, связанные с электромагнитными помехами. Как отмечалось ранее, операционные усилители предназначены для работы в линейной области работы, то есть между шинами питания. Когда выход усилителя принудительно подключен к шинам питания, время восстановления выхода усилителя может быть большим, если оно вообще указано. Наконец, выходной каскад операционного усилителя рассчитан на то, чтобы всегда получать или потреблять ток, поэтому нет возможности создать функцию компаратора с выходом с открытым стоком. Учитывая, что компараторы по существу имеют аналоговый вход и цифровой выход (одно из двух состояний, определяемых входами), компараторы часто используются для соединения различных характеристик схемы, например, для преобразования сигналов в другой диапазон напряжения. Следовательно, использование компаратора с открытым стоком довольно распространено.

Дополнительным фактором при оценке использования операционного усилителя в качестве компаратора является гистерезис. Компаратор с гистерезисом использует «верхний» и «нижний» порог, при котором входной сигнал должен пройти выше или ниже этих соответствующих порогов, прежде чем выходной сигнал изменится. Это полезно для входных сигналов, которые являются электрически шумными или медленными. Большинство микросхем компараторов имеют встроенный гистерезис, а некоторые даже предлагают регулируемый гистерезис. Настройка операционного усилителя в качестве компаратора, работающего в разомкнутом контуре (что означает отсутствие обратной связи от выхода к входу), не приведет к отсутствию гистерезиса. Однако, используя положительную обратную связь (подавая часть выходного сигнала обратно на неинвертирующий вход операционного усилителя), можно добавить гистерезис к операционному усилителю, сконфигурированному как компаратор. В этом может не быть необходимости в зависимости от характеристики входного сигнала, например, если это быстрый сигнал без шума.

Рис. 3. Влияние гистерезиса на выход

Заключение

В общем, операционный усилитель не обеспечивает такого хорошего решения компаратора, как специализированная микросхема компаратора, а в некоторых случаях может вообще не работать.