Рис.2.3

Из временной диаграммы видно, что переключение компаратора происходит за некоторое время t_ПК, начинающийся от момента превышения входным (исследуемым)  напряжением опорного напряжения U_О.

Уровни выходного напряжения u_ВЫХ  2,4 В и 0.4 В соответствуют логической единице и логическому нулю.

2.1.2. Компаратор нулевого уровня

Компаратор нулевого уровня – это  компаратор у которого опорное напряжение равно нулю.

2.1.3. Применение операционного усилителя в качестве компаратора

ОУ могут применяться в качестве компаратора, при этом необходимо учитывать снижение характеристик компаратора. Выходные уровни таких компараторов соответствуют максимально возможному положительному и отрицательному напряжению на выходе операционного усилителя.

При необходимости изменить уровень выходного сигнала можно использовать различные схемы, например диодно-резистивные цепи.

Рис.2.4

В подобной схеме напряжение на выходе при отсутствии резистивного делителя u_вых.1=U_п.1-U_VD, где  – прямое падение напряжения на диоде.  C помощью диода исключается появление отрицательного напряжения на выходе.

 Резистивный делитель, образованный  и , обеспечивает требуемый уровень входного напряжения U_вых.2при формировании логической единицы.

2.2. Триггеры Шмитта.

Триггеры Шмитта (ТШ) – это компараторы, у которых изменение выходного сигнала с высокого уровня на низкий и обратно происходит при разных уровнях входного напряжения. 

2.2.1. Симметричный инвертирующий ТШ

Симметричный инвертирующий ТШ (рис.2.5,а) выполняется на базе ОУ. Он имеет симметричную относительно начала координат передаточную характеристику, приведенную на рис. 2.5,б.

   Рис.2.6

В состав триггера Шмитта кроме ОУ входит резистивный делитель напряжения, образованный резисторами  и  (рис.2.6). Входное напряжение делителя  одновременно является выходным напряжением ТШ, т.е. . Выходное напряжение делителя  одновременно является напряжением  триггера (рис. 2.5,а). Коэффициент передачи делителя:

                                                                             (2.1)

Определим коэффициент передачи через параметры делителя. Пусть через резисторы делителя проходит ток . Тогда напряжения:

  и .                               (2.2)

После подстановки (2.2) в (2.1) и преобразования получим: .                                                        (2.3)

Рассмотрим работу ТШ. Пусть напряжение  на входе ТШ равно  и на передаточной характеристике (рис. 2.5,б) рабочая точка занимает положение 1. Напряжение на выходе ТШ    , где  – максимальное положительное напряжение на выходе ОУ. Напряжение на неинвертирующем входе ОУ – напряжение  с учетом (2.3) равно:

,                                                (2.4)

где  – так называемое напряжение срабатывания ТШ. При увеличении входного напряжения, например до , на передаточной характеристике (рис. 2.5,б) рабочая точка занимает положение 2. При дальнейшем увеличении входного напряжения до , на передаточной характеристике (рис. 2.5,б) рабочая точка занимает положение , но поскольку выполняется равенство , соответствующее строке 3 таблицы 1, то выходное напряжение ТШ становится неопределенным, но меньшим чем . Это согласно (2.4) приводит к снижению напряжения , поступающего на неинвертирующий вход ОУ. При этом начнет выполняться неравенство строки 2 таблицы 1 и напряжение на выходе ОУ (выходе ТШ) примет значение  , т.е. будет равно максимальному отрицательному напряжению на выходе ОУ. Рабочая точка на передаточной характеристике перейдет в положение .

         Напряжение на неинвертирующем входе ОУ

         ,                                        (2.5)

где  – так называемое напряжение отпускания ТШ. При дальнейшем увеличении входного напряжения, например до , на передаточной характеристике (рис. 2.5,б) рабочая точка занимает положение 4.

         При снижении входного напряжения ТШ его переключение произойдет только тогда, когда входное напряжение станет равным напряжению отпускания . Это приведет к смене знака входного дифференциального сигнала ОУ и вместо неравенства 2 таблицы 1 станет выполняться неравенство 1. Это приведет к переходу рабочей точки из положения  в положение  (рис. 2.5,б).

         Уровни входного напряжения – пороги срабатывания и отпускания определяются выражениями (2.4) и (2.5). В случае равенства по абсолютному значению напряжений  и  также по абсолютному значению равны пороги срабатывания и отпускания, что позволяет говорить о симметрии передаточной характеристики.  

2.2.2. Несимметричный инвертирующий ТШ

Несимметричный инвертирующий ТШ (рис.2.7,а) также выполняется на базе ОУ. Он имеет передаточную характеристику несимметричную относительно начала координат и приведенную на рис. 2.7,б.                                 

         Устройство и принцип действия несимметричного инвертирующего ТШ аналогичны устройству и принципу действия симметричного инвертирующего ТШ (рис. 2.5,а). Отличие состоит в том, что в несимметричном инвертирующем ТШ параллельно резистору  делителя напряжения дополнительно введены резистор  и диод .

          При положительном напряжении на выходе схемы равном  диод закрыт и резистор  отключен. Поэтому коэффициент передачи делителя определяется выражением (2.3) и равен:

.                                                                                    (2.6)

При отрицательном напряжении на выходе схемы равном  диод открыт и резистор  подключен параллельно резистору . При этом пренебрегаем падением напряжения на диоде, т.е. считаем диод  идеальным. Поэтому коэффициент передачи делителя определяется выражением аналогичным (2.3) и равен:

,                                                                                    (2.7)

где сопротивление резистора  равно сопротивлению параллельно включенных резисторов  и .

Напряжения срабатывания  и отпускания  несимметричного инвертирующего ТШ определяются по выражениям (2.4) и (2.5), при замене в них коэффициента передачи  на коэффициенты передачи  и , соответственно. Поскольку <, то  и, следовательно, по абсолютной величине напряжение отпускания больше напряжения срабатывания. Поэтому передаточная характеристика (рис. 2.7,б) не симметрична относительно начала координат. 

2.2.3. Несимметричный инвертирующий ТШ с источником смещения

Несимметричный инвертирующий ТШ с источником смещения (рис.2.8,а) также выполняется на базе ОУ. Он имеет передаточную характеристику несимметричную относительно начала координат и приведенную на рис. 2.8,б.

Устройство и принцип действия несимметричного инвертирующего ТШ с источником смещения аналогичны устройству и принципу действия симметричного инвертирующего ТШ (рис. 2.5,а). Отличие состоит в том, что в несимметричном инвертирующем ТШ последовательно с резистором  делителя напряжения дополнительно включен источник смещения – источник напряжения  Е.

         Напряжения срабатывания и отпускания этого несимметричного инвертирующего ТШ определяются по выражениям:

         и ,                                               (2.8)

где напряжения  и  – падения напряжения на резисторе  при положительном и отрицательном напряжениях на выходе схемы, соответственно. Напряжения  и  могут быть определены с использованием коэффициента передачи делителя, определяемого (2.3):

  и ,

где напряжения   и  – напряжения на входе делителя (напряжения на резисторах  и ) при положительном и отрицательном напряжениях на выходе схемы, соответственно.

         При отличном от нуля значении ЭДС источника напряжения Е передаточная характеристика (рис. 2.8,б) не симметрична относительно начала координат. 

2.2.4. Неинвертирующий симметричный ТШ

Симметричный неинвертирующий ТШ (рис.2.5,а) выполняется на базе ОУ. Он имеет передаточную характеристику симметричную относительно начала координат и приведенную на рис. 2.5,б.

         Рассмотрим работу схемы. Будем считать ОУ, который используется в качестве компаратора, идеальным. У него входные токи  и ЭДС смещения  равны нулю. Пусть напряжение на входе схемы . При этом рабочая точка на передаточной характеристике занимает положение 1. Напряжение  в общей точке резисторов  и  меньше нуля, т.к. напряжения  и  меньше нуля. Дифференциальное напряжение  также меньше нуля и выполняется неравенство 2 таблицы 1.

         Пусть напряжение  на входе схемы возрастает и при некотором положительном напряжении , называемом напряжением срабатывания, напряжение  становится равным нулю. Поскольку инвертирующий вход ОУ соединен с общим проводом схемы, то нам нем нулевое напряжения, а, следовательно, дифференциальное напряжение  также становится равным нулю. Согласно строке 3 таблицы 1 выходное напряжение становится неопределенным, но большим чем  – минимальное напряжение на выходе ОУ. Поэтому рабочая точка на передаточной характеристике (рис. 2.9,б) начинает движение из положения  к положению . Напряжение на выходе схемы возрастает и поэтому напряжение  и дифференциальное напряжение  становятся больше нуля. При этом выполняется неравенство 1 таблицы 1 и выходное напряжение становится равным  – максимальному напряжению на выходе ОУ. Обратное переключение ОУ произойдет при уменьшении напряжения нам входе схемы до некоторого отрицательного напряжения , называемого напряжением отпускания.

         Определим значения напряжений порогов срабатывания и отпускания. Для узла в точке соединения резисторов  и  можно записать:

            или с учетом ,

         .                                                                                            (2.9)

         Поскольку в момент начала переключения ТШ, когда рабочая точка на его передаточной характеристике (рис. 2.9,б) занимает положение  или , дифференциальное напряжение , то токи через резисторы  и  определяются как  и . Подставив значения токов  и  в (2.9)  и преобразовав, получим:

         .                                                                                   (2.10)

Напряжение срабатывания  – это то входное напряжение, при котором происходит изменение выходного напряжения от  до . Поскольку в момент начала переключения напряжение на выходе ТШ , то подставив его значение в (2.10) получим напряжение срабатывания:

.                                                            (2.11)

Поскольку , то .

Напряжение отпускания  – это то входное напряжение, при котором происходит изменение выходного напряжения от  до . Поскольку в момент начала переключения напряжение на выходе ТШ , то подставив его значение в (2.10) получим напряжение отпускания:

.                                                            (2.12)

Поскольку , то .

2.2.5. Триггер Шмитта на основе универсального компаратора

         В том случае, когда предъявляются повышенные требования к скорости изменения  и к стабильности уровней напряжения на выходе, то ТШ выполняют на основе специализированных компараторов. Схема такого ТШ приведена на рис.2.10,а. Передаточная характеристика такого ТШ приведена на рис.2.10,б.

              Рассмотрим работу схемы (рис.2.10,а) для случая, когда . Пусть напряжение нам входе схемы . Дифференциальное входное напряжение  и  выходной транзистор компаратора закрыт. При этом рабочая точка на передаточной характеристике (рис.2.10,б) занимает положение 1 и выходное напряжение имеет высокий уровень равный (близкий к напряжению питания ). Диод VD закрыт, т.к. напряжение на его катоде равно выходному и близко к . Напряжение на аноде диода, равно  и существенно меньше . Определим напряжение . Примем входной ток  компаратора равным нулю. Учитывая, что диод VD закрыт, определим напряжение  через параметры делителя, используя выражение (2.3):

         .                                                          (2.13)

Напряжение  при высоком уровне выходного напряжения, определяемое по (2.13), равно напряжению срабатывания ТШ . При увеличении входного напряжения ТШ  до уровня напряжения срабатывания  рабочая точка переходит в положение  (рис.2.10,б), а дифференциальное входное напряжение . Выполняется равенство строки 3 таблицы 1. Транзистор выходного каскада компаратора начинает открываться и появляется ток в цепи:  – диод VD – резистор  – ОК – ОЭ (открытые коллектор – эмиттер транзистора компаратора) – общий провод. При этом напряжение  начинает уменьшаться и дифференциальное входное напряжение . В соответствие с таблицей 1 на выходе компаратора появляется низкий уровень напряжения , а рабочая точка перейдет в точку . При этом транзистор выходного каскада компаратора полностью откроется и схема делителя напряжения принимает вид, приведенный на рис. 2.11.

Рис.2.11

         Определим напряжение  при низком напряжении на выходе компаратора, используя схему делителя (рис.2.11). Для точного расчета нужно учитывать падения напряжения на открытых диоде  и транзисторе . Для упрощенного расчета можно пренебречь падением напряжения на открытых диоде  и транзисторе , т.е. считать  и .  При этом коэффициент передачи делителя , где эквивалентное сопротивление  равно сопротивлению параллельно включенных резисторов  и . С учетом коэффициента передачи делителя напряжение  при низком напряжении на выходе компаратора, называемое напряжение отпускания , определится:

         .

         Изменение напряжения на выходе ТШ с низкого уровня  на высокий  произойдет при снижении входного напряжения  до напряжения отпускания . При этом рабочая точка перейдет из положения  в положение .

         Низкий уровень напряжения нам выходе ТШ равен напряжению насыщения транзистора выходного каскада компаратора .

2.2.6. Устранение эффекта «дребезга контактов» с помощью триггера Шмитта

         При коммутации электрической цепи посредством механического ключа в окрестности момента коммутации возможно многократное прерывание и возобновление тока. Это вызвано, во-первых, микронеровностями контактов,  и во-вторых, вибрацией контактов – «дребезгом». В электронных схемах, содержащих пороговые устройства, возможно аналогичное по внешним проявлениям явление многократного возникновения тока в окрестности момента переключения, называемое по аналогии «дребезгом контактов».

Рассмотрим причину возникновения «дребезга контактов» в схеме с компаратором напряжения (рис.2.12).

Рис.2.12

 Пусть генератор импульсов (ГИ) удален от компаратора DA на некоторое расстояние и сигнал на вход компаратора поступает от ГИ по так называемой «длинной линии». На рис. 2.13,а приведены временные диаграммы сигналов на входах и выходе компаратора. Явление многократного изменения напряжения (тока) на выходе компаратора возникает внутри интервалов  – и  –  изменения входного сигнала . Рассмотрим более детально область 1 (диаграмма  на рис.2.13,а). Укрупнено эта область и соответствующая ей временная диаграмма  приведены на рис.2.13,б. Входной сигнал  на интервале времени  – возрастает, но из-за наличия в нем переменной составляющей многократно пересекает уровень опорного напряжения . Поэтому выходное напряжение  многократно изменяется от низкого к высокому уровню. Наличие переменной составляющей входного сигнала – помехи, объясняется наведенной в «длинной линии» ЭДС из-за наличия переменного электромагнитного поля в пространстве окружающем линию.

                                  а.                                                              б.

Рис.2.13

         Устранить явление «дребезга контактов» при приеме сигнала от ГИ по «длинной линии» можно путем замены компаратора на ТШ. Схема такого устройства приведена на рис.2.14,а. На рис.2.15,а приведена передаточная характеристика ТШ, использованного в устройстве. На рис. 2.15,б приведена временная диаграмма, поясняющая работу устройства и аналогичная диаграмме приведенной на рис.2.13,б. Возрастающий входной сигнал  (рис.2.15,б) достигает порога срабатывания  в момент времени , что приводит к переключению ТШ. При уменьшении входного сигнала, после момента времени , обратного переключения ТШ не происходит, поскольку входной сигнал остается больше порога отпускания .

Рис.2.14

 Для исключения явление «дребезга контактов» необходим вместо компаратора применить ТШ с шириной петли гистерезиса  большей, чем амплитудное значение  сигнала помехи, т.е. .

Рекомендуем посмотреть лекцию «57 Методика расследования причинения телесных повреждений».

                                    а.                                                            б.

Рис.2.15

характеристики и описание принципа действия, использование схем сравнения напряжения

Зачем нужен цифровой и аналоговый компаратор

Для управления электронными схемами применяются различные устройства, которые помогают настраивать и разветвлять сигналы. Для сравнения двух разных импульсов часто используется компаратор с однополярным питанием.

Обозначение и технические характеристики

Компаратор – это устройство, которое сравнивает два разных напряжения и силу тока, выдает конечный силовой сигнал, указывая на большее из них, одновременно производя расчет соотношения. У него есть две аналоговые вводные клеммы с положительным и отрицательным сигналом и один двоичный цифровой выход, как и у АЦП. Для отображения сигнала используется специальный индикатор.

УГО отображение компаратора выглядите следующим образом:

Фото — УГО компаратора

Изначально использовался только интегрированный компаратор напряжения (MAX 961ESA, PIC 16f628a), который известен как высокоскоростной. Он требует определенного дифференциального напряжения в определенном диапазоне, который существенно ниже, чем напряжение сети питания. Эти приборы не допускают никаких других внешних сигналов, которые находятся вне диапазона напряжения сети.

Сейчас гораздо чаще используется аналоговый цифровой компаратор (Attiny/ Atmega 2313), у которого транзисторный ввод. У него вводный потенциал сигнала находится в диапазоне менее 0,3 Вольт и не поднимается выше. Устройство может быть также ультра быстрого типа (стереокомпаратор), благодаря чему входной сигнал меньше обозначенного диапазона, к примеру, 0,2 Вольта. Как правило, используемый диапазон ограничивается только конкретным входным напряжением.

Фото — Компаратор

Помимо простого прибора, также существует видеоспектральный компаратор на ОУ (операционном усилителе). Это прибор, у которого очень тонко сбалансирована разница входа и высокого сопротивления сигнала. Благодаря такой характеристики, операционный компаратор используется в низкопроводимых схемах с небольшим вольтажем.

Фото — схема компаратора

В теории, частотный операционный усилитель работает в конфигурации с открытым контуром (без отрицательной обратной связи) и может быть использован в качестве компаратора низкой производительности. Но при этом, не инвертирующий вход (+ V) находится на более высоком напряжении, чем на инвертирующий (V-). Высокое усиление, выходящее из операционного усилителя, провоцирует выход низкого напряжения на входе в устройство.

Когда неинвертирующий вход падает ниже инвертирующего входа, выходной сигнал насыщается при отрицательном уровне питания, то он все равно может проводить импульсы. Выходное напряжение ОУ ограничивается только напряжением питания. Принципиальная электрическая схема ОУ работает в линейном режиме с отрицательной обратной связью, с помощью сбалансированного сплит-источника питания (питание от ± V S ). Многие приборы, работающие с компаратором, также имеют свойство фиксировать полученные данные при помощи видео-, фото- или документальной записи. Эти электронные принципы не работают в системах, где используются разомкнутые контуры и низкопроводящие элементы.

Фото — простой компаратор

Но у компараторного усилителя существует несколько существенных недостатков:

1. Операционные усилители предназначены для работы в линейном режиме с отрицательной обратной связью. Но при этом, ОУ имеет более длительный режим восстановления;
2. Почти все операционные усилители имеют конденсатор внутренней компенсации, который ограничивает скорость нарастания выходного напряжения для высокочастотных сигналов. Исходя из этого, данная схема немного задерживает импульс;
3. Компаратор не имеет внутреннего гистерезиса.

Из-за этих недостатков, компаратор для управления различными схемами, в большинстве случаев, используется без усилителя, исключением является генератор.

Компаратор предназначен для производственных процессов с ограниченным выходным напряжением, которое легко взаимодействует с цифровой логикой. Поэтому его часто используются в различных термических приборах (терморегулятор, реле температуры). Также его применяют для сравнения сигналов и сопротивлений таких устройств, как таймер, стабилизатор и прочая схемотехника.

Фото — аналоговый компаратор

Видео: компараторы

Принцип работы

Для того, чтобы продемонстрировать, как работает быстродействующий компаратор с гистерезисом, нужно взять схему с двумя выходами.

Фото — схема работы компаратора

Схема включения, по которой можно понять принцип работы компаратора, показана выше. Используя аналоговый сигнал во + входе, именуемым «неинвертируемым», и выходе, который называется под названием «инвертируемый», устройство использует два аналогичных разнополярных сигнала. При этом если аналоговый вход больше, чем аналоговый выход, то выход будет «1», и это включит открытый коллектор транзистора Q8 на эквивалентной схеме LM339, которую нужно включить. Но, если вход находится на отрицательном уровне, то сигнал будет равняться «0», из-за чего, коллектор будет находиться в закрытом виде.

Практически всегда двухпороговый или фазовый компаратор (например, на транзисторах, без усилителя) воздействует на входы в логических цепях, соответственно, работает по уровню определенной сети питания. Это своеобразный элемент перехода между аналоговыми и цифровыми сигналами. Такой принцип действия позволяет не уточнять определенность или неопределенность выходов сигналов, т. к. компаратор всегда имеет некий захват петли гистерезиса (независимо от её уровня) или окончательный коэффициент усиления.

Назначение

Зачем нужен компаратор и как его использовать без усилителя? В большинстве случаев, этот прибор применяется в несложных компьютерных схемах, где нужно сравнивать сигналы входящего напряжения. Это может быть зарядное устройство для ноутбука или телефона, весы (определитель массы), датчик сетевого напряжения AVR, таймер (компоратор типа lm 358, микроконтроллер и т. д. Также его применяют различные интегральные микросхемы для контроля входных импульсов, обеспечивая связь между источником сигнала и его центром назначения.

Фото — компараторы для компьютера

Наиболее популярным примером является компаратор триггер (регулятор) Шиммера. Он работает в режиме многоканальности, соответственно, может сравнивать большое количество сигналов. В частности, данный триггер применяется для того, чтобы восстановить цифровой сигнал, который искажает связь в зависимости от уровня напряжения и расстояния источника питания.

Это аналог стандартного компаратора, просто с более расширенным функционалом, который обеспечивает измерение нескольких входящих сигналов.

Фото — ОУ компаратор

Также есть компаратор шероховатости. Это устройство, которое помогает визуально определить состояние поверхности, которая уже подвергалась обработке. Применение этого приспособления обосновано необходимостью определять допуски обработанных ранее поверхностей.

Программирование и компаратор

Компоратор используется не только как часть электрической схемы ШИМ и т. д., его часто используют для создания отдельных программ или их компонентов. Например, устройство часто используется для создания java-коллекций.

1. Чтобы работать, Вам понадобится специальная программа Maven. Для начала Вам нужно создать проект, для полноценной работы необходимо подключение к интернету. Создаете новый проект, в структуре выберете два компонента: comparator и pojo. Наличие проверяется при помощи утилиты JUnit 4.11;
2. Установите pom.xml и создайте новый файл. Прерывание процесса недопустимо, поэтому очень важно на каждом этапе сохранять. После осуществляется создание и настройка POJO, где указываются нужные настройки. Параметры зависят от требований к конкретной библиотеке. Это могут быть даты рождения, общая информация по проживанию и т. д.;
3. И только после создается компаратор. Это класс, который используется для поверки данных и их распределения по нужным папкам. Использование данного класса необходимо, если нужно отсортировать определенную информацию по заданным параметрам (цвета, размеры, даты). Благодаря этому обеспечивается защита данных и их классификация по определенному принципу.

Купить готовый компаратор можно в любом магазине радиотехнических приборов и электротехники. Цена прибора варьируется в зависимости от его назначения и количества каналов.

Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Компараторы — название произошло от принципа работы – сравнения. Так функционируют приборы, производящие измерения способом сравнивания с эталоном: весы с одинаковыми плечами, электрические потенциометры.

По своей принципиальной работе компараторы делятся на механические, электрические и оптические. Приборы с механической конструкцией применяются для проверки конечных мер длины. Компараторы для таких целей впервые применены во Франции в 1792 году, об этом имеется информация в энциклопедиях. Такой компаратор на механической основе работал для поверки эталонного метра во время появления метрической системы Франции. Точность таких замеров компаратора рычагами доходила до 0,0005 мм. Это большая точность для того периода времени.

Наша задача рассмотреть компараторы, применяющиеся в современное время в электротехнике для напряжения.

Компаратор с двумя входами и одним выходом. Причем один из входов является прямым, а другой инверсным. На эти входы поступает напряжение, которые устройство сравнивает. В зависимости от этого сравнения на своем выходе устройство устанавливает либо логический ноль, когда напряжение на инверсном входе выше, чем на прямом, либо логическую 1, когда напряжение входа прямого выше, чем на инверсном.

На схеме видно стандартное обозначение компаратора. Компаратор сам по себе достаточно универсален и находит широкое применение в радиолюбительской деятельности. На основе компаратора можно собрать таймер, мультивибратор и даже драйвер для светодиодов.

При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:

• Диапазон напряжения питания.
• Диапазон входных напряжений.
• Максимальный ток на выходе компаратора.
• Тип выхода.

Не все компараторы могут установить плюс питания на выходе. Рассмотрим работу компаратора на простой схеме.

Данная схема построена на переменном резисторе 20 кОм, двух постоянных резисторов 10 кОм, которые образуют собой делитель напряжения на постоянных резисторах. Они подключены к инвертирующему входу. К нему же подключен делитель напряжения на переменном резисторе.

Выход компаратора представляет собой коллектор внутреннего транзистора, эмиттер которого подключен к земле. Этот транзистор либо подключает выход к земле, либо отключает его, поэтому плюса питания на выходе быть не может. Поэтому мы подтягиваем выход компаратора через резистор номиналом 1 кОм к плюсу питания.

Когда на неинвертирующем входе напряжение выше, чем на инвертирующем, транзистор закрывается. Добавленный нами резистор подтягивает к его к плюсу питания, вследствие чего светодиод загорается. Когда на неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем, то транзистор открывается и притягивает выход компаратора к земле, вследствие чего светодиод перестает светиться.

Если же на двух входах напряжение примерно одинаковое, то выход компаратора логично переключается из одного состояния в другое и обратно под воздействием внутренних и внешних помех. Для борьбы с помехами и четкого переключения компаратора из одного состояния в другое собираются схемы с гистерезисом.

Обозначения выводов выглядят следующим образом:

Первая ножка – это выход первого компаратора, вторая ножка – инвертирующий вход первого компаратора, третья – неинвертирующий вход первого компаратора, четвертая – земля, восьмая ножка – напряжение питания. Второй компаратор не используется. Выход подключен желтым проводом к подтягивающему резистору и к светодиоду, зеленый провод подключен к делителю напряжения на постоянных резисторах, белый провод подключен к средней ножке переменного резистора, который является делителем напряжения.

При измерении напряжения питания на делителе напряжения на постоянных резисторах 10 кОм. При включении схемы загорается красный светодиод. Включаем мультиметр для измерения постоянного напряжения диапазона до 20 В, подключим его ко второй ножке микросхемы. Показания напряжения 2,4 В. Это постоянные резисторы, делитель напряжения не будет изменять само напряжение. Так как переменный резистор установлен на неинвертирующем входе, то переключаемся на него. Показания 0,87 В. На неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем. Следовательно светодиод не горит.

При превышении напряжения выше 2,4 В светодиод начинает светиться. При воздействии внешних помех происходит хаотичное переключение выхода компаратора. Здесь может пригодиться схема гистерезиса.

Компараторы применяются в интегральном исполнении в качестве составных деталей микросхем. Интегральные таймеры имеют в составе два входных компаратора. Этим определяется особенность работы прибора. Микроконтроллеры производят со встроенными компараторами. Независимо от конструкции и схемы принцип действия прибора не отличается.

Новые компараторы похожи на операционные усилители, у них высокий усиливающий коэффициент, не имеют обратной связи, входы такого же типа.

В различных описаниях работы устройства приводятся примеры сравнения с рычажными весами. На одну сторону весов ложится гиря – эталон, на другую товар. Когда вес товара станет равным массе гири, или больше, то гири поднимаются вверх, на этом взвешивание окончено.

С работой компаратора напряжения происходит похожий процесс. Вместо гирь выступает опорное напряжение, вместо товара – сигнал входа. При возникновении логической единицы на выходе устройства происходит сравнение напряжений. Это называют «пороговой чувствительностью» компаратора.

Для тестирования устройства не нужно сложной схемы. Необходимо включить вольтметр на выход устройства, а на входы подключить напряжение, которое регулируется. При изменении входного напряжения на вольтметре будет видна работа компаратора.

При применении приборов нужно учесть характеристики, делящиеся на динамические и статические. Статические – это параметры установившегося режима. Это пороговая чувствительность. Она является наименьшей разностью сигналов входа. При ней возникает логический сигнал на выходе.

Некоторые компараторы оснащены выводами для смещающего напряжения, осуществляющего смещение характеристики передачи от идеального положения. Важным параметром является гистерезис, то есть разница напряжений входа. Он обусловлен обратной связью положительного значения, предназначенного для устранения «дребезга» сигнала выхода при переключении компаратора.

Схема прибора довольно сложная, большая и не слишком понятная. Рассмотрим простую функциональную схему по рисунку.

Показан дифференциальный каскад входа, схема уровневого смещения, логика выхода. Дифференциальный каскад производит основное усиление сигнала разности. Устройством смещения осуществляется оптимальное состояние выхода. Это дает возможность выбрать тип логики для работы. Такая настройка производится подстроченным резистором на выводах «балансировки».

Современные инновационные компараторы оснащены стробирующим входом. Это значит, что сравнение сигналов входа осуществляется только при подаче импульса. Это дает возможность сравнить сигналы входа в необходимый момент.

Простая схема структуры устройства со стробированием.

Устройства по рисунку с парафазным выходом, подобно триггеру – прямой верхний выход, нижний (кружок) – инверсный. С – стробирующий вход. На рисунке а) стробирование сигналов входа осуществляется по высокому уровню входа С. На обозначении входа С изображают знак инверсии маленьким кружком.

Рисунке б) стробирующий вход с чертой /. Это значит, что стробирование проходит по восходящему импульсу. Стробирующий сигнал – разрешение сравнения. Итог сравнения появляется на выходе при действии импульса стробирования. На некоторых устройствах есть память (с триггером). Они сохраняют результат до следующего импульса.

Время импульса стробирования (фронта) должно хватать для того, чтобы сигнал входа успевал проходить через дифференциальный каскад до срабатывания ячейки памяти. Использование стробирования повышает защиту от помех, так как помеха изменяет состояние устройства за время импульса.

Компараторы делятся на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. В практической деятельности чаще применяются устройства общего применения.

Такие устройства имеют особенности и свойства, привлекающие к себе внимание. Они потребляют небольшую мощность, могут работать при малом напряжении питания. В одном корпусе можно разместить 4 устройства. Эта группа иногда дает возможность производить полезные устройства.

Это простой преобразователь сигнала в унитарный цифровой код, который можно преобразовать в двоичный, цифровым преобразованием. На схеме имеется 4 компаратора. Напряжение опорное подается на инвертирующие входы по делителю резистивного типа. При одинаковых резисторах на инвертирующих входах устройства напряжение будет равно n * Uоп / 4, n – номер устройства. Напряжение входа подается на неинвертирующие входы, которые соединены вместе.

В итоге сравнения напряжения входа с опорным, на компараторных выходах образуется цифровой унитарный код напряжения входа.

Особенности компаратора напряжения

Слово «компаратор» произошло от латинского «comparare» и в буквальном русском переводе означает «сравнивать». Он производится в разнообразных модификациях, которые востребованы современной электронной промышленностью. Самые простые конструкции для сравнения контролируемых данных обладают 2-мя входами аналогового типа и одним цифровым. Базу его функционирования обеспечивает дифференциальный каскад, имеющий мощные усилительные характеристики. Компаратор напряжения довольно востребованное устройство и используется в областях, связанных с измерениями либо которые используют превращение сигнала из аналогового в цифровой.

Что такое компаратор напряжения

Принцип функционирования компаратора напряжения (КН) можно сравнить с весами рычажного типа. Когда на одну чашу весов укладывается эталонная гиря, а на другую — измеряемый продукт. В то время, когда вес продукта будет одинаковым с массой контрольного веса, чаша с эталонным весом поднимается выше, после чего процесс взвешивания заканчивается.

В КН вместо гирь функционирует основное напряжение, а продукт заменяет входящий сигнал. Когда образуется логическая «1» на выходе компаратора, начинается процесс сопоставления значений напряжения. Для проверки такого прибора не потребуется выполнения трудозатратной схемы. Достаточно подключить выходной вольтметр, а на вводы — регулируемое напряжение. При смене входных параметров на вольтметре будет видима функциональность КН, параметры настройки задаются схемой.

Принцип работы компаратора

Самым простым прибором считается компаратор, который сопоставляет напряжение, поступающее на один из входов, с базовым показателем, присутствующим на ином входе. Примитивный компаратор напряжения на операционном усилителе (ОУ) — без обратной связи.

КН выполнен в виде электронной схемы с 2-мя входящими напряжениями и может устанавливать большее значение. Просто выполнить модели КН из ОУ, так как полярность выходящей электроцепи операционного усилителя исходит от полярности разности показателей напряжения на 2-х входах.

Представим, что существует фотоэлемент, который производит 0.5 В под воздействием солнечного света, и необходимо применять данный фотоэлемент в роли измерителя для установления периода дневного освещения. В таких случаях лучший вариант — применять КН, чтобы сопоставить напряжение от фотоэлемента с контролируемым показателем 0.5 В.

В цепи КН, первоначальное опорное напряжение поступает на инвертирующем вводе (U -), после напряжение, которое будут сравнивать с опорным, поступает на неинвертирующий ввод. Выходное значение исключительно зависит от входного размера по отношению к опорному напряжению.

• Менее эталонного — отрицательный;
• равноправный опорному — «0»;
• более эталонного значения — положительный.

ОУ компаратора сравнивает один уровень аналогового напряжения с другим уровнем аналогового напряжения или каким-либо опорным напряжением, и выдает выходной сигнал на основе этого сравнения напряжения. Другими словами, компаратор напряжения ОУ сопоставляет данные 2-х входов и определяет наибольший, простота и эффективность этой схемы проверена на практике и реализована в многих бытовых приборах.

Компараторы напряжения либо используют положительную обратную связь, либо вообще не используют ее в режиме разомкнутого контура. Затем выходной сигнал КН подается полностью на его положительную шину питания + Ucc или на отрицательную шину питания —Ucc, при приложении переменного входного сигнала, который проходит некоторое предварительно установленное пороговое значение.

Параметры прибора

На самом деле, прибор можно расценивать как простейший вольтметр. КН, подобно цифровому прибору, обладает рядом эксплуатационных качеств, подразделяемые на 2 разновидности: статические и динамические.

Первые обладают следующими характеристиками:

• Максимальная чувствительность по отношению к пороговым размерам сигнала, которые КН устанавливает на входе и заменяет потенциал выхода устройства на логический «0» либо «1».
• Размер смещения устанавливается передаточным фактором прибора в отношении установленного образцового положения.
• Входной ток — предельное значение, способное протекать с использованием любого вывода, при этом, не нанеся повреждение прибору.
• Выходной ток — размер тока, во время перехода измерителя в положение «1».
• Разность токов — результат, определяемый при вычитании токовых данных.
• Гистерезис — разница в уровнях входящего сигнала, которая приводит к изменению стабильного выходного состояния.
• Коэффициент понижения сигнала рассчитывается по отношению к дифференциальному сигналу, которые приводят к смене варианта функционирования измерителя.
• Наименьшая и наибольшая номинальная температура — интервал, в котором технологические характеристики прибора не будут изменяться.

Обратите внимание! Все основные параметры КН изображаются в форме параметров переходного типа. Это диаграмма, где по оси Х обозначается время, а Y — напряжение в вольтах.

Как обозначается компаратор на схемах

На схемах компаратора и в электротехнических схемах графическое обозначение измерителя выполняется в форме треугольника, имеющего три выхода. Они обозначаются символами «+» и «-», соответствующих неинвертирующим/инвертирующим показателям, также представляется выходной маркирующий знак «Uout».

Когда (+) на входе микрочипа, степень сигнала станет больше, чем конкретно на инверсном ( — ), то на выводе будет образовываться устойчивое значение. Исходя из схемотехнической базы компаратора, это число имеет возможность принимать вариант логического «0» либо «1». В цифровых электронных устройствах за «12» принимается сигнал, степень напряжения которого имеет 5В, а за «0» установлено его отсутствие. Другими словами, положение выхода измерителя устанавливается как высокое либо низкое. Хотя обычно на практике за логический «0» принимают разность потенциалов до 2.7 В.

Где применяется компаратор напряжения

Часто КН применяют в градиентном реле — схема, которая реагирует на скорость изменения сигнала, например, фотореле. Такое устройство может использоваться в тех ситуациях, когда освещение меняется довольно стремительно. Например, в охранных установках либо датчиках контроля выпущенных изделий на конвейерах, где прибор станет реагировать на прерывание светового потока.

Еще одна часто используемая схема — датчик измерения температуры и изменения «аналогового» сигнала в «электронный». Оба измерителя преобразовывают амплитуду входящего сигнала в ширину выходящего импульса. Такое превращение довольно часто применяется в разнообразных цифровых схемах. Преимущественно, в измерительных устройствах, блоках питания импульсного типа, электронных усилителях.

Конструкция компаратора

КН нашли обширную область применения в радиоэлектронике разнообразной направленности. В магазинах радиотоваров можно увидеть огромное количество разнообразных микросхем. Но особенно часто применяемыми микросхемами у пользователей считаются:

Они легкодоступны в торговой сети и имеют довольно бюджетную цену. Такие КН выделяются обширным спектром входных параметров. К выходу КН способна присоединяться разнообразная токовая нагрузка, как правило, не превосходящая 50.0 мА. Это могут быть микрореле, варистор, световой диод, оптрон либо абсолютно разные исполнительные модули, однако с предельными по току компонентами.

Фотореле контроля

Подобное реле выпускается методом навесного монтажа. Его применяют в охранных контролирующих системах либо для контролирования степени света. Входящее напряжение попадает на делитель R1 и фотодиод VD3. Их объединенная точка сочетания использует ограничивающие диоды VD1/ VD2, подключенные к входам DA1. В итоге входящая разность потенциалов КН будет отсутствовать, а следовательно, и восприимчивость измерителя станет максимальной.

Чтобы выходящий сигнал смог инвертироваться, потребуется обеспечить входную разницу в 1 мВ. По той причине, что к входу подсоединены С1 и сопротивление R1, размер U на нем станет увеличиваться с незначительной задержкой, равноправной периоду заряда С1.

Зарядный блок

Такой блок питания принимается функционировать непосредственно после сборки. Его базовые опции сводятся к установлению рабочего зарядного тока и порогов, по которым срабатывает КН. При подключении прибора зажигается световой диод, позиционирующий подачу напряжения. На протяжении процесса зарядки обязан непрерывно гореть алый световой диод, который погаснет после того, как аккумуляторная батарея будет полностью заряжена

Подводимое напряжение от питающего блока настраивается R2, а зарядный ток устанавливается с применением R4. Наладка выполняется с применением сопротивления на 160 Ом, подключающегося в параллель к контактам, которые держат батарейку. Транзистор VT1 размещается на радиаторе, взамен его можно применять КТ814Б. Подобную схему надо будет комплектовать на плате с размером не более 50×50 мм.

Кварцевый генератор

Этот генератор ортогональных импульсов выполняется с использованием российского компаратора K544C3, функционирующего на тактовой гармонике 32.768 Гц. Схема станет рабочей в спектре входящего напряжения 7-11В с частотой установленной кварцем ZQ1. Тем не менее, для эксплуатации такого девайса сверх 50.0 кГц потребуется понизить значение R5-R6.

При замыкании другого вывода с 0-проводом КН становится подсоединённым по варианту с незакрытым коллектором, а R7 становится нагрузкой. Подстраивание частотности производится совместно, с применением C1. С применением R4 выполняется автозапуск генератора. Меняя значение R2, изменяется импульсная характеристика.

Дополнительная информация! Выбирая конденсаторы С1 или С2, генератор сможет применяться в виде бесконтактного жидкостного датчика. В роли детектора для этой цели потребуется применять микроконтроллер с ПО. Однако возможно использовать и ещё дополнительно компаратор, который станет фиксировать деформации напряжения.

Отсюда следует, что компаратор способен предназначать действия по уровням значений на собственных вводах. Когда они отличаются, то, исходя от дельты U, выход прибора меняет качественное положение. Именно такие их качества используют создатели, разрабатывая самые разные электроприборы с операционным усилителем.

Название компараторы произошло от латинского compare – сравнивать. На этом принципе работают приборы, в которых измерение производится методом сравнения с эталоном. Например, равноплечие весы или потенциометры электроизмерительные.

По принципу действия различают электрические, пневматические, оптические и даже механические компараторы. Последние применяются для поверки концевых мер длины. Впервые компаратор для проверки концевых мер был применен в Париже Ленуаром в 1792 году, о чем есть статья в энциклопедии Брокгауза и Эфрона.

Этот механический компаратор использовался для проверки эталона в 1м при образовании французской метрической системы. Точность измерения таким компаратором при помощи системы подвижных рычагов достигала 0,0005мм. Для того времени это было очень точно. Но в этой статье мы не будем подробно рассматривать механические и иные компараторы, поскольку наша задача, – компараторы напряжения.

Интегральные компараторы. Принцип действия и разновидности

В настоящее время компараторы используются в основном в интегральном исполнении. Мало кому придет в голову собирать компаратор из дискретных транзисторов. Более того, компараторы используются как составная часть некоторых микросхем.

Например, интегральный таймер NE555 содержит целых два компаратора на входах, чем, собственно, и достигается вся прелесть его работы. Кроме того, многие современные микроконтроллеры также имеют встроенные компараторы. Но, независимо от исполнения, принципы работы компараторов совершенно одинаковы.

Современные компараторы по схеме очень напоминают ОУ. По сути, это тот же операционный усилитель, только без обратной связи и с очень высоким коэффициентом усиления. Компаратор также имеет два входа, – прямой и инверсный (отмечается кружочком или знаком «минус»).

Основная функция компаратора это сравнение двух напряжений, одно из которых образцовое или опорное, а другое собственно измеряемое. Выходной сигнал компаратора может принимать лишь два значения: логический ноль, и логическая же единица, но не может изменяться линейно, как у операционного усилителя.

На выходе компараторов, как правило, имеется выходной транзистор с открытым коллектором и эмиттером. Поэтому его можно подключить либо по схеме с ОЭ, либо эмиттерным повторителем, в зависимости от требований конкретной схемы, что и показано на рисунке 1.

На рисунке 1а показано включение выходного транзистора по схеме с общим эмиттером. В этом случае к выходу каскада возможно подключение ТТЛ и КМОП – логики с напряжением питания +5В. Если же КМОП – логика питается от напряжения 15В, то верхний по схеме вывод резистора 1КОм следует подключить к шине питания +15В.

Когда выходной транзистор подключен по схеме эмиттерного повторителя, как показано на рисунке 1б, напряжение на выходе компаратора будет меняться в пределах +15В…-15В. Однако при таком включении существенно падает быстродействие компаратора, а кроме того входы «меняются» местами, – происходит инверсия входов.

Как проверить компаратор, жив или не жив?

Если в схему показанную на рисунке 1а последовательно с резистором R запаять светодиод, подключив его анодом к источнику питания +5В, а на входы с помощью резисторов подать напряжения, то изменяя эти напряжения хотя бы с помощью переменных резисторов, можно заставить мигать светодиод. В какой последовательности подавать опорное и входное напряжения можно узнать дальше. Пусть такая схема для проверки будет маленьким практическим заданием.

Логика работы компаратора

Функциональная схема компаратора показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Функциональная схема компаратора

При таком количестве входов и входных сигналов возможны два варианта. В первом случае, показанном в левой части рисунка, опорное напряжение подается на инвертирующий вход, а входное на неинвертирующий. Если при этом входное напряжение превысит опорное, то на выходе компаратора появится высокий уровень (лог. 1). В противном случае будем иметь логический ноль.

Во втором варианте, показанном в правой части рисунка, опорное напряжение подается на прямой вход, а входное на инвертирующий. В этом случае если входное напряжение больше, чем опорное на выходе компаратора логический ноль, в противном случае единица. На рисунке 2 все эти умозаключения показаны в виде математических формул.

Но тут у внимательного читателя может возникнуть справедливый вопрос: «Посмотрите на рисунок 1, сколько там выходов! Так о каком же из них идет речь, какой тут ноль и где здесь единица?» В этом случае речь идет о базе выходного транзистора, считается, что это выход операционного усилителя, на который подаются входные сигналы. А уж выходной транзистор, как было указано в комментарии к рисунку 1, можно включить любым способом.

Некоторые характеристики аналоговых компараторов

При использовании компараторов нужно учитывать их характеристики, которые можно разделить на статические и динамические. Статические параметры компаратора это те, которые определяются в установившемся режиме.

Прежде всего, это пороговая чувствительность компаратора. Она определяется как минимальная разность входных сигналов, при которой на выходе появляется логический сигнал.

Кроме входных и выходных многие компараторы имеют выводы для подачи напряжения смещения Uсм. С помощью этого напряжения осуществляется необходимое смещение передаточной характеристики относительно идеального положения.

Одним из основных параметров компаратора является гистерезис. Объяснить это явление проще всего, используя пример с обычным реле. Пусть рабочее напряжение катушки, например, 12В, тогда именно при нем произойдет срабатывание реле. Если после этого постепенно убавлять напряжение питания катушки, то отпускание реле произойдет, например, при напряжении 7В. Вот эта разница в целых 5В для данного реле и есть гистерезис. Но повторного включения реле, если напряжение так и останется на уровне 7В, не произойдет. Для этого надо напряжение поднять снова до 12В. И вот тогда…

То же самое наблюдается и у компараторов. Предположим, что входное напряжение плавно возрастает относительно опорного (сигналы поданы, как показано в левой части рисунка 2). Как только входное напряжение станет выше опорного (не менее, чем на величину пороговой чувствительности) на выходе компаратора появится логическая единица.

Если входное напряжение теперь станет плавно уменьшаться, то переход из логической единицы в логический ноль произойдет при напряжении на входе несколько ниже опорного. Разница входных напряжений при этих «выше опорного» и «ниже опорного» называется гистерезисом компаратора. Гистерезис компаратора обусловлен наличием в нем положительной обратной связи, которая призвана обеспечить подавление «дребезга» выходного сигнала при переключении компаратора.

Как устроен компаратор

Принципиальная схема на уровне транзисторов достаточно сложна, велика, не очень понятна, да практически и не нужна. Таковы особенности конструкции интегральной схемотехники, кажется, что транзисторы торчат везде, даже, где и не надо. Поэтому лучше рассмотреть упрощенную функциональную схему компаратора, которая показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Упрощенная функциональная схема компаратора

На схеме показаны входной дифференциальный каскад (ДК), выходная логика и схема смещения уровней.

Входной ДК осуществляет основное усиление разностного сигнала, а также с помощью устройства смещения позволяет осуществить предпочтительное состояние на выходе, что позволяет выбрать тип логики (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП), с которым предстоит работать. Данная настройка осуществляется при помощи подстроечного резистора, подключенного к выводам «балансировка».

Компараторы со стробированием и памятью

Некоторые современные компараторы имеют стробирующий вход: сравнение входных сигналов происходит только в момент подачи соответствующего импульса. Это позволяет сравнивать входные сигналы в тот момент времени, когда это потребуется. Ну, прямо, что душеньке угодно! Упрощенная структурная схема компаратора со стробированием показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Упрощенная структурная схема компаратора

Компараторы, показанные на этом рисунке, имеют парафазный выход, как у триггера, – верхний выход прямой, а нижний, отмеченный кружком, естественно, инверсный. Кроме этого здесь также показан стробирующий вход C.

На рисунке 4а стробирование входных сигналов производится по высокому уровню на входе C. При стробировании по низкому уровню, на графическом обозначении у входа C должен быть маленький кружочек (знак инверсии).

На рисунке 4б стробирующий вход C имеет черточку /, что говорит о том, что стробирование происходит по восходящему фронту импульса. В случае стробирования по падающему фронту черточка имеет вот такое направление .

Таким образом, сигнал стробирования есть не что иное, как разрешение сравнения. Результат сравнения может появляться на выходе только во время действия стробирующего импульса. Но некоторые модели компараторов обладают памятью (для этого достаточно всего одного триггера) и запоминают результат сравнения до прихода следующего импульса стробирования.

Длительность импульса стробирования (его фронта) должна быть достаточной для того, чтобы входной сигнал успел пройти через ДК до того, как успеет сработать ячейка памяти. Применение стробирования увеличивает помехозащищенность компаратора, поскольку помеха может изменить состояние компаратора лишь в короткое время стробирующего импульса. Часто компаратор называют одноразрядным АЦП.

Классификация компараторов

По сочетанию параметров компараторы можно разделить на три большие группы. Это компараторы общего применения, быстродействующие и прецизионные. В любительской практике чаще всего используются первые.

Не обладая какими-то сверхъестественными параметрами по быстродействию и усилению, наличием стробирования и памятью, компараторы широкого применения имеют свои привлекательные свойства и особенности. У них низкая потребляемая мощность, способность работать при низком напряжении питания, а также то, что в одном корпусе можно расположить до четырех компараторов. Такая «семья» позволяет в ряде случаев создавать очень полезные устройства. Одно из таких устройств показано на рисунке 5.

Это простейший преобразователь аналогового сигнала в цифровой унитарный код. Такой код с помощью цифрового преобразования можно переделать в двоичный.

Рисунок 5. Схема преобразователя аналогового сигнала в цифровой унитарный код

Схема содержит четыре компаратора K1…K4. Опорное напряжение подано на инвертирующие входы через резистивный делитель. Если сопротивление резисторов одинаковое, то на инвертирующих входах компараторов напряжение составит n*Uоп/4, где n порядковый номер компаратора. Входное напряжение подано на соединенные вместе неинвертирующие входы. В результате сравнения входного напряжения с опорным на выходах компараторов получится унитарный цифровой код входного напряжения.

Более подробно параметры компараторов общего назначения рассмотрим на примере широко распространенного и достаточно доступного компаратора LM311.

Компараторы серии LM311

Напряжения питания и условия работы

Как написано в Data Sheet эти компараторы имеют входные токи, в тысячу раз меньше, чем компараторы серий LM106 или LM170. Кроме того компараторы серии LM311 имеют более широкий диапазон питающих напряжений: от двухполярного ±15В, как у операционных усилителей, до однополярного +5…15В. Такой широкий диапазон питания позволяет использовать компараторы серии LM311 совместно с операционными усилителями, а также с различными сериями логических микросхем: ТТЛ, КМОП, ДТЛ и другими.

Кроме этого компараторы LM311 могут управлять непосредственно лампами и обмотками реле с рабочими напряжениями до 50В и токами не более 50мА. Кроме LM311 есть еще компараторы LM111 и LM211. Различаются эти микросхемы условиями работы, в основном температурой. Диапазон работы LM311 составляет 0°C…+70°C (коммерческий диапазон) LM211 -25°C…+85°C (промышленный), LM311 -55°C…+125°C (военная приемка).

Полными отечественными аналогами компаратора LM311 являются 521СА3, 554СА3 и некоторые другие. При замене не требуется изменения схемы и даже не придется переделывать печатную плату. Следует лишь обратить внимание на то обстоятельство, что компараторы, как и остальные микросхемы, выпускаются в различных корпусах, поэтому при их покупке на это следует обратить максимум внимания, особенно, если эта покупка будет использоваться для ремонта готового аппарата.

На рисунке 7 показана цоколевка (распиновака) компаратора LM311, выполненного в различных корпусах.

Компаратор. Описание и применение. Часть 1

Эта статья содержит основную информацию о работе компараторов напряжения построенных на интегральных микросхемах и может быть использована в качестве справочного материала для построения различных схем.

В электронике, компаратор представляет собой устройство, которое сравнивает между собой два электрических сигнала и выводит цифровой сигнал, указывающий на увеличение одного входного сигнала над другим. Компаратор имеет два аналоговых входа и один цифровой выход.

Компаратор, как правило, построен на дифференциальном усилителе с высоким коэффициентом усиления. Компараторы широко используются в устройствах, которые измеряют и оцифровывают аналоговые сигналы, например, в аналого-цифровых преобразователях (АЦП)

Примеры работы компаратора приведены на основе микросхемы LM339 (счетверенный компаратора напряжений) и LM393 (сдвоенный компаратор напряжения). Эти две микросхемы по своему функционалу идентичны. Компаратор напряжения LM311 так же может быть использован в данных примерах, но он имеет ряд функциональных особенностей.

Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Как правило, выход компаратора напряжения представляет собой выход с открытым коллектором.

Выход открытый коллектор имеет отрицательную полярность. Это означает, что на этом выходе не бывает положительного сигнала и нагрузка должна подключаться между этим выходом и источника питания.

В некоторых схемах к выходу компаратора подключают нагрузочный (подтягивающий) резистор для того, чтобы обеспечить сигнал высокого уровня поступающего на вход следующего элемента схемы.

Операционные усилители (ОУ), такие как LM324, LM358 и LM741 обычно не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжения из-за их биполярных выходов. Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компараторов напряжения, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор для того чтобы создать выход с открытым коллектором.

Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:

Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет ниже, чем напряжение на входе (-). И соответственно ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет выше, чем напряжение на входе (-).

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Принципиальная схема «компаратор напряжения» эквивалентна работе операционного усилителя, например, LM358 или LM324, имеющим на выходе два транзистора типа NPN (см. выше). Таким образом, можно сделать все 4 выхода ОУ (LM339) с открытым коллектором. Каждый такой выход может выдерживать ток нагрузки 15 мА и напряжение до 50 вольт.

Выход включается или выключается в зависимости от относительных напряжений на плюсовом (+) и минусовом (-) входах компаратора. Входы компаратора крайне чувствительны и разница напряжения между ними всего лишь в несколько милливольт приводит к переключению его выхода.

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

Компараторы напряжения LM339, LM393 и LM311могут работать с одно- или двухполярным источником питания до 32 вольт максимум.

При работе с двухполярным питанием, режим сравнения напряжения остается таким же, за исключением того, что для большинства схем эмиттер выходного транзистора подключается к отрицательной шине питания, а не к общей цепи. Исключением из этого правила является операционный усилитель LM311, имеющий изолированный эмиттер, который можно подключить как к минусу однополярного источника питания, так или к общему проводу двухполярного.

При работе с двухполярным источником питания, входное напряжение может быть выше или ниже относительно общего провода блока питания. Кроме того, один из входов компаратора может быть подключен к общему проводу, таким образом создается детектор «пересечение нуля».

Описание работы компаратора

Следующий рисунок показывает простейшую конфигурацию для компаратора напряжения, а так же графическое изображение режима его работы. В этой схеме опорное напряжение составляет половину напряжения питания, а входное напряжение может меняться от нуля до напряжения питания. В теории опорное и входное напряжение могут иметь значение от нуля и до напряжения источника питания, но есть реальные ограничения, зависящие от конкретно используемого компаратора.

Сигнал на выходе:

1. Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс (+) ниже, чем напряжение на входе минус (-).
2. Ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс выше, чем напряжение на входе минус.

Входное напряжение смещения компаратора

Компараторы не являются совершенными устройствами, и их работа может иметь недостаток от последствий такого параметра, как входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения для многих компараторов может составлять всего несколько милливольт и в большинстве схем может быть проигнорировано.

В основном проблема, связанная с входным напряжением смещения возникает, когда входное напряжение изменяется очень медленно. Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не полностью открывается или закрывается, когда входное напряжение находится недалеко от опорного напряжения.

Следующая диаграмма иллюстрирует эффект смещения входного напряжения возникающий в результате медленного изменения входного напряжения. Этот эффект возрастает при увеличении выходного тока транзистора. Поэтому, для уменьшения этого эффекта, необходимо обеспечить максимальное сопротивление резистора R4.

Последствия входного напряжения смещения можно уменьшить, добавив в схему гистерезис. Это приведет к тому, что опорное напряжение будет меняться, когда выход компаратора переходит на высокий или низкий уровень.

Входное напряжение смещения и гистерезис

Для большинства схем построенных на компараторах, величина гистерезиса является разностью напряжений входного сигнала, при котором выход компаратора либо полностью включен или полностью выключен. Гистерезис в компараторах, как правило, нежелателен, но он может потребоваться, когда необходимо уменьшить чувствительность к шуму или при медленном изменении входного сигнала.

Внешний гистерезис использует положительную обратную связь (ПОС) с выхода на неинвертирующий вход компаратора. В результате полученный триггер Шмитта обеспечивает дополнительную помехоустойчивость и более чистый выходной сигнал.

Эффект от использования гистерезиса в том, что при постепенном изменении входного напряжения, а опорное напряжение будет быстро изменяться в противоположном направлении. Это обеспечивает чистое переключение выхода компаратора.

Механический аналог гистерезиса может быть обнаружен в разнообразных тумблерах. Как только рукоятка тумблера перемещается мимо центральной точки, пружина в тумблере переводит контакты реле в гарантированное положение (открытое или закрытое).

Гистерезис является неотъемлемой частью большинства компараторов составляющая всего несколько милливольт и он обычно влияет только на схемы, где входное напряжение поднимается или падает очень медленно или имеет скачки напряжения, известные как «шум»…

Компаратор напряжения

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.

Компаратор напряжения на ОУ: принцип работы, схемы

Для управления электронными схемами применяются различные устройства, которые помогают настраивать и разветвлять сигналы. Для сравнения двух разных импульсов часто используется компаратор с однополярным питанием.

Обозначение и технические характеристики

Компаратор – это устройство, которое сравнивает два разных напряжения и силу тока, выдает конечный силовой сигнал, указывая на большее из них, одновременно производя расчет соотношения. У него есть две аналоговые вводные клеммы с положительным и отрицательным сигналом и один двоичный цифровой выход, как и у АЦП. Для отображения сигнала используется специальный индикатор.

УГО отображение компаратора выглядите следующим образом:

Изначально использовался только интегрированный компаратор напряжения (MAX 961ESA, PIC 16f628a), который известен как высокоскоростной. Он требует определенного дифференциального напряжения в определенном диапазоне, который существенно ниже, чем напряжение сети питания. Эти приборы не допускают никаких других внешних сигналов, которые находятся вне диапазона напряжения сети.

Сейчас гораздо чаще используется аналоговый цифровой компаратор (Attiny/ Atmega 2313), у которого транзисторный ввод. У него вводный потенциал сигнала находится в диапазоне менее 0,3 Вольт и не поднимается выше. Устройство может быть также ультра быстрого типа (стереокомпаратор), благодаря чему входной сигнал меньше обозначенного диапазона, к примеру, 0,2 Вольта. Как правило, используемый диапазон ограничивается только конкретным входным напряжением.

Помимо простого прибора, также существует видеоспектральный компаратор на ОУ (операционном усилителе). Это прибор, у которого очень тонко сбалансирована разница входа и высокого сопротивления сигнала. Благодаря такой характеристики, операционный компаратор используется в низкопроводимых схемах с небольшим вольтажем.

В теории, частотный операционный усилитель работает в конфигурации с открытым контуром (без отрицательной обратной связи) и может быть использован в качестве компаратора низкой производительности. Но при этом, не инвертирующий вход (+ V) находится на более высоком напряжении, чем на инвертирующий (V-). Высокое усиление, выходящее из операционного усилителя, провоцирует выход низкого напряжения на входе в устройство.

Когда неинвертирующий вход падает ниже инвертирующего входа, выходной сигнал насыщается при отрицательном уровне питания, то он все равно может проводить импульсы. Выходное напряжение ОУ ограничивается только напряжением питания. Принципиальная электрическая схема ОУ работает в линейном режиме с отрицательной обратной связью, с помощью сбалансированного сплит-источника питания (питание от ± V S ). Многие приборы, работающие с компаратором, также имеют свойство фиксировать полученные данные при помощи видео-, фото- или документальной записи. Эти электронные принципы не работают в системах, где используются разомкнутые контуры и низкопроводящие элементы.

Но у компараторного усилителя существует несколько существенных недостатков:

1. Операционные усилители предназначены для работы в линейном режиме с отрицательной обратной связью. Но при этом, ОУ имеет более длительный режим восстановления;
2. Почти все операционные усилители имеют конденсатор внутренней компенсации, который ограничивает скорость нарастания выходного напряжения для высокочастотных сигналов. Исходя из этого, данная схема немного задерживает импульс;
3. Компаратор не имеет внутреннего гистерезиса.

Из-за этих недостатков, компаратор для управления различными схемами, в большинстве случаев, используется без усилителя, исключением является генератор.

Компаратор предназначен для производственных процессов с ограниченным выходным напряжением, которое легко взаимодействует с цифровой логикой. Поэтому его часто используются в различных термических приборах (терморегулятор, реле температуры). Также его применяют для сравнения сигналов и сопротивлений таких устройств, как таймер, стабилизатор и прочая схемотехника.

Видео: компараторы

Принцип работы

Для того, чтобы продемонстрировать, как работает быстродействующий компаратор с гистерезисом, нужно взять схему с двумя выходами.

Схема включения, по которой можно понять принцип работы компаратора, показана выше. Используя аналоговый сигнал во + входе, именуемым «неинвертируемым», и выходе, который называется под названием «инвертируемый», устройство использует два аналогичных разнополярных сигнала. При этом если аналоговый вход больше, чем аналоговый выход, то выход будет «1», и это включит открытый коллектор транзистора Q8 на эквивалентной схеме LM339, которую нужно включить. Но, если вход находится на отрицательном уровне, то сигнал будет равняться «0», из-за чего, коллектор будет находиться в закрытом виде.

Практически всегда двухпороговый или фазовый компаратор (например, на транзисторах, без усилителя) воздействует на входы в логических цепях, соответственно, работает по уровню определенной сети питания. Это своеобразный элемент перехода между аналоговыми и цифровыми сигналами. Такой принцип действия позволяет не уточнять определенность или неопределенность выходов сигналов, т. к. компаратор всегда имеет некий захват петли гистерезиса (независимо от её уровня) или окончательный коэффициент усиления.

Назначение

Зачем нужен компаратор и как его использовать без усилителя? В большинстве случаев, этот прибор применяется в несложных компьютерных схемах, где нужно сравнивать сигналы входящего напряжения. Это может быть зарядное устройство для ноутбука или телефона, весы (определитель массы), датчик сетевого напряжения AVR, таймер (компоратор типа lm 358, микроконтроллер и т. д. Также его применяют различные интегральные микросхемы для контроля входных импульсов, обеспечивая связь между источником сигнала и его центром назначения.

Наиболее популярным примером является компаратор триггер (регулятор) Шиммера. Он работает в режиме многоканальности, соответственно, может сравнивать большое количество сигналов. В частности, данный триггер применяется для того, чтобы восстановить цифровой сигнал, который искажает связь в зависимости от уровня напряжения и расстояния источника питания.

Это аналог стандартного компаратора, просто с более расширенным функционалом, который обеспечивает измерение нескольких входящих сигналов.

Также есть компаратор шероховатости. Это устройство, которое помогает визуально определить состояние поверхности, которая уже подвергалась обработке. Применение этого приспособления обосновано необходимостью определять допуски обработанных ранее поверхностей.

Программирование и компаратор

Компоратор используется не только как часть электрической схемы ШИМ и т. д., его часто используют для создания отдельных программ или их компонентов. Например, устройство часто используется для создания java-коллекций.

1. Чтобы работать, Вам понадобится специальная программа Maven. Для начала Вам нужно создать проект, для полноценной работы необходимо подключение к интернету. Создаете новый проект, в структуре выберете два компонента: comparator и pojo. Наличие проверяется при помощи утилиты JUnit 4.11;
2. Установите pom.xml и создайте новый файл. Прерывание процесса недопустимо, поэтому очень важно на каждом этапе сохранять. После осуществляется создание и настройка POJO, где указываются нужные настройки. Параметры зависят от требований к конкретной библиотеке. Это могут быть даты рождения, общая информация по проживанию и т. д.;
3. И только после создается компаратор. Это класс, который используется для поверки данных и их распределения по нужным папкам. Использование данного класса необходимо, если нужно отсортировать определенную информацию по заданным параметрам (цвета, размеры, даты). Благодаря этому обеспечивается защита данных и их классификация по определенному принципу.

Купить готовый компаратор можно в любом магазине радиотехнических приборов и электротехники. Цена прибора варьируется в зависимости от его назначения и количества каналов.

Может кто-нибудь объяснить, как работает этот транзисторный компаратор?

Схема представляет собой компаратор и может быть очень полезна более или менее, как показано.

Я использовал схему, по существу такую ​​же, как и в производственном оборудовании, чтобы удовлетворить требование, которое было трудно удовлетворить легко и дешево другими способами.

Есть несколько способов взглянуть на схему. Схема не заботится о том, как вы на нее смотрите, но та или иная визуализация может помочь вашему пониманию.

Это известно как «пара с длинным хвостом», но в данном случае «хвост» не очень длинный в том смысле, в котором он имелся изначально. В идеальном варианте этой схемы ножка Re является источником постоянного тока, всегда потребляющего ток Ie.

Вызов левого транзистора Q1 и правого транзистора Q2

Вызов базовых напряжений Vi1 и Vi2 ИЛИ Vil и Vir

Напряжение коллектора вызовов Vcl / Vcr или Vc1 / Vc2

Напряжение передатчика вызова Ve (разделяется Q1 и A2)

На данный момент предположим, что комбинация Ie, Re и Vee образуют идеальный источник постоянного тока Ie — это предположение может быть пересмотрено позже при желании — но упрощает отслеживание работы на начальном этапе, и во многих реальных случаях предположение таково. «достаточно хорошо.

RC1 = RC2 в большинстве случаев. Фактически возникает особый и полезный случай, когда RC1 существенно отличается от RC2, НО для базового дифференциального усилителя предположим, что они равны. Если он «почти равен» с различиями из-за производственных допусков, он ВСЕ ЕЩЕ работает, но с неидеальностями. Предположим, что пока что идентичны.

В идеале Q1 и Q2 совпадают по характеристикам, но для многих целей они могут быть только двумя и того же типа. Предположим, что для начала подобраны транзисторы. Это также может быть пересмотрено, и это НЕ существенно.

В большинстве случаев Ie и Rc расположены так, что транзисторы не насыщаются, когда оба имеют примерно одинаковый ток — даже это не сложно и быстро, НО начнем с этого.

Операция:

(1) Версия 1:

Представьте, что Vb1 = Vb1 и> Re, так что ток Ie делится на 2 поровну (при согласовании транзисторов) и Ie / 2 течет в каждом транзисторе.

Vc1 = Vc2, поскольку резисторы и токи равны.

Теперь немного увеличьте Vb1. Q1 потребляет на больше тока, скажем, через dIe.Но поскольку общий ток постоянен, Q2 должен уменьшить ток на dIe. Vc1 упадет на dIe x Rc1, а Vc2 увеличится на равную величину.

На практике внутреннее сопротивление эмиттера Q1 падает с увеличением тока (Re ~ = 26 / Ima), и этот эффект увеличивает коэффициент усиления по току Q1 и уменьшает коэффициент усиления Q2 и увеличивает разность напряжений, НО это не нужно принимать во внимание. аккаунт напрямую, чтобы понять работу (хотя следующий абзац тесно связан).

Если действие транзистора было линейным с Ie ~ + Ic, пропорциональным Vbe, то медленно возрастающее базовое напряжение на Q1 увеличивало бы Iq1 и уменьшало Iq2 линейно. Однако Ic экспоненциально возрастает с увеличением Vbe, не углубляясь в модели транзисторов, в которых говорится о стандартной модели.

Из Википедия — Биполярный переходной транзистор

По сути, это можно свести к утверждению, что Ic пропорционален Vbe (как указано выше) плюс константа, основанная на других «факторах», которые здесь не имеют отношения.(Одна из «констант» — это температура, которая имеет большое значение в реальном мире, но здесь ее можно игнорировать.)

Результатом этого является то, что при небольшом увеличении Vb1 относительно Vb2, Ic1 изменяется экспоненциально, уменьшая ток, протекающий через Q2, и, таким образом, заставляет Vc1 допировать, а Vc2 повышаться.

Включите изменения типичных напряжений и токов в приведенное выше уравнение, и вы сможете построить график усиления и размаха напряжения.

Для значительного увеличения Vb1, скажем, на десятые доли вольта. Легко установить, что Q1 насыщается, поскольку Ib_Q1 x beta_q1> Ie.На этом этапе Q1 принимает на себя весь ток, Q1 постоянно включается, Q2 выключается, а Vc2 повышается до Vcc. Может быть получен удивительно эффективный компаратор.

Если Re / Ie не является источником тока, то увеличение Vb1 увеличивает I_Q1, поэтому V_RE возрастает из-за увеличения тока. Это уменьшает Vbe Q2, поскольку Vb2 является постоянным, а Ve выросло — поэтому текущая доля колеблется в сторону Q1, и Reinternal Q1 падает, а Reinternal Q2 возрастает (что является частью другого подхода к экспоненциальному соотношению VBe / Ic), и дифференциальное действие все еще происходит.

Можно (легко) сказать и больше, но этого достаточно для нового времени.

(2) Версия 2.

Q1 — эмиттерный повторитель.
RC1 не имеет особого значения, за исключением того, что помогает поддерживать соответствие характеристик транзистора.
Когда Vb1 = Vb2, то падение напряжения «вниз от Q1b до Q1e соответствует шагу вверх от Q2e до Q2b.
Поскольку Q1 является эмиттерным повторителем, он будет управлять Ve с Ve = Vb1 — Vbe1.
Увеличение Vb1 увеличивает Ve на ту же величину (если Vbea остается постоянным ( что является достаточно хорошим приближением для малых нарастаний Vb1)).
Ve уменьшение Vbe2 на ту же величину, поэтому уменьшает Ic2 по мере увеличения Ic1 из-за экспоненциального эффекта увеличения Ic1 на усиление. И …

3. Версия 3. Это еще один взгляд на версию 2 (а 1 2 3 в реальности, конечно, все одинаковы)

Q2 — усилитель с общей базой, база которого находится на уровне Vb2, а входное напряжение = Ve.
Изменения Ve, вызванные изменениями в работе эмиттерного повторителя Q1, усиливаются в режиме общей базы. (По сути, это то же самое, что и режим обычного эмиттера, но вы стоите в другом месте, чтобы смотреть, как это было).
Если немного поиграть с приведенным выше уравнением транзистора и подставить константу Больцмана (k выше), то получится поразительный для многих результат: коэффициент усиления Q2 = 38,4 x (Vcc-Vc2)
, т.е. коэффициент усиления составляет 38,4 x падение на резисторе коллектора. Поскольку мы изменяем Ve, скажем, на 0,1 В, тогда, если начальное значение V_RC2 = скажем, 5 В постоянного тока, тогда Vc2 изменится на 38,4 x 5 В x изменение входа 0,1 В = 19,2 В.
ЕСЛИ напряжение питания 10 В, скажем, изменение 19 В не может произойти, и Q2 выключится, а Q1 полностью включится с изменением Vb1 намного меньше 0,1 В.

Этот результат в реальном мире настолько противоречит здравому смыслу и тому, что большинство людей думают, что они знают о транзисторах, что надевание костюмов пламени сейчас может быть хорошей идеей :-).

Работает:

Я хотел измерить скорость ротора велотренажера, который использовал трехфазный генератор переменного тока в качестве нагрузки — используя только формы колебаний генератора. Это сэкономило клиенту расходы на тростниковый датчик или датчик Холла, а также проводку и подключение. Небольшой, но стоящий, ЕСЛИ бы это можно было сделать очень дешево.Я использовал подключения к 2 фазным обмоткам. (Использование только одного оказалось нежизнеспособным). Я использовал 2 транзистора BC337 с 1M (AFAIR — около 14 лет назад) на каждую базу и, возможно, 1k в качестве Re и RC =? (1к, 10к?) Cct при необходимости можно откопать.
Я подавал до 200 В переменного тока от 2 фаз генератора переменного тока (2-фазный велотренажер) с резистивной нагрузкой ШИМ 20 кГц. Частоту генератора я забыл, но, вероятно, сотни Гц в зависимости от скорости вращения педалей пользователя. Достаточно сказать, что переменное напряжение и частота, переменная нагрузка, ШИМ 20 кГц, насыщение слоев при увеличении скорости, изменение формы сигнала синусоидальной на трапециевидную и многое другое сделали ввод «немного беспорядочным».Из этого с минимальной фильтрацией «длиннохвостая пара» извлекла прекрасно чистый сигнал, пропорциональный скорости вращения ротора. Транзисторы не были согласованы, а базы не имели резисторов для заземления — 2 x 1 МОм действовали как источники тока, а каждый транзистор, в свою очередь, получал меньше или больше привода.

Это был крайний случай, но схема пригодится и в другом месте. Различные неидеальности, о которых я упоминал выше, имеют тенденцию проявляться в основном как входное напряжение смещения — одна база будет иметь более высокое напряжение, чем другая, когда система «сбалансирована».Если это терпимо, а это часто бывает, результат может быть отличным.

Пара с длинным хвостом гораздо ближе к операционному усилителю, чем почти все остальное, что вы можете легко и дешево сделать без микросхем.
Почти волшебство :-).

«Гиперфизика» Работа транзистора

Как рассчитать ток коллектора транзистора

Можно ли построить компаратор напряжения только из транзисторов и резисторов NPN BPJ?

Я взял рассказ ниже из своего ответа на похожий любопытный вопрос и немного отредактировал его…

1. Вход база-эмиттер. Единственный способ управлять транзистором — это подавать входное напряжение (около нескольких сотен милливольт) на его переход база-эмиттер. По какой-то причине чаще всего мы представляем это напряжение как небольшую разницу между двумя относительно высокими несимметричными (относительно земли) напряжениями. Таким образом, переход база-эмиттер является плавающим, и у нас есть несколько способов управления транзистором.

Чтобы исследовать их в лаборатории, мои студенты монтируют универсальную схему — рис.1, где два входных напряжения «производятся» потенциометрами 1 k… а ток коллектора отображается с помощью светодиода. Перемещая ползунки потенциометра, возникает ощущение, что база и эмиттер (напряжения) «двигаются» вверх-вниз.

Рис. 1. Установка для исследования различных транзисторных каскадов на доске (Vcc = 12 В). Напряжения отображаются в виде полосок (красного цвета) с пропорциональной высотой; Токовые пути визуализируются в виде петель (ток делителя — зеленым, базовый ток — синим, а ток коллектора — фиолетовым) с пропорциональной толщиной.

Предлагаю вам смонтировать схему на макетной плате — рис. 2 и воспроизвести следующие эксперименты. Предпочтительно использовать (геометрически и электрически) линейные потенциометры. Если у вас есть еще два мультиметра (вольтметра) помимо V1 и V2, вы можете подключить их параллельно к Rc и к выходу OUT (Vc). Конечно, вы также можете вставить амперметр.

Рис. 2. Установка для исследования различных транзисторных каскадов на макетной плате

2.Базовый ввод. Во-первых, вы можете установить (с помощью потенциометра P2) постоянное напряжение Ve на эмиттере, а затем изменить (с помощью потенциометра P1) базовое напряжение Vb. Только будьте осторожны, чтобы Vb был на несколько сотен милливольт выше Ve. Вы увидите, что при увеличении V1 светодиод постепенно начинает светиться (Ic увеличивается) … VRc увеличивается … но Vout уменьшается. Название этой схемы — «каскад с общим эмиттером».

Возможно, вы заметили, что Ve слегка изменяется в одном направлении с Vb, потому что ток эмиттера изменяется и P2 не является идеальным источником напряжения (его сопротивление Тевенина не равно нулю).Здесь это нежелательный эффект, но позже мы воспользуемся им. Чтобы сделать Ve «жестким», подключите большой (> 1000 мкФ) «байпасный конденсатор» параллельно выходу P2 (между эмиттером и землей) … и наблюдайте результат, быстро покачивая ползунок P1. Как говорится, эмиттер «заземлен по переменному току».

3. Вход эмиттера. Но с тем же успехом можно установить (теперь с помощью потенциометра P1) постоянное напряжение Vb на базе, а затем изменять (с помощью потенциометра P2) напряжение эмиттера Ve.Теперь будьте осторожны, чтобы Ve было на несколько сотен милливольт ниже Vb. Теперь вы увидите, что при увеличении V2 светодиод постепенно начинает светиться тусклее (Ic уменьшается) … VRc уменьшается … но Vout увеличивается. Название этой аранжировки — «стадия общей базы».

Здесь вы можете заметить, что Vb слегка изменяется в том же направлении, что и Ve, потому что переход база-эмиттер передает вариации Ve … а эмиттер «тянет вниз» базу через переход база-эмиттер. Как и выше, чтобы сделать Vb достаточно жестким, подключите большой «байпасный конденсатор» параллельно выходу P1 (между базой и землей)… и наблюдаем за результатом. Теперь база «заземлена по переменному току».

4. Вход базы и эмиттера. Если вам достаточно любопытно, продолжайте эти захватывающие эксперименты, варьируя Vb и Ve. Сначала установите такую ​​разницу Vb — Ve, чтобы светодиод светился тусклым светом (около 650 мВ). Затем возьмитесь за ползунки потенциометра обеими руками и начните перемещать их одновременно:

… в том же направлении, с той же скоростью. Очень интересно — оба напряжения меняются одновременно, но их разность Vb — Ve, Ic, VRc и Vout не меняется.Они называют это «общим режимом» и, как правило, вводят его при объяснении операционных усилителей. Но вы встретили это прямо сейчас, на транзисторных схемах. Действительно, это можно было узнать даже по мостовым схемам (так называемый «балансный мост»).

… в противоположных направлениях с той же скоростью. Теперь оба напряжения изменяются одновременно и их разность Vb — Ve, Ic, VRc и Vout сильно изменяются. Они называют этот «дифференциальный режим» и также вводят его при объяснении операционных усилителей, но вы можете встретить его при исследовании мостовых схем («несимметричный мост»).Эта схема является прототипом транзисторного дифференциального каскада OP (также известного как «дифференциальная пара» или «пара с длинным хвостом»).

Интересно, что в схемах выше, когда Vb — Ve> 0,7 В, переход база-эмиттер практически соединяет (как мост) два источника входного напряжения, что может вызвать интересные эффекты. Если Vb — Ve <= 0, переход база-эмиттер отсечен и между ними нет никакой связи.

5. Вход базового и буферизованного эмиттера. Проблема простого 1-транзисторного компаратора, описанного выше, заключается в том, что большой ток эмиттера протекает через источник входного напряжения, подключенный к эмиттеру.Мы можем решить эту проблему, подключив (другой) эмиттерный повторитель между входным источником и эмиттером … и так мы получим знаменитую схему 2-транзисторного дифференциального усилителя (компаратора) …

Надеюсь, мой рассказ будет вам полезен не только своим содержанием, но и тем, как представлены идеи схем. С его помощью я хотел показать, что схемы могут быть интересными и увлекательными … и не просто скучным ремеслом …

Помогите понять компаратор напряжения BJT

Чтобы понять схему, подумайте об источниках тока как о резисторах.Процессы, которые делают микросхемы, очень хороши в создании источников тока внутри них (даже лучше, чем они в создании резисторов), и использование источников тока, а не резисторов, уменьшит требуемый запас между входными напряжениями и V +, но для целей понимания резисторов будет работать нормально. Точные значения не имеют особого значения. Также обратите внимание, что для целей следующего обсуждения транзисторы будут рассматриваться как имеющие падение база-эмиттер ровно 0,7 В. На самом деле, Vbe может отличаться, хотя на одном и том же чипе в одинаковых условиях поведение должно быть одинаковым.

Каждый из транзисторов PNP будет пытаться втянуть ток в свой эмиттер, посылая около 2% из базы и 98% из коллектора, чтобы подтянуть эмиттер и коллектор к напряжениям, различающимся 0,7 В. Для Q1 и Q4 это приведет к тому, что эмиттеры будут на 0,7 В выше входов; около 2% тока, который должны потреблять эмиттеры, будут уходить на входы, а остальное будет заземлено.

Предположим, что на входе + 1,0 вольт, а на входе — 1,1 вольт.Тогда база Q2 должна быть около 1,7 вольт, а база Q3 — 1,8 вольт. Q2 потребляет достаточный ток через свой эмиттер, чтобы снизить его примерно до 2,4 В (на 0,7 В выше его базы). Поскольку между эмиттером и базой Q3 будет только 0,6 В, ему не придется ничего протягивать через эмиттер.

Таким образом, почти весь ток, подаваемый расположенным вверху источником тока 100 мкА, пойдет на эмиттер левого транзистора, и около 98% этого тока пройдет на его коллектор.Цепь Q5 / Q6 называется токовым зеркалом; Q5 поглотит весь ток, который он предлагает, а Q6 захочет поглотить либо столько тока, сколько течет в Q5, либо столько тока, сколько необходимо для заземления его коллектора. В этом случае Q3 почти ничего не будет проходить, поэтому Q6 потянет свой коллектор на землю. На базе Q7 ничего не будет, так что его коллекционер ничего не сожрет. Таким образом, около 100 мкА будет доступно для подачи на основание Q8, включая его.

Предположим, что входные напряжения были переключены.Тогда у Q2 не будет ничего между эмиттером и базой, а у Q3 будет 0,7 вольта. В этом сценарии ток не течет в левую часть цепи токового зеркала, поэтому правая сторона не желает ничего поглощать. Таким образом, большая часть 100 мкА из верхнего центра течет в основание Q7. Это включает его и заставляет поглощать ток от правого источника, не оставляя ничего для Q8.

by Lewis Loflin

На этой странице представлена ​​основная информация о компараторе напряжения. интегральных схем и должен служить справочным материалом для других схем.В Показанные схемы основаны на четырехканальном компараторе напряжения LM339 или LM393. Двойной компаратор напряжения. Эти устройства функционально идентичны. В Компаратор напряжения LM311 также может использоваться для этих приложений, а также имеет ряд уникальных особенностей.

Здесь я сосредоточусь на примерах, не представленных в моем Руководстве по примерам схем компаратора. Я хотел бы поблагодарить Роба Пейсли за его тяжелую работу и вдохновение.

Видео на YouTube: Введение в схемы компаратора

См. Мою страницу Просмотр схем оконного компаратора

На рис. 1 показана внутренняя эквивалентная схема одиночного компаратора в счетверенном компараторе LM339. (См. Внутренние соединения корпуса для LM339.) Он состоит из операционного усилителя с выходным транзистором с открытым коллектором.

На рис. 2 показано использование схемы компаратора операционного усилителя LM741.Это требует двухполюсного источника питания и создает ряд проблем. Мы можем использовать операционный усилитель LM358 с однополярным питанием. К счастью, все LM339, LM393 и LM311 являются компараторами с однополярным питанием и выходами с открытым коллектором.

Все они работают одинаково: когда напряжение на опорном входе больше входного напряжения, выход включается или выключается.

LM311 отличается от LM339 и LM393 тем, что эмиттер выходного транзистора должен быть заземлен снаружи.

В случае LM358 или LM741 он выдает напряжение, в то время как открытый коллектор включается, создавая путь к земле — электронный переключатель ВКЛ-ВЫКЛ.

Еще раз повторить правило для входов компаратора с выходами с открытым коллектором:

Ток БУДЕТ течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе MINUS выше, чем напряжение на входе PLUS.

Ток НЕ БУДЕТ проходить через открытый коллектор, если напряжение на входе МИНУС ниже, чем напряжение на входе ПЛЮС.

Гистерезис

Гистерезис определяется как:

При медленном изменении входного сигнала могут появиться колебания на выходе, пока входной сигнал остается близким к опорному напряжению. Также сигнал низкой амплитуды на высоком импедансе может вызывают колебания из-за шумового фона.Такое нежелательное поведение можно решить с помощью гистерезис. Принцип гистерезиса состоит из двух различных входных пороговых напряжений. в зависимости от фактического состояния выхода.

На рис. 7 показан триггер Шмитта на основе компаратора, который используется для обеспечения четкого переключения с зашумленными или нестабильными сигналами. Когда входное напряжение на TP2 меньше TP1, компаратор находится в состоянии ВЫКЛ. ТР3 подтягивается почти до 12 вольт резистором R4 3 кОм.

На рис. 8 показано, как, когда компаратор выключен, R4 и R1 образуют последовательность 30K, которая параллельна R2, смещающему TP1 (Vref) до 6,56 вольт.

Без R1 Vref было бы 6 вольт.

Когда компаратор включен, TP3 переключается на землю через внутренний транзистор с открытым коллектором, где резистор R1 47 кОм теперь включен параллельно с резистором R3 10 кОм, образуя общее сопротивление 8245 Ом. Это снижает Vref на TP1 до 5.36 вольт.

Для включения компаратора требуется 6,56 В на Vin, но для выключения напряжение должно упасть до 5,36 В. Это обеспечивает коммутационный промежуток или значение гистерезиса ~ 1,2 В, что обеспечивает стабильную работу.

Самые популярные видео и веб-страницы

Другие схемы

Что такое компаратор в электронике?

В электронике компаратор — это электронная схема, которая сравнивает два напряжения (или тока) и выводит цифровой сигнал, указывающий, какое из них больше.Сравнение двух или более данных для определения размера числа и порядка расположения между ними. Кроме того, это схема, которая сравнивает аналоговый сигнал напряжения с опорным напряжением. Два входа компаратора представляют собой аналоговые сигналы, а выход — двоичный сигнал 0 или 1, а выход — в идеале. Когда разница входного напряжения изменяется, а положительный и отрицательный знак остается постоянным, выходное напряжение остается неизменным. Компараторы играют важную роль в разработке электрических и электронных проектов.

Что такое компаратор?

Каталог

Ⅰ Принцип работы

Обычно в электронике компаратор используется для сравнения двух напряжений или токов, подаваемых на два входа компаратора. Схема компаратора сравнивает два напряжения и выдает либо 1 (напряжение на положительной стороне; VDD на иллюстрации), либо 0 (напряжение на отрицательной стороне), чтобы указать, какое из них больше. Теоретически операционный усилитель можно использовать в качестве компаратора без отрицательной обратной связи.Однако коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя очень высок, поэтому он может обрабатывать сигналы только с очень малым входным дифференциальным напряжением. Более того, как правило, время задержки операционного усилителя велико, что не может соответствовать реальным требованиям. Компаратор можно настроить для обеспечения очень малой задержки по времени, но его частотные характеристики будут ограничены. Чтобы избежать колебаний на выходе, многие компараторы также имеют внутренние цепи гистерезиса. Порог компаратора фиксированный, у некоторых есть только один порог, а у некоторых два порога.

Символ компаратора

Ⅱ Основные параметры

2.1 Напряжение гистерезиса

Напряжение между двумя входными клеммами компаратора изменит выходное состояние, когда оно пересечет нулевое значение. Поскольку на входной вывод часто накладывается небольшое колебание напряжения, генерируемое им напряжение в дифференциальном режиме будет вызывать частые изменения на выходе компаратора. Чтобы избежать колебаний на выходе, новый компаратор обычно имеет гистерезисное напряжение в несколько мВ.Для его существования требуются две точки переключения компаратора: одна используется для определения повышения напряжения, другая — для обнаружения падения напряжения. Разница порога напряжения (VTRIP) равна гистерезису напряжения (VHYST). Напряжение смещения гистерезисного компаратора является средним значением TRIP и VTRIP-. Точка переключения входного напряжения компаратора без гистерезиса — это входное напряжение смещения, а не ноль идеального компаратора. Кроме того, напряжение смещения обычно зависит от температуры и напряжения источника питания.Коэффициент отклонения источника питания обычно используется для выражения влияния изменений напряжения источника питания на напряжение смещения.

2.2 Ток смещения

Входное сопротивление идеального компаратора бесконечно. Следовательно, теоретически это не влияет на входной сигнал. Однако фактическое входное сопротивление компаратора не может быть бесконечным. На входном конце есть ток, который проходит через внутреннее сопротивление источника сигнала и течет в компаратор, тем самым создавая дополнительную разницу напряжений.Ток смещения (Ibias) определяется как медиана входных токов двух компараторов и используется для измерения влияния входного импеданса.

2.3 Super Power Swing

Для дальнейшей оптимизации диапазона рабочего напряжения компаратора Maxim использует параллельную структуру трубки NPN и трубки PNP в качестве входного каскада компаратора. Таким образом, входное напряжение компаратора может быть увеличено. В этом случае нижний предел может быть ниже самого низкого уровня, а верхний предел на 250 мВ выше, чем напряжение источника питания, чтобы достичь стандарта Beyond-the-Rail.Вход этого компаратора допускает большее синфазное напряжение.

2.4 Напряжение сток-исток

Компаратор имеет только два различных состояния выхода (нулевой уровень или напряжение источника питания). Его выходной каскад компаратора с характеристиками полного размаха мощности представляет собой эмиттерный повторитель, который уменьшает разницу напряжений между входными и выходными сигналами. Разность напряжений зависит от напряжения эмиттерного перехода в состоянии насыщения внутреннего транзистора компаратора, которое равно напряжению сток-исток МОП-транзистора.

2.5 Время задержки выхода

Включает в себя задержку передачи сигнала через компоненты, а также время нарастания и время спада сигнала. Для высокоскоростных компараторов, таких как MAX961, типичное значение времени задержки может достигать 4,5 нс, а время нарастания — 2,3 нс. Обратите внимание на влияние различных факторов на время задержки при проектировании, включая влияние температуры, емкостной нагрузки, перегрузки по входу и т. Д.
Хотя компаратор бывает разных типов.Конструкция и конструкция каждого из них должны соответствовать обычным условиям использования, не влияя на точность измерений. Инструмент должен быть очень чувствительным и выдерживать разумное неправильное использование без непоправимого вреда.

Ⅲ Классификация компараторов

Компараторы подразделяются на различные типы, такие как электронные, электрические, механические, оптические, сигма, цифровые и пневматические компараторы. Они используются в различных приложениях. Речь идет об электронном компараторе.

3.1 Компаратор напряжения

Компаратор напряжения — это схема, которая распознает и сравнивает входные сигналы, и является основным блоком, который формирует схему генерации несинусоидальных волн. Обычно используются компараторы напряжения, включая компараторы с одним пределом, гистерезисные компараторы, оконные компараторы и компараторы напряжения с тремя состояниями. Компаратор напряжения может использоваться в качестве интерфейса между аналоговыми и цифровыми схемами, а также схемами генерации и преобразования сигналов.

3.2 Оконный компаратор

Объедините два компаратора, чтобы сформировать «оконный компаратор», который широко используется. Оконный компаратор может одновременно устанавливать верхнее предельное напряжение и нижнее предельное напряжение на входе, в пределах ограниченного диапазона напряжений или вне диапазона, который нам нужен. Когда потенциальный уровень сигнала высокого уровня выше определенного заданного значения VH, это эквивалентно выходу положительного насыщения схемы компаратора. Когда потенциальный уровень сигнала низкого уровня ниже определенного заданного значения VL, это эквивалентно выходу отрицательного насыщения схемы компаратора.Компаратор имеет два порога, а характеристика передачи имеет форму окна, поэтому он называется оконным компаратором.

3.3 Компаратор гистерезиса

Это компаратор с характеристиками передачи петли гистерезиса, который можно понимать как однопредельный компаратор с положительной обратной связью. Когда входное напряжение vI постепенно увеличивается от нуля и VI меньше VT, выход компаратора представляет собой положительное напряжение насыщения, а VT называется верхним пороговым (триггером) уровнем.Когда входное напряжение VI> VT, выход компаратора представляет собой отрицательное напряжение насыщения, а VT называется нижним пороговым (триггерным) уровнем.

Ⅳ ИС компаратора

Распространенными микросхемами являются LM324, LM358, uA741, TL081 \ 2 \ 3 \ 4, OP07, OP27, которые все могут быть преобразованы в компараторы напряжения (без отрицательной обратной связи). LM339 и LM393 — профессиональные компараторы напряжения с высокой скоростью переключения и малым временем задержки, которые можно использовать в особых случаях сравнения напряжений.

Ⅴ Как выбрать компаратор?

Принцип работы компаратора прост и понятен.Он имеет положительный вывод и отрицательный вывод. Когда напряжение на положительном выводе высокое, на выходе подается сигнал. При использовании выхода с открытым коллектором выходной вывод компаратора является коллектором транзистора или стоком полевого транзистора. При использовании двухтактного выхода компаратор имеет дополнительный каскад NPN / PNP, как в операционном усилителе. Выход с открытым коллектором используется, когда нагрузка и компаратор используют разные источники питания. По такой схеме можно реализовать соленоид на 12В, хотя компаратор может работать только на 3.3В. Другая функция выхода с открытым коллектором — минимизировать ток покоя, когда выход выключен. Среди них ток базы не протекает в выходном транзисторе N-типа, а некоторый ток базы всегда протекает через один из двух выходных транзисторов.
Однако выход с открытым коллектором также имеет некоторые недостатки. Например, им требуются внешние подтягивающие резисторы. Эти резисторы должны выполнять задачу подтягивания в течение периода высокого импеданса, чтобы, когда выходное значение ниже, чем отключение, компаратор мог переключаться быстрее, а подтягивающий резистор повышал выходной уровень.Поэтому, когда вам нужен симметричный сигнал, не рекомендуется использовать выход с открытым коллектором, например схему восстановления тактовой частоты. Если ваша схема не требует преобразования уровня, вы должны выбрать двухтактный выход, такой как ALD2321APC, он может обеспечить выходную мощность привода 24 мА, ток покоя составляет 90 мкА.

Высокоскоростной компаратор может также иметь выход с фиксацией, так что выход может поддерживаться в известном состоянии, чтобы соответствовать требованиям настройки и времени удержания цифрового входа, находящегося за ним.Как только цифровая часть считывает выход компаратора, штифт защелки может быть отпущен, и выход может отслеживать вход.
Высокоскоростные компараторы могут также использовать уровни ECL (эмиттерно-связанной логики) от -5 В до 0 В. Выходы PECL (положительная эмиттерная логика) имеют одинаковые колебания напряжения от 0 В до 5 В. Также имеется выход RSPECL (PECL с уменьшенной амплитудой). Два выходных контакта некоторых высокоскоростных компараторов используют выход LVDS (низковольтная дифференциальная сигнализация), который преобразует 300 мВ примерно в 1.Синфазное напряжение 2 В дополнительным образом. Вы можете отправлять эти выходы непосредственно на входные контакты LVDS ПЛИС (программируемая вентильная матрица) и других цифровых схем.
В производстве технология CMOS обычно используется для создания маломощных устройств, а биполярные устройства используются для создания высокоскоростных устройств. Это представляет собой базовый компромисс: мощные высокоскоростные точные устройства и маломощные низкоскоростные устройства. Еще один компромисс — усиление и высокая скорость. Компаратор с низким энергопотреблением может занять время преобразования 70 мкс и потреблять меньше энергии.Время отклика высокоскоростного компаратора составляет 150 пс. Некоторые устройства могут преодолеть компромисс между скоростью и потребляемой мощностью. При преобразовании с максимальной скоростью потребляемая компаратором мощность намного превышает его статическое энергопотребление. В статическом состоянии ток низкий. Когда компаратор работает на более высокой скорости, он должен иметь возможность заряжать конденсатор. В динамическом режиме ток увеличивается с увеличением рабочей скорости. Еще одним фактором энергопотребления является нагрузка на микросхему.Для коммутируемого тока емкость также станет нагрузкой, и необходимо учитывать емкостные и резистивные составляющие нагрузки. Многие устройства имеют сломанные контакты, что может снизить потребляемую мощность до менее 1 мкА.
Как и все моделирование, заявленная задержка распространения имеет смысл только при строго определенных условиях, потому что степень, с которой входной вывод управляется, напрямую влияет на задержку распространения. Чем больше перегрузка, тем быстрее устройство. Дисперсия — это диапазон значений задержки распространения устройства при различных уровнях перегрузки.Связь между перегрузкой и скоростью — одна из причин, по которой некоторые инженеры не хотят рассматривать скорость компаратора как функцию скорости нарастания. Необходимо определить выходной уровень, который квантован как допустимый переход, обычно максимальный выходной уровень составляет от 10% до 90%. Скорость нарастания также представляет собой требование к перегрузке, то есть, чтобы задержка распространения была как можно короче.

Еще один параметр, который следует учитывать при выборе компаратора, — это шум. Однако производители часто опускают характеристики шума компараторов и вместо этого используют случайный джиттер для измерения шума.В дополнение к шумовому сигналу, проходящему через усиление устройства, ошибка входной апертуры и время нарастания и спада на выходе также могут влиять на джиттер. Устройство с тактовым управлением — это не что иное, как компаратор с более низким коэффициентом усиления, оптимизированный для шумов. Разработчики могут использовать входные транзисторы большего размера в КМОП-устройстве, чтобы уменьшить фликкер-шум, но этот метод увеличивает входную емкость.
Следующим фактором должно быть номинальное напряжение компаратора. Одним из факторов, связанных с интервалом подачи питания, является допустимое синфазное напряжение на входных контактах компаратора.Некоторые устройства позволяют подтянуть выход к диапазону напряжений выше или ниже, чем напряжение источника питания. Для других устройств, когда вы вытягиваете входной контакт ниже отрицательной шины питания, выход будет инвертирован. Компаратор с входным каскадом Rail-to-Rail расширяет диапазон входного синфазного режима. Эти устройства имеют каскад с двумя входами, в котором используются транзисторы N-типа или полевые транзисторы, подключенные параллельно входному каскаду P-типа. Входное напряжение входного каскада P-типа работает вблизи земли или шины отрицательного напряжения, а входной каскад N-типа работает, когда вход переключается на шину положительного напряжения.Разработчики интегральных схем обычно переключают устройство с уровня на 1 или 2 В ниже положительного напряжения. При перемещении по устройствам Rail-to-Rail некоторые конструкции могут минимизировать напряжение смещения.

Другой важной характеристикой компаратора является входной ток смещения, то есть величина тока, протекающего на входной контакт или из него, когда устройство работает. КМОП-продукты имеют низкий ток смещения, что свидетельствует о несоответствии утечки в структуре ESD (электростатический разряд) входного вывода.При повышении температуры на каждые 10 ° C входной ток смещения удваивается. Ток смещения высокоскоростных компараторов может быть очевиден, но это не проблема, потому что для управления этими высокоскоростными компараторами обычно используются схемы с низким импедансом. Входной ток смещения биполярного устройства зависит от соотношения между двумя входами. В компараторе разница в 60 мВ в базовом напряжении дифференциальной входной пары дает в 10 раз большую разницу между током коллектора пары и входным током смещения.Следовательно, один вывод может потреблять или пропускать удвоенный номинальный входной ток смещения, в то время как другие контакты почти не имеют входного тока смещения, в зависимости от того, какой вывод имеет более высокое напряжение.

Ⅵ Приложения компаратора

6.1 Компаратор перехода через ноль

Компаратор перехода через ноль используется для определения того, является ли входное значение нулем. Принцип заключается в использовании компаратора для сравнения двух входных напряжений. Одно из двух входных напряжений — это опорное напряжение Vr, а другое — измеряемое напряжение Vu.Обычно Vr подключается к неинвертирующей входной клемме, а Vu подключается к инвертирующей входной клемме. В зависимости от результата сравнения входного напряжения выводится прямое или обратное напряжение насыщения. Когда опорное напряжение известно, можно получить результат измерения напряжения. Когда опорное напряжение равно нулю, это компаратор перехода через ноль.
Компаратор перехода через ноль имеет небольшую ошибку измерения. Когда произведение разности напряжений между двумя входными клеммами и увеличения разомкнутого контура меньше выходного порога, детектор выдаст нулевое значение.Например, когда увеличение разомкнутого контура составляет 106, а порог выхода составляет 6 В, если разница напряжений между двумя входными каскадами меньше 6 микровольт, детектор выдает ноль. Это также можно считать неопределенностью измерения.

6.2 Осциллятор релаксации (ROSC)

Компараторы могут создавать осцилляторы релаксации, используя положительную и отрицательную обратную связь. Положительная обратная связь — это триггер Шмитта, который образует мультивибратор. RC-цепь добавляет к ней отрицательную обратную связь, которая вызывает самопроизвольные колебания схемы, превращая всю схему от защелки к релаксационному генератору.
Сдвиг уровня использует компараторы с открытым стоком (такие как LM393, TLV3011 и MAX9028) для создания устройства сдвига уровня для изменения напряжения сигнала. Выбор подходящего подтягивающего напряжения позволяет гибко получать преобразованное значение напряжения. Например, используйте компаратор MAX972 для преобразования сигналов ± 5 В в сигналы 3 В.

6.3 Аналого-цифровой преобразователь

Функция компаратора состоит в том, чтобы сравнить, превышает ли входной сигнал заданное значение. Таким образом, он может преобразовывать входной аналоговый сигнал в двоичный цифровой сигнал.Почти все цифро-аналоговые преобразователи (включая дельта-сигма модуляцию) содержат схемы компараторов для квантования входного аналогового сигнала.

6.4 Компаратор напряжения

Компаратор напряжения можно рассматривать как операционный усилитель с бесконечным коэффициентом усиления. Функция компаратора напряжения: сравните величину двух напряжений (используя высокий или низкий уровень выходного напряжения, чтобы указать соотношение величин между двумя входными напряжениями): Когда напряжение на входной клемме «+» выше, чем «-» входной терминал, выход компаратора напряжения высокий уровень; когда напряжение на входной клемме «+» ниже, чем на входной клемме «-», на выходе компаратора напряжения низкий уровень.
Его можно использовать как интерфейс между аналоговыми и цифровыми схемами, а также как схему генерации и преобразования сигналов. Простой компаратор напряжения может преобразовать синусоидальную волну в прямоугольную или прямоугольную с той же частотой. Простой компаратор напряжения имеет простую конструкцию и высокую чувствительность, но его способность к помехам оставляет желать лучшего, поэтому людям приходится его улучшать. Усовершенствованные компараторы напряжения включают в себя: гистерезисный компаратор и оконный компаратор.Операционные усилители используются для определения «рабочих параметров» с помощью контуров обратной связи и входных контуров, таких как увеличение. Величина обратной связи может быть частью или всем выходным током или напряжением. Компаратор не требует обратной связи и напрямую сравнивает количество двух входных клемм. Если неинвертирующий вход больше, чем инвертированная фаза, выход высокий, в противном случае — низкий. Вход компаратора напряжения — это линейная величина, а выход — переключатель (высокий и низкий уровень).В типичных приложениях линейный операционный усилитель иногда может использоваться для создания компаратора напряжения без отрицательной обратной связи.

Ⅶ Компаратор операционного усилителя

В принципе, операционный усилитель может использоваться в качестве компаратора без отрицательной обратной связи. Однако из-за высокого коэффициента усиления без обратной связи он может обрабатывать сигналы только с очень малым входным дифференциальным напряжением. Более того, в этом случае время отклика операционного усилителя намного меньше, чем у компаратора, и ему также не хватает некоторых специальных функций, таких как гистерезис, внутренний опорный сигнал и так далее.Компаратор обычно нельзя использовать в качестве операционного усилителя. Компаратор может обеспечить минимальную временную задержку после настройки, но его частотные характеристики в некоторой степени ограничены. Операционный усилитель использует преимущество коррекции частотной характеристики, чтобы стать гибким и универсальным устройством. Кроме того, многие компараторы также имеют внутреннюю цепь гистерезиса, которая позволяет избежать колебаний на выходе, но ее нельзя использовать в качестве операционного усилителя.

Часто задаваемые вопросы об электронике компаратора

1.Что такое компаратор и его применение?
Компаратор — это электронный компонент, который сравнивает два входных напряжения. Компараторы тесно связаны с операционными усилителями, но компаратор предназначен для работы с положительной обратной связью и с насыщением его выхода на одной или другой шине питания.

2. Как работает схема компаратора?
Схема компаратора работает, просто принимая два аналоговых входных сигнала, сравнивая их, а затем вырабатывая логический выход с высоким «1» или низким «0»…. Когда аналоговый вход на неинвертирующем входе меньше аналогового входа на инвертирующем входе, тогда на выходе компаратора будет низкий логический уровень.

3. Для чего нужен компаратор в операционном усилителе? Оконные компараторы
ОУ — это тип схемы компаратора напряжения, в которой используются два компаратора ОУ для создания выходного сигнала с двумя состояниями, который указывает, находится ли входное напряжение в пределах определенного диапазона или окна значений, используя два опорных напряжения. Верхнее опорное напряжение и нижнее опорное напряжение.

4. Как использовать компараторную электронику?
Схема компаратора сравнивает два напряжения и выдает либо 1 (напряжение на положительной стороне; VDD на иллюстрации), либо 0 (напряжение на отрицательной стороне), чтобы указать, какое из них больше. Компараторы часто используются, например, для проверки того, достиг ли вход некоторого заранее определенного значения.

5. Что такое компаратор и его типы? Компараторы
подразделяются на различные типы, такие как электронные, электрические, механические, оптические, сигма-компараторы, цифровые и пневматические компараторы, они используются в различных приложениях.Компараторы играют важную роль в разработке электрических и электронных проектов.

LEAP № 412

Исследование и тестирование конструкции компаратора с дискретными компонентами.

Банкноты

Компараторы используются для сравнения двух напряжений с двоичным выходом (высоким или низким).

В наши дни операционные усилители часто используются в качестве компараторов общего назначения.Существуют также специализированные микросхемы компараторов, такие как LM311. (из семейства LM111 — одного из первых семейств компараторных микросхем). ИС компаратора обычно предназначены для более требовательных приложений и могут включать:

• Комплексные ссылки
• Высокоскоростной (быстрая задержка распространения, время нарастания и спада)
• Маломощный

Внутреннее устройство ИС компаратора относительно сложное; Большая часть сложности связана с температурной стабильностью и регулировкой баланса.Однако в их основе основная концепция компаратора — это дифференциальный усилитель, но с выходом, который может переключаться между двумя состояниями.

Для этого проекта я возвращаюсь к основам и пытаюсь реализовать компаратор на дискретных транзисторах.

Вдохновение для дизайна

Было на удивление трудно найти примеры схем компаратора BJT. Похоже, что область очень быстро перешла к микросхемам операционных усилителей и компараторов.

Самыми полезными ссылками, которые я нашел, были:

• Электронные принципы, которые представляют упрощенную схему компаратора IC в разделе 22-13, p853
• Искусство электроники 2.22 Регулятор температуры, p105 — схема, которая включает в себя компаратор BJT в цепи управления

Дизайн

Q1-4 содержат дифференциальный усилитель с токовым зеркалом для обеспечения активной нагрузки. Q5, Q6 токовое зеркало ограничивает эмиттерный ток дифференциальной пары.

В демонстрационном режиме (который можно отключить с помощью перемычек) R1 и R2 — потенциометры 100 кОм. которые эффективно создают мост Уитстона для сравнения напряжений на дворниках.

Выход отводится на коллекторе Q4. В некоторых схемах компаратора это может просто управлять базой выходного каскада NPN с открытым коллектором — однако это обычно будет иметь линейную область, а не четкое включение / выключение.

В этой конструкции я задействовал коллектор Q4 для управления PNP (Q7) на стороне высокого давления, в свою очередь, переключая выходной каскад NPN (Q8), который представляет собой выходной каскад с открытым коллектором. Светодиод и токоограничивающий резистор являются «нагрузкой», обеспечивая визуальный индикатор переключения.

Сначала я собрал это и тестировал на макете ..

Конструкция Protoboard

Это хорошая демонстрационная схема, поэтому я сделал ее более постоянной на прототипе. С установленными перемычками потенциометры 100 кОм устанавливают входное и опорное напряжение для компаратора.

Разъемы контактов обеспечивают прорыв:

• Vi — для измерения входного напряжения или подачи входного напряжения, если перемычка Vi снята
• Vr — для измерения опорного напряжения или подачи опорного напряжения, если перемычка Vr снята
• Vo — выход компаратора
• Питание и заземление

Тестирование

Вот график осциллографа, который фиксирует некоторые ручные манипуляции с электродами входного и опорного напряжения.

• Ch2 (Желтый) — входное напряжение Vi
• Ch3 (Синий) — опорное напряжение Vr
• Ch4 (Red) — выходное напряжение компаратора Vo

Источники и ссылки

и схема компаратора ОУ

Компаратор операционного усилителя сравнивает один аналоговый уровень напряжения с другим аналоговым уровнем напряжения или некоторым предварительно установленным опорным напряжением V _REF и выдает выходной сигнал на основе этого сравнения напряжений.Другими словами, компаратор напряжения на операционном усилителе сравнивает значения двух входов напряжения и определяет, какое из двух является наибольшим.

В предыдущих руководствах мы видели, что операционный усилитель можно использовать с отрицательной обратной связью для управления величиной его выходного сигнала в линейной области, выполняя множество различных функций. Мы также видели, что стандартный операционный усилитель характеризуется коэффициентом усиления разомкнутого контура A _O и что его выходное напряжение определяется выражением: V _OUT = A _O (V + — V-), где V + и V- соответствуют напряжениям на неинвертирующей и инвертирующей клеммах соответственно.

Компараторы напряжения , с другой стороны, либо используют положительную обратную связь, либо вообще не используют обратную связь (режим разомкнутого контура) для переключения своего выхода между двумя состояниями насыщения, потому что в режиме разомкнутого контура усиление напряжения усилителей в основном равно A. _ВО . Затем из-за этого высокого коэффициента усиления разомкнутого контура выходной сигнал компаратора либо полностью переключается на его положительную шину питания, + Vcc, либо полностью на его отрицательную шину питания, -Vcc при приложении переменного входного сигнала, который проходит некоторое заданное пороговое значение.

Компаратор ОУ с разомкнутым контуром представляет собой аналоговую схему, которая работает в своей нелинейной области, поскольку изменения на двух аналоговых входах, V + и V-, заставляют ее вести себя как цифровое бистабильное устройство , поскольку запуск заставляет его два возможных состояния вывода, + Vcc или -Vcc. Тогда мы можем сказать, что компаратор напряжения — это, по сути, 1-битный аналого-цифровой преобразователь, поскольку входной сигнал является аналоговым, а выход ведет себя в цифровом виде.

Рассмотрим базовую схему компаратора напряжения на операционном усилителе ниже.

Схема компаратора ОУ

Что касается схемы компаратора операционного усилителя выше, давайте сначала предположим, что V _IN меньше, чем уровень напряжения постоянного тока на V _REF , (V _IN REF ). Поскольку неинвертирующий (положительный) вход компаратора меньше, чем инвертирующий (отрицательный) вход, выход будет НИЗКОМ, а при отрицательном напряжении питания -Vcc, что приведет к отрицательному насыщению выхода.

Если теперь мы увеличим входное напряжение V _IN так, чтобы его значение было больше, чем опорное напряжение V _REF на инвертирующем входе, выходное напряжение быстро переключится с HIGH на положительное напряжение питания, + Vcc, что приведет к положительному насыщенность вывода.Если мы снова уменьшим входное напряжение V _IN так, чтобы оно было немного меньше опорного напряжения, выход операционного усилителя снова переключится на свое отрицательное напряжение насыщения, действующее как пороговый детектор.

Тогда мы можем видеть, что компаратор напряжения операционного усилителя — это устройство, выход которого зависит от значения входного напряжения V _IN относительно некоторого уровня напряжения постоянного тока, поскольку выход ВЫСОКИЙ, когда напряжение на не- инвертирующий вход больше, чем напряжение на инвертирующем входе, и НИЗКИЙ, когда неинвертирующий вход меньше, чем инвертирующее входное напряжение.Это условие выполняется независимо от того, подключен ли входной сигнал к инвертирующему или неинвертирующему входу компаратора.

Мы также можем видеть, что значение выходного напряжения полностью зависит от напряжения источника питания операционного усилителя. Теоретически из-за высокого коэффициента усиления в разомкнутом контуре операционного усилителя величина его выходного напряжения может быть бесконечной в обоих направлениях (± ∞). Однако на практике и по очевидным причинам он ограничен шинами питания операционных усилителей, дающими V _OUT = + Vcc или V _OUT = -Vcc.

Ранее мы говорили, что базовый компаратор операционного усилителя выдает положительное или отрицательное выходное напряжение, сравнивая свое входное напряжение с некоторым заданным опорным напряжением постоянного тока. Обычно для установки входного опорного напряжения компаратора используется резистивный делитель напряжения, но можно использовать аккумуляторный источник, стабилитрон или потенциометр для переменного опорного напряжения, как показано.

Эталонные напряжения компаратора

Теоретически опорное напряжение компаратора может быть установлено в диапазоне от 0 В до напряжения питания, но существуют практические ограничения на фактический диапазон напряжения в зависимости от используемого компаратора операционного усилителя.

Компараторы положительного и отрицательного напряжения

Базовая схема компаратора операционного усилителя может использоваться для обнаружения как положительного, так и отрицательного входного напряжения в зависимости от того, к какому входу операционного усилителя мы подключаем источник фиксированного опорного напряжения, а также входное напряжение. В приведенных выше примерах мы использовали инвертирующий вход для установки опорного напряжения с входным напряжением, подключенным к неинвертирующему входу.

Но в равной степени мы могли бы подключить входы компаратора и наоборот, инвертируя выходной сигнал, как показано выше.Затем компаратор операционного усилителя может быть настроен для работы в так называемой инвертирующей или неинвертирующей конфигурации.

Компаратор положительного напряжения

Базовая конфигурация компаратора положительного напряжения, также известная как схема неинвертирующего компаратора, определяет, когда входной сигнал, V _IN , ВЫШЕ или более положительный, чем опорное напряжение, V _REF , вырабатывающий выход на V _OUT , который ВЫСОКИЙ, как показано.

Цепь неинвертирующего компаратора

В этой неинвертирующей конфигурации опорное напряжение подключено к инвертирующему входу операционного усилителя, а входной сигнал подключен к неинвертирующему входу.Чтобы не усложнять задачу, мы предположили, что два резистора, образующие цепь делителя потенциала, равны и: R1 = R2 = R. Это создаст фиксированное опорное напряжение, которое вдвое меньше напряжения питания, то есть Vcc / 2, в то время как входное напряжение изменяется от нуля до напряжения питания.

Когда V _IN больше, чем V _REF , выход компараторов ОУ будет насыщаться в направлении положительной шины питания, Vcc. Когда V _IN меньше, чем V _REF , выход компараторов операционного усилителя изменит состояние и перейдет в насыщение на отрицательной шине питания, 0 В, как показано.

Компаратор отрицательного напряжения

Базовая конфигурация компаратора отрицательного напряжения, также известная как схема инвертирующего компаратора, обнаруживает, когда входной сигнал, V _IN , НИЖЕ или более отрицательный, чем опорное напряжение, V _REF создает выход на V _OUT , который ВЫСОКИЙ, как показано.

Цепь инвертирующего компаратора

В инвертирующей конфигурации, которая противоположна положительной конфигурации, описанной выше, опорное напряжение подключается к неинвертирующему входу операционного усилителя, в то время как входной сигнал подключается к инвертирующему входу.Затем, когда V _IN меньше, чем V _REF , выход компараторов ОУ будет насыщаться в направлении положительной шины питания, Vcc.

Точно так же верно обратное, когда V _IN больше, чем V _REF , выход компаратора операционного усилителя изменит состояние и будет насыщаться в направлении отрицательной шины питания, 0 В.

Затем, в зависимости от того, какие входы операционного усилителя мы используем для сигнала и опорного напряжения, мы можем создать инвертирующий или неинвертирующий выход.Мы можем продвинуть идею обнаружения либо отрицательного, либо положительного сигнала на один шаг дальше, объединив две схемы компаратора операционного усилителя, описанные выше, для создания схемы оконного компаратора.

Компаратор окон

Оконный компаратор в основном представляет собой инвертирующий и неинвертирующий компараторы, указанные выше, объединенные в один каскад компаратора. Оконный компаратор обнаруживает уровни входного напряжения, которые находятся в пределах определенного диапазона или окна напряжений, вместо того, чтобы указывать, больше или меньше напряжение, чем некоторая предварительно установленная или фиксированная контрольная точка напряжения.

На этот раз вместо одного значения опорного напряжения оконный компаратор будет иметь два опорных напряжения, реализованных парой компараторов напряжения. Один, который запускает компаратор операционного усилителя при обнаружении некоторого верхнего порога напряжения, V _{REF (UPPER)} , и другой, который запускает компаратор операционного усилителя при обнаружении более низкого порогового уровня напряжения, V _{REF (LOWER)} . Тогда уровни напряжения между этими двумя верхним и нижним эталонными напряжениями называются «окном», отсюда и его название.

Используя нашу идею выше о сети делителя напряжения, если мы теперь используем три резистора равного номинала, так что R1 = R2 = R3 = R, мы можем создать очень простую схему оконного компаратора, как показано. Кроме того, поскольку все резистивные значения равны, падение напряжения на каждом резисторе также будет равно 1/3 напряжения питания, 1 / 3Vcc. Поэтому для простоты в этом простом примере оконного компаратора мы можем установить верхнее опорное напряжение на 2 / 3Vcc, а нижнее опорное напряжение на 1 / 3Vcc.

Рассмотрим схему оконного компаратора ниже.

Схема оконного компаратора

Начальным условием переключения схемы является выход с открытым коллектором операционного усилителя A ₁ «ВЫКЛ» с выходом с открытым коллектором операционного усилителя A ₂ , «ВКЛ» (ток потребления), поэтому V _OUT равен 0V.

Когда V _IN ниже нижнего уровня напряжения, V _{REF (LOWER)} , что соответствует 1 / 3Vcc, V _OUT будет LOW. Когда V _IN превышает этот нижний уровень напряжения на 1/3 В постоянного тока, первый компаратор операционного усилителя обнаруживает это и переключает свой выход с открытым коллектором на ВЫСОКИЙ уровень.Это означает, что оба операционных усилителя одновременно имеют ВЫСОКИЙ выход. Ток не течет через подтягивающий резистор R _L , поэтому V _OUT равно Vcc.

Поскольку V _IN продолжает увеличиваться, он проходит верхний уровень напряжения, V _{REF (UPPER)} при 2 / 3Vcc. В этот момент второй компаратор операционного усилителя обнаруживает это и переключает свой выход LOW, и V _OUT становится равным 0V.

Затем разница между V _{REF (UPPER)} и V _{REF (LOWER)} (которая в данном примере составляет 2 / 3Vccc — 1 / 3Vcc) создает окно переключения для положительного сигнала.

Предположим теперь, что V _IN имеет максимальное значение и равно Vcc. Когда V _IN уменьшается, он проходит верхний уровень напряжения V _{REF (UPPER)} второго компаратора операционного усилителя, который переключает выход HIGH. Поскольку V _IN продолжает уменьшаться, он проходит более низкий уровень напряжения V _{REF (LOWER)} первого компаратора операционного усилителя, снова переключающий выход LOW.

Затем разница между V _{REF (UPPER)} и V _{REF (LOWER)} создает окно для отрицательного действующего сигнала.Таким образом, мы можем видеть, что когда V _IN проходит выше или ниже верхнего и нижнего опорных уровней, установленных двумя компараторами операционных усилителей, выходной сигнал V _OUT будет ВЫСОКИМ или НИЗКИМ.

В этом простом примере мы установили верхний уровень срабатывания на 2 / 3Vcc и нижний уровень срабатывания на 1 / 3Vcc (потому что мы использовали три резистора равного номинала), но могут быть любые значения, которые мы выбираем, регулируя входные пороги. В результате ширину окна можно настроить для конкретного приложения.

Если бы мы использовали двойной источник питания и установили верхний и нижний уровни срабатывания, скажем, на ± 10 вольт, а V _IN был синусоидальной формой волны, то мы могли бы использовать эту схему оконного компаратора в качестве детектора перехода через ноль синусоидальной волны, что генерировать выходной сигнал, ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ, каждый раз, когда синусоидальная волна пересекает линию нулевого напряжения от положительного к отрицательному или от отрицательного к положительному.

Мы можем продолжить эту идею определения уровней напряжения, соединив несколько разных компараторов операционных усилителей вместе с ними, используя общий входной сигнал, но с каждым компаратором, использующим другое опорное напряжение, установленное нашей теперь знакомой сетью делителей напряжения через поставлять.Рассмотрим схему детектора уровня напряжения ниже.

Детектор уровня напряжения компаратора

Как и выше, схема делителя напряжения обеспечивает набор опорных напряжений для отдельных схем компаратора операционных усилителей. Для создания четырех опорных напряжений потребуется пять резисторов. Переход в нижней паре резисторов будет производить опорное напряжение, которое составляет одну пятую напряжения питания, 1 / 5Vcc, при использовании резисторов равного номинала. Вторая пара 2 / 5Vcc, третья пара 3 / 5Vcc и так далее, при этом эти опорные напряжения увеличиваются на фиксированную величину на одну пятую (1/5) до 5 / 5Vcc, что на самом деле является Vcc.

По мере увеличения общего входного напряжения выход каждой схемы компаратора операционного усилителя переключается по очереди, тем самым выключая подключенный светодиод, начиная с нижнего компаратора, A ₄ и далее по направлению к A ₁ по мере увеличения входного напряжения. Таким образом, установив значения резисторов в сети делителя напряжения, компараторы могут быть настроены на обнаружение любого уровня напряжения. Одним из хороших примеров использования обнаружения и индикации уровня напряжения может быть монитор состояния батареи, когда светодиоды меняются местами и подключаются к 0 В (земля) вместо V _CC .

Также, увеличивая количество компараторов операционных усилителей в наборе, можно создать больше точек запуска. Так, например, если бы у нас было восемь компараторов операционных усилителей в цепи и подавали бы выход каждого компаратора на цифровой кодировщик с 8 в 3 строки, мы могли бы сделать очень простой аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который преобразует аналоговый входной сигнал в 3-битный двоичный код (от 0 до 7).

Компаратор операционного усилителя с положительной обратной связью

Здесь мы видели, что операционные усилители могут быть сконфигурированы для работы в качестве компараторов в их режиме разомкнутого контура, и это нормально, если входной сигнал изменяется быстро или не слишком шумный.Однако, если входной сигнал V _IN изменяется медленно или присутствует электрический шум, то компаратор операционного усилителя может колебаться, переключая свой выход вперед и назад между двумя состояниями насыщения, + Vcc и -Vcc, когда входной сигнал колеблется. около опорного напряжения, В _REF уровень. Один из способов решить эту проблему и избежать колебаний операционного усилителя — обеспечить положительную обратную связь вокруг компаратора.

Как следует из названия, положительная обратная связь — это метод передачи части или части выходного сигнала, который находится в фазе на неинвертирующий вход операционного усилителя, через делитель потенциала, установленный двумя резисторами с количество обратной связи пропорционально их соотношению.

Использование положительной обратной связи вокруг компаратора операционного усилителя означает, что как только выход переходит в состояние насыщения на любом уровне, должно произойти значительное изменение входного сигнала V _IN , прежде чем выход переключится обратно в исходную точку насыщения. Эта разница между двумя точками переключения называется гистерезис , создавая то, что обычно называют схемой триггера Шмитта. Рассмотрим схему инвертирующего компаратора ниже.

Инвертирующий компаратор ОУ с гистерезисом

Для схемы инвертирующего компаратора выше, V _IN подается на инвертирующий вход операционного усилителя.Резисторы R ₁ и R ₂ образуют сеть делителя напряжения на компараторе, обеспечивая положительную обратную связь, при этом часть выходного напряжения появляется на неинвертирующем входе. Величина обратной связи для неинвертирующего входа определяется соотношением сопротивлений двух используемых резисторов и определяется как:

Уравнение делителя напряжения

Где: β (бета) может использоваться для обозначения доли обратной связи.

Когда входной сигнал меньше опорного напряжения, V _IN REF , выходное напряжение будет ВЫСОКИМ, V _OH и равным положительному напряжению насыщения.Поскольку выход ВЫСОКИЙ и положительный, значение опорного напряжения на неинвертирующем входе будет примерно равно: + β * V, называемое верхней точкой срабатывания или UTP.

По мере увеличения входного сигнала V _IN он также становится равным этой верхней точке срабатывания, уровень V _UTP на неинвертирующем входе. Это приводит к тому, что выход компаратора изменяет состояние на НИЗКОЕ, V _OL и равное отрицательному напряжению насыщения, как и раньше.

Но разница на этот раз в том, что создается значение напряжения второй точки срабатывания, потому что теперь на неинвертирующем входе появляется отрицательное напряжение, которое равно: -β * V в результате отрицательного напряжения насыщения на выходе.Затем входной сигнал должен упасть ниже этого второго уровня напряжения, называемого нижней точкой срабатывания или LTP, чтобы выход компараторов напряжения изменился или переключился обратно в исходное положительное состояние.

Итак, мы можем видеть, что когда выход меняет состояние, опорное напряжение на неинвертирующем входе также изменяется, создавая два разных значения опорного напряжения и две разные точки переключения. Одна точка называется верхней точкой срабатывания (UTP), а другая — нижней точкой срабатывания (LTP).Разница между этими двумя точками срабатывания известна как Гистерезис .

Величина гистерезиса определяется долей обратной связи β выходного напряжения, возвращаемого на неинвертирующий вход. Преимущество положительной обратной связи состоит в том, что результирующая схема триггера Шмитта компаратора невосприимчива к беспорядочным запускам, вызванным шумом или медленно изменяющимися входными сигналами в пределах диапазона гистерезиса, создавая более чистый выходной сигнал, поскольку выход компаратора операционного усилителя запускается только один раз.

Таким образом, для положительных выходных напряжений V _REF = + β * Vcc, а для отрицательных выходных напряжений V _REF = -β * Vcc. Тогда мы можем сказать, что величина гистерезиса напряжения будет представлена ​​как:

Мы также можем изготовить схему компаратора неинвертирующего операционного усилителя со встроенным гистерезисом, изменив входные и опорные клеммы, как показано:

Компаратор с неинвертирующим операционным усилителем с гистерезисом

Обратите внимание, что стрелки на графике гистерезиса указывают направление переключения в верхней и нижней точках срабатывания.

Пример компаратора №1

Для создания схемы триггера Шмитта должен использоваться операционный усилитель с положительной обратной связью. Если резистор R ₁ = 10 кОм и резистор R ₂ = 90 кОм, какими будут значения верхней и нижней точек переключения опорного напряжения и ширины гистерезиса, если операционный усилитель подключен к двойной источник питания ± 10 В.

Дано: R ₁ = 10 кОм, R ₂ = 90 кОм. Источник питания + Vcc = 10 В и -Vcc = 10 В.

Доля обратной связи:

Точка отключения по верхнему напряжению, В _UTP

Точка отключения по нижнему напряжению, В _LTP

Ширина гистерезиса:

Затем опорное напряжение V _REF переключается между + 1 В и -1 В, когда выходной сигнал насыщается от одного уровня к другому. Надеюсь, из этого простого примера мы увидим, что ширину этого гистерезиса, всего 2 вольта, можно увеличить или уменьшить, просто отрегулировав коэффициент делителя напряжения резисторов обратной связи R ₁ и R ₂ .

Компаратор напряжения

Хотя мы можем использовать операционные усилители, такие как 741, в качестве базовой схемы компаратора, проблема заключается в том, что операционные усилители оптимизированы только для линейной работы. Именно здесь входные клеммы имеют практически одинаковый уровень напряжения, а его выходной каскад предназначен для создания линейного выходного напряжения, которое не является насыщенным в течение длительных периодов времени. Также стандартные операционные усилители предназначены для использования в приложениях с обратной связью с отрицательной обратной связью от выхода к инвертирующему входу.

С другой стороны, специализированный компаратор напряжения — это нелинейное устройство, которое допускает сильное насыщение из-за своего очень высокого усиления, когда входные сигналы отличаются на относительно небольшую величину. Разница между компаратором операционного усилителя и компаратором напряжения заключается в выходном каскаде, поскольку стандартный операционный усилитель имеет выходной каскад, оптимизированный для линейной работы, в то время как выходной каскад компаратора напряжения оптимизирован для непрерывной работы в режиме насыщения, поскольку он всегда должен быть рядом с одной или другой шиной питания, а не между ними.

Коммерческие компараторы, такие как одиночный компаратор LM311, квадрупольный компаратор LM339 или двойной дифференциальный компаратор LM393, представляют собой компараторы напряжения, которые поставляются в стандартном корпусе IC, работающем от одинарного или двойного источника питания. Эти специализированные компараторы напряжения разработаны с единственной целью — очень быстро переключать выход из одного насыщенного состояния в другое, поскольку транзисторы, используемые для выходного каскада компараторов напряжения, обычно являются переключающими транзисторами.

Поскольку компараторы напряжения преобразуют линейный входной сигнал в цифровой выходной сигнал, они обычно используются для соединения двух разнородных электрических сигналов с разными питающими или опорными напряжениями.В результате выходной каскад компаратора напряжения обычно конфигурируется как одиночный транзисторный переключатель с открытым коллектором (или стоком) с открытым или закрытым состояниями, а не с фактическими выходными напряжениями, как показано.

Цепь компаратора напряжения

Здесь выход с открытым коллектором компаратора напряжения подключен к источнику напряжения через единственный подтягивающий резистор (и светодиод для индикации), который подтягивает единственный выход к источнику питания. Когда выходной переключатель находится в положении ВЫСОКИЙ, он создает путь с высоким импедансом, поэтому ток не течет, поскольку V _OUT = Vcc.

Когда компаратор меняет состояние и выходной переключатель находится в НИЗКОМ состоянии, он создает путь с низким импедансом к земле, и ток течет через подтягивающий резистор (и светодиод), вызывая падение напряжения на самом себе, при этом выход подтягивается к более низкому уровню питания. , земля в этом случае.

Тогда мы видим, что между схематическим обозначением компаратора операционного усилителя и компаратора напряжения или их внутренними цепями очень мало различий. Основное отличие заключается в том, что выходной каскад с открытым коллектором или конфигурацией стока полезен для управления реле, лампами и т. Д.Путем управления транзистором с выхода обеспечивается большая пропускная способность по току переключения, чем у выхода одного компаратора.

Обзор компаратора ОУ

В этом руководстве по компаратору Op-amp Comparator мы увидели, что схема компаратора в основном представляет собой операционный усилитель без обратной связи, то есть операционный усилитель используется в его конфигурации с разомкнутым контуром, и когда входное напряжение V _IN превышает заданное опорное напряжение, V _REF , выход меняет состояние.

Из-за очень высокого коэффициента усиления операционного усилителя без обратной связи, его использование с положительной обратной связью или даже без обратной связи приводит к насыщению выходного сигнала на его шине питания, создавая одно из двух различных выходных напряжений в зависимости от относительных значений его два входа. Это бистабильное поведение является нелинейным и составляет основу схем компаратора операционного усилителя и триггера Шмитта.

Выходные каскады специализированных компараторов, таких как одиночный LM311, двойной LM393 или счетверенный LM339, спроектированы для работы в своих областях насыщения, что позволяет широко использовать эти схемы компаратора напряжения в аналого-цифровых преобразователях различных типов. цепей определения уровня напряжения.

Неустойчивое переключение компаратора с разомкнутым контуром можно легко преодолеть, добавив положительную обратную связь между выходом и входом компаратора. При положительной обратной связи схема имеет гистерезис с переключением выхода между двумя разными точками переключения, UTP и LTP.

ОУ — это тип схемы компаратора напряжения, в которой используются два компаратора ОУ для создания выходного сигнала с двумя состояниями, который указывает, находится ли входное напряжение в пределах определенного диапазона или окна значений с использованием двух опорных напряжений.Верхнее опорное напряжение и нижнее опорное напряжение.