Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

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.

Принцип работы и виды интегральных компараторов

Компараторы с двумя входами и одним выходом.

Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности 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.

Данная схема построена на переменном резисторе 20 кОм, двух постоянных резисторов 10 кОм, которые образуют собой делитель напряжения на постоянных резисторах.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности 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.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

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.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности 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.

Работа компаратора напряжения

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.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

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.

Характеристики компараторов

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.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Он обусловлен обратной связью положительного значения, предназначенного для устранения «дребезга» сигнала выхода при переключении компаратора.

Устройство

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».

Компаратор с памятью и стробированием

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.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности 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.

Классификация

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.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности 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.

Похожие темы:

Компараторы — узлы электронных схем

Компараторы и их применение, градиентные реле (8 схем)

Компаратор представляет собой устройство сравнения сигналов, своеобразные электрические весы.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Если на один из входов компаратора (чашу весов) подать эталонный сигнал (положить гирьку), а на другой — подать контролируемый сигнал (положить груз неизвестной массы), на выходе…

0
6754
0

Пороговые устройства на элементах цифровой логики

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

0
6010
0

Схема компаратора напряжения

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

0
3150
0

Схема регулируемого компаратора

Положение движка потенциометра R2 определяет уровень напряжения, при котором данный компаратор переключится в другое состояние. Выходной сигнал может быть использован для управления любыми устройствами, где нужен именно сигнал компаратора, в пределах .Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности ..

0
2926
0

Быстродейтсвующий ТТЛ-совместимый компаратор

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

0
2352
0

Компаратор напряжения на четыре уровня

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

0
2804
0

Схема двухпорогового компаратора

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

1
4176
3

Схема компаратора на два напряжения

Этот компаратор можно использовать для контроля за аккумуляторной батареей во время ее заряда.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Схема позволяет фиксировать и недостаточный заряд по малому напряжению на батарее, и повышенное напряжение на ней. Потенциометрами R3 и R4 можно выставить уровни …

0
3072
0

Радиодетали, электронные блоки и игрушки из китая:

Что такое компаратор и триггер Шмидта

Компаратор нулевого уровня. Инвертирующая и неинвертирующая схемы

Компаратор – это устройство, предназначенное для сравнения двух входных сигналов, также это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам. В данной схеме (рис. 1) на неинвертирующий вход подается ноль, а на инвертирующий напряжение Uвх (обычно с амплитудой не более 15В). Входной сигнал имеет синусоидальную форму, а на выходе компаратора сигнал имеет прямоугольную форму (меандр). В компараторе напряжение Uвх сравнивается с нулем и в моменты, когда напряжение Uвх = 0 происходит переключение компаратора.

Рис. 1. Схема компаратора нулевого уровня

Из графиков видно, что сдвиг по фазе между входным сигналом и первой гармоникой выходного сигнала составляет 180 градусов (Δφ = 180º).Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Если подавать напряжение Uвх на неинвертирующий вход, а Uвх = 0 на инвертирующий, то такой сдвиг по фазе составляет ноль градусов (Δφ = 0º).

Компаратор ненулевого уровня

В данной схеме входное напряжение сравнивается с ненулевым опорным напряжением (Uоп ≠ 0). Опорное напряжение подается с резистивного делителя напряжения, выполненного на резисторах R1 и R2. Необходимую величину опорного напряжения легко получить с помощью подбора резисторов R1 и R2. В моменты, когда входное напряжение сравнивается с опорным напряжением, происходит переключение компаратора.

Относительная продолжительность включения – это отношение продолжительности t1 состояния выхода компаратора с положительным напряжением Uвых >0 к периоду T выходного напряжения

Рис. 2. Схема компаратора ненулевого уровня

Компараторы, представленные на схемах (рис. 1 – 2), имеют ряд недостатков, одним из основных является дребезг выходного напряжения при повышенном уровне шумов во входном сигнале.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности



Схема операционного усилителя с положительной обратной связью
(Триггер Шмитта)

Триггер Шмитта или схема компаратора с положительной обратной связью позволяет устранить недостатки простых схем компаратора (рис. 3), избежать дребезга выходного напряжения, возникающего вследствие неизбежного наличия шумов во входном сигнале

В триггере Шмитта на инвертирующий вход подаѐтся входной сигнал, а на неинвертирующий поступает сигнал положительной
обратной связи – опорное напряжение Uоп. Величину опорного напряжения можно регулировать с помощью резисторов R1 и R2. В цепи отрицательной обратной связи два стабилитрона VD1 и VD2 включены встречно — последовательно. Данные стабилитроны предназначены для ограничения амплитуды выходного прямоугольного сигнала на некотором заданном уровне.

Регулировочная характеристика триггера Шмитта представляет собой прямоугольную петлю гистерезиса. Это позволяет использовать схему в качестве формирователя прямоугольных импульсов из некоторого входного напряжения, в частности, из синусоидального.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Рассмотрение работы схемы начнѐм с момента t = 0. В данной схеме входное напряжение Uвх сравнивается с положительным опорным напряжением Uоп, и как только входное напряжение превысит опорное напряжение, схема переключится и на выходе появится отрицательное напряжение.

После момента переключения входное напряжение, достигнув некоторого максимального значения, снова уменьшится до величины, равной входному напряжению в момент переключения, однако компаратор не переключится. Это связано с тем, что
опорное напряжение снимается с резистивного делителя, подключенного к выходу компаратора, и изменение знака выходного напряжения при переключении приводит к изменению знака опорного напряжения. В дальнейшем входное гармоническое напряжение не только спадает до нуля, но меняет свой знак и увеличивается до величины равной отрицательному опорному напряжению. Именно в этот момент будет происходить переключение схемы и на выходе установится положительное выходное напряжение.

Рис.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности 3. Триггер Шмидта

Схема триггера Шмитта не реагирует на шумы, т.е. переключение происходит только в те моменты, когда входное напряжение превышает модуль опорного напряжения

Операционный усилитель с положительной обратной связью и односторонней петлѐй гистерезиса

Как можно видеть из рисунка 4, отличие данной схемы от схемы триггера Шмитта состоит в наличии в цепи положительной обратной связи диода VD1.

Рис. 4. Схема операционного усилителя с положительной обратной связью и односторонней петлей гистерезиса

Данный диод, находящийся в цепи положительной обратной связи, необходим для подачи на неинвертирующий вход отрицательного опорного напряжения, что приводит к уменьшению ширины петли гистерезиса в два раза.

См. также: Использование встроенного модуля компаратора в контроллерах Microchip PIC. Приемы, трюки, лайфхаки…


характеристики и описание принципа действия, использование схем сравнения напряжения

В электронных приборах часто можно встретить различные интегральные микросхемы.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Одной из них является компаратор. Его применение очень обширно: начиная от сигнализационных датчиков и заканчивая промышленной и автомобильной электроникой. Зная, как работает компаратор, можно самостоятельно собрать различные интересные схемы, например, зарядное устройство, индикаторный узел или даже генератор.

Описание и схемотехника

Несмотря на кажущуюся простоту, компаратор — куда более интересное устройство, чем может показаться на первый взгляд. В электронике им называют логическую микросхему, предназначенную для сравнения между собой двух электрических сигналов, подающихся на его вход. В зависимости от результатов этого измерения изменяется режим работы прибора.

Термин «компаратор» произошёл от латинского слова «comparare», что дословно переводится на русский язык как сравнивать. Конструктивно устройство может выпускаться в различных корпусах, например, DIP, SOIC, SSOP. Простейшего вида сравнивающий элемент имеет два аналоговых входа и один цифровой выход.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности В основе его работы лежит дифференциальный каскад, имеющий высокий коэффициент усиления. Поэтому компараторы широко используются в оборудовании, предназначенном для измерения или преобразования аналогового сигнала в цифровой (АЦП).

На схемах и в технической литературе графически устройство обозначается в виде равнобедренного треугольника с тремя выводами. С одной стороны выводы подписываются знаками «+» и «—», соответственно обозначающими неинвертирующий вход и инвертирующий, а с другой — изображается выход, который маркируется символом Uout.

Когда на прямом входе («+») микросхемы уровень сигнала будет больше, чем на инверсном («—»), то на её выходе образуется устойчивое значение. В зависимости от схемотехнического решения компаратора это значение может принимать вид логического ноля или единицы. В цифровой электронике за единицу считается сигнал, уровень напряжения которого составляет пять вольт, а за ноль принимается его отсутствие. То есть состояние выхода устройства определяется как высокое или низкое.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Но на практике же за логический ноль принимается значение разности потенциалов до 2,7 В.

Один из входных сигналов, подаваемых на прибор, называется опорным или пороговым напряжением. Именно с этим значением и сравнивается величина сигнала на втором входе. Опорное напряжение может подаваться как на инверсный, так и прямой вход. В зависимости от этого компараторы называются инвертирующими или неинвертирующими. Когда прибор работает с одним опорным напряжением, его называют однопороговым, а если с разным — многовходовым.

Характеристики прибора

По сути, устройство можно рассматривать как простой вольтметр или АЦП. Компаратор, как и любой электронный прибор, имеет ряд технических характеристик, которые можно разделить на два вида: статические и динамические.

К статическим параметрам относятся следующие характеристики:

  1. Предельная чувствительность обозначает пороговые величины сигнала, которые прибор идентифицирует на входе и изменяет потенциал своего выхода на логический ноль или единицу.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности
  2. Величина смещения определяется передаточным моментом устройства относительно идеального положения.
  3. Входной ток — максимальное его значение, которое может пройти через любой вывод, не повредив устройства.
  4. Выходной ток — значение тока, появляющееся на выходе при переходе устройства в состояние единицы.
  5. Разность токов — это величина, находимая при вычитании значений токов, протекающих при закороченных входах.
  6. Гистерезис — разность уровней входного сигнала, приводящая к изменению устойчивого состояния на выходе.
  7. Коэффициент снижения синфазного сигнала определяется отношением синфазного и дифференциального сигнала, приводящим к переключению режима работы компаратора.
  8. Входной импеданс — полное сопротивление входа.
  9. Минимальная и максимальная рабочая температура — диапазон, в котором технические параметры устройства не изменяются.

Важной же динамической характеристикой является время переключения tn.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Она определяется интервалом времени от начала сравнения входного сигнала до момента, при котором на выходе компаратора наступает противоположное устойчивое состояние. Это время определяется при одном значении порогового напряжения и его скачке на противоположном входе. Этот интервал времени разделяется на две части — задержки и нарастания.

Все значимые параметры компаратора представляются в виде переходной характеристики. Это график в декартовой плоской системе координат, в которой по оси Х указывается время в наносекундах, а Y — входное и выходное напряжение в вольтах.

Устройство и принцип работы

Схемотехника устройства построена на базе дифференциального операционника с довольно большим коэффициентом усиления. Её различия с простым линейным усилителем заключаются в выполнении входного и выходного каскада.

Вход устройства выдерживает сигнал в широком диапазоне до значений источника питания и полный интервал синфазных напряжений.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Выход компаратора совместим с технологиями ТТЛ и ЭСЛ из-за возможности выполнения этого каскада на транзисторе с открытым коллектором. При работе устройства не используется отрицательная обратная связь как в операционном усилителе, а, наоборот, выход охватывается положительной связью, формирующей гистерезисную передаточную характеристику.

Двухпороговый компаратор называется триггером Шмита или троичным. Для сравнения в нём используется два напряжения. Сигналы в двоичном компараторе разделяются на три диапазона:

  1. Urf2 > Urf1;
  2. Uout1 = 0 при Uin < Uref1 или Uout1 = 1, если Uin > Uref1;
  3. Uout2 = 0 при Uin < Uref2 или Uout1 = 1, если Uin > Uref2.

Uref — напряжение нижнего и верхнего порогов переключения, Uout — уровень выходного сигнала, Uin — напряжение на входе прибора.

Внутренняя схема устройства представляет собой усилитель, собранный на транзисторах VT1-VT2, который нагружен каскадом VT5-VT6, включённым по схеме с общим эмиттером.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Через дополнительный ключ VT4 происходит управление коллекторным режимом работы входного сигнала. А через транзистор VT7, работающий в диодном режиме, контролируется уровень сигнала на VT8, что позволяет добиваться его независимости от изменений напряжения питания. Ключи VT5 и VT6 соединяются со стабилитроном VD1. Поэтому через повторитель VT8 входной сигнал поступает на выход с коллекторного вывода VT6.

Если входной сигнал не превышает один вольт, то транзистор VT6 закрыт, а VT5 находится в режиме насыщения. Выходной сигнал не сможет превысить четырёх вольт, так как при большей величине откроется диод. При обратном знаке VT6 насытится, и напряжение на выходе станет равным нулю. В современных устройствах используется стробирующий выход или триггеры-защелки, то есть элементы, контролирующие выход компаратора при обнаружении синхроимпульса. Результаты сравнения могут появляться в двух видах: во время строба или в паузах между импульсами.

Простые конструкции

На практике компараторы напряжения нашли широкое применение в радиоэлектронных схемах различного направления.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности В радиомагазинах можно встретить довольно большое количество различных микросхем. Но наиболее часто используемыми микросхемами среди радиолюбителей являются:

  • LM311;
  • К554СА3;
  • LM339;
  • MAX934.

Они доступны в продаже, а их стоимость более чем демократична. Такие компараторы отличаются широким диапазоном входного напряжения и могут работать при однополярном и двуполярном питании.

К выходу устройства может подключаться любая нагрузка с током потребления, обычно не превышающим 50 мА. Это может быть реле, резистор, светодиод, оптрон или любые исполнительные устройства, но с ограничивающими ток элементами. А также возможно подключить и индуктивную нагрузку, но она обычно в этом случае шунтируется диодами. Для работы устройства применяются источники питания с выходным напряжение 5−36 вольт.

Фотореле контроля

Такое реле собирается навесным монтажом.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Его можно использовать в охранной системе или для контроля уровня освещённости. Работа схемы заключается в следующем. Входное напряжение поступает на делитель, состоящий из R1 и фотодиода VD3. Их общая точка соединения через ограничительные диоды VD1 и VD2 подключается к входам компаратора DA1. В результате этого разница потенциалов на входе устройства отсутствует, а значит, и чувствительность прибора максимальная.

Для того чтобы сигнал на выходе инвертировался, понадобится создать разницу на входе всего в один милливольт. Из-за того, что к инверсному входу подключён конденсатор С1 и резистор R1, величина напряжения на нём будет возрастать с небольшой задержкой, равной времени заряда конденсатора.

Но этого времени хватит, чтобы на выходе появилась логическая единица, которая перестроит режим работы реле подключённого в качестве нагрузки. Как только освещение опять поменяется, ситуация повторится. Таким образом, направив фотореле на какое-то место, в случае изменения его освещённости на входах компаратора появится разность напряжения.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Соответственно будет изменяться и работа реле, к которому может подключаться различного рода нагрузка.

Зарядный блок

Выполненный блок питания из исправных элементов начинает работать сразу. Его настройки сводятся лишь к установке номинального тока заряда и порогов срабатывания компаратора. При включении устройства загорается зелёный светодиод, обозначающий подачу питания. Во время зарядки должен же постоянно светиться красный светодиод, который потухнет, как только аккумулятор зарядится.

Подаваемое напряжение от блока питания регулируется R2, а ток зарядки выставляется R4. Настройка происходит с помощью резистора на 150 Ом, включающегося параллельно контактам держателя батарейки. Сам аккумулятор в него не ставится. Транзистор VT1 устанавливается на радиатор, вместо него можно использовать аналог КТ814Б.

Такую схему придётся собирать на печатной плате, но в итоге её размер не должен превысить 50 х 50 мм.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Можно собрать схему попроще, используя принцип работы стабилизатора тока. Подача опорного напряжения на вход LM358 происходит через стабилитрон. Второй вход микросхемы подключается после датчика тока. Если к выходу компаратора подключить разряженный аккумулятор, то в цепи начнёт возрастать ток, а часть напряжения упадёт на низкоомном резисторе.

Между двумя входами микросхемы возникнет разность напряжения. Схема начнёт компенсировать это различие, увеличивая силу тока на выходе. В процессе заряда аккумулятора напряжение на входе начнёт уменьшаться, что приведёт к снижению тока в цепи. Как только батарея зарядится, транзистор VT1 закроется и нагрузка отключится. Ток заряда же ограничивается с помощью изменения сопротивления R1.

Кварцевый генератор

Такой генератор прямоугольных импульсов, собранный по схеме на отечественном компараторе K544C3, работает на тактовой частоте 32768 Гц.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Схема будет работоспособной в диапазоне входного напряжения от 7 до 11 вольт. Частота задаётся кварцем ZQ1, но для работы устройства свыше 50 кГц понадобится уменьшить сопротивление R5 и R6.

При замыкании второго вывода с нулевым проводом выход компаратора оказывается включённым по схеме с открытым коллектором, в которой R7 является нагрузкой. Подстройка частоты выполняется с помощью C1. За счёт резистора R4 происходит автозапуск генератора. Изменяя сопротивление R2, меняется скважность импульсов.

Подбирая ёмкости С1 и С2, генератор можно использовать как бесконтактный датчик жидкости. В качестве детектора для этого понадобится использовать микроконтроллер с программным обеспечением. Хотя можно применить и ещё один компаратор, который будет регистрировать изменения, выпрямленного диодами напряжения.

Таким образом, компаратор напряжения предназначен для сравнения уровней сигналов на своих входах.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Если они начинают различаться, то в зависимости от этой разности выход устройства изменяет своё состояние. Этим их свойством и пользуются разработчики, конструируя различные электроприборы.

Сумматоры и цифровые компараторы: таблицы истинности, принцип работы

Что такое сумматоры?

Сумматоры — это комбинационные устройства, предназначенные для сложения чисел. Рассмотрим сложение двух одноразрядных двоичных чисел, для чего составим таблицу сложения (таблицу истинности), в которой отразим значения входных чисел А и В, значение результата суммирования S и значение переноса в старший разряд P (см. рис. 3.48).

Цифровые сумматоры

Работа устройства, реализующего таблицу истинность (рис. 3.48), описывается следующими уравнениями

S = А·В + А·В

Р = А·В

Очевидно, что по отношении: к столбцу S реализуется логическая функция «исключающее ИЛИ», т. е. S = А + В.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Устройство, реализующее таблицу (рис.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности 3.48), называют полусумматором, и оно имеет логическую структуру, изображенную на рис. 3.49.

Поскольку полусумматор имеет только два входа, он может использоваться для суммирования лишь в младшем разряде.

При суммировании двух многоразрядных чисел для каждого разряда (кроме младшего) необходимо использовать устройство, имеющее дополнительный вход переноса. Такое устройство (рис. 3.50) называют полным сумматором и его можно представить как объединение двух полусумматоров (Рвх — дополнительный вход переноса).

Сумматор обозначают через SM.

Цифровые компараторы

Цифровые компараторы выполняют сравнение двух чисел, заданных в двоичном коде. Они могут определять равенство двух двоичных чисел A и B с одинаковым количеством разрядов либо вид неравенства A> B или A < B. Цифровые компараторы имеют три выхода.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Схема одноразрядного компаратора представляет собой структуру логического элемента «исключающее ИЛИ-НЕ» (рис.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности 3.51).

Из анализа схемы следует, что если A= B, то F = 1, в противном случае, т. е. при А ≠ В, F = 0. Если А > В, т. е. А = 1, В = 0, то С = 1, а если А < В, т. е. А = 0, В = 1, то D = l.

Если попарно равны между собой все разряды двух n-разрядных двоичных чисел, то равны и эти два числа А и В. Применяя цифровой компаратор для каждого разряда, например, четырехзначных чисел, и определяя значения F1, F2, F3, F4 логических переменных на выходах компараторов, факт равенства А = В установим в случае, когда F = F1 · F2 · F3 · F4 = 1. Если же F = 0, то А ≠ В.

Неравенство А > В обеспечивается (для четырехразрядного числа) в четырех случаях: или А4 > В4, или А4 = В4 и А3 > В3, или А4 = В4, А3 = В3 и А2 > В2, или А4 = В4, А3 = В3, А2 = В2 и A1 > В1 (где А4 и В4 — старшие разряды чисел А и В).Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Очевидно, что если поменять местами А1 и B1, то будет выполняться неравенство А < В.

Цифровые компараторы выпускают, как правило, в виде самостоятельных микросхем. Так, микросхема К564ИП2 (рис. 3.52) является четырехразрядным компаратором, в котором каждый из одноразрядных компараторов аналогичен рассмотренной ранее схеме. Данная микросхема имеет расширяющие входы А < В, А = В, А > В, что позволяет наращивать разрядность обоих чисел. Для этого компараторы соединяют каскадно или параллельно (пирамидально).

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Рассмотрим каскадное соединение компараторов К564ИП2 для сравнения двух восьмиразрядных чисел (рис. 3.53). При этом соединении выходы А = В и А В микросхемы младших разрядов подают соответственно потенциалы U0 и U1 (U0 соответствует логическому 0, a U1 — «1»). В последующих микросхемах на входах А > В поддерживают потенциал логической единицы U1.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

как работает, на операционном усилителе, микросхема

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.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Применение компараторов

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.

Принцип работы

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.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

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.

Схема компаратора

Схема компаратора:

  • 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.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности 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.

Положительная обратная связь

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.

КН (-) обратной связью

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.

Параметры прибора

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».Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности
  • 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.

Гистерезис компаратора

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.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

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».

Обозначение на схемах

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.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности 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:

  • LM No 339;
  • LM No 311;
  • MAX No 934;
  • К554СА3.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

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.

Фотореле

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.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

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

Зарядный блок

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.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности 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.

Генератор

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.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Именно такие их качества используют создатели, разрабатывая самые разные электроприборы с операционным усилителем.

Вопросы применения прецизионных компараторов — Время электроники

Компараторы достаточно часто используются в широком ряде приложений. Во многих случаях точность сравнения уровня напряжения не является критичной и может варьироваться в пределах нескольких сотен милливольт, например, в схеме формирования прямоугольных импульсов. Однако существует множество приложений с очень строгими требованиями к сравнению напряжений. В статье обсуждается несколько проблем, связанных с применением обычных компараторов для прецизионного детектирования уровня напряжений, и рассматривается новый прецизионный компаратор. Статья представляет собой сокращенный перевод [1]

Базовая схема компаратора

Компаратор представляет собой усилитель с большим коэффициентом усиления, который используется для усиления малого дифференциального сигнала на входе и управления выходным сигналом в однм из двух состояний.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности На рисунке 1 показана базовая схема компаратора в неинвертирующей и инвертирующей конфигурациях.
Входной сигнал сравнивается с пороговым напряжением VTH, а выходной меняет свое состояние в зависимости от того, меньше или больше входное напряжение значения VTH. На рисунках 1б и 1г показана передаточная функция цепи компаратора. У неинвертирующего компаратора выходной сигнал принимает положительные значения, если входной сигнал больше, чем VTH. У инвертирующего компаратора выходной сигнал принимает отрицательные значения, если входной сигнал больше, чем VTH.

Рис. 1. Передаточная функция неинвертирующего и инвертирующего компараторов

Коэффициент усиления компаратора определяет дифференциальное входное напряжение, управляющее высоким или низким состоянием выходного сигнала. Например, если коэффициент усиления компаратора составляет 80 дБ (т.е. 10000), а напряжение питания — 5 В, для управления состоянием выходного сигнала требуется, чтобы входное дифференциальное напряжение было равным 0,5 мВ.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Когда входной сигнал и пороговое напряжения близки, то из-за шумов и помех на этих сигналах выход компаратора постоянно переключается — дребезжит. Во избежание дребезга посредством положительной ОС — резисторы Rf и Ri на рисунке 2 — вводят гистерезис переключения (см. рис. 2б и 2г).

Рис. 2. Передаточная функция неинвертирующего и инвертирующего компараторов с цепью гистерезиса

Положительная обратная связь усиливает разность между сигналом напряжения и опорным напряжением VTH в точке переключения и генерирует два разных пороговых значения — одно для положительного, другое — для отрицательного входного сигнала. На рисунке 2 одно из этих значений обозначено как НПНС (Lower State Transition Voltage — напряжение переключения в нижнее состояние), другое — НПВС (Upper State Transition Voltage — напряжение переключения в верхнее состояние). Цепь гистерезиса позволяет исключить шум, амлитуда которого меньше ширины петли гистерезиса, и предовратить множественные переключения из одного состояния в другое.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности
Обсуждение вопроса использования компараторов с цепью гистерезиса требует определить термин «напряжение переключения состояния». Это фактическая величина напряжения сигнала, которая влияет на переключение выходного состояния компаратора и имеет два различных значения, зависящих от выходного напряжения этого устройства. VTH является пороговым напряжением, используемым для сравнения.
– STV (State Transition Voltage) — напряжение переключения состояний (НПС), при котором выходной сигнал меняет одно из своих двух значений.
– USTV — напряжение переключения в верхнее состояние (НПВС), которое больше порогового напряжения VTH.
– LSTV — напряжение переключения в нижнее состояние (НПНС), которое меньше порогового напряжения VTH.
Несмотря на то, что цепь гистерезиса устраняет выходные пульсации при переключении, действительное значение НПС становится менее точным. В отсутствие гистерезиса значения VTH, НПВС и НПНС те же самые. С использованием цепи гистерезиса на НПВС и НПНС оказывают влияние значение точности резисторов обратной связи, выходные напряжения насыщения, величина VTH и импеданс любого источника, связанного с источником сигнала или источником порогового напряжения.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности
Напряжение на входе +IN неинвертирующего компаратора с цепью гистерезиса (см. рис. 2а) определяется в соответствии со следующим уравнением:

+IN = VSRf/(Ri + Rf) + V0Ri/(Ri + Rf) (1)

Уравнение 1 не учитывает эффекты входного напряжения смещения и входные токи смещения. Выходное напряжение VO принимает два значения: низкое (VOL) и высокое напряжения насыщения (VOH), в зависимости от входного значения +IN. Эти параметры указаны в большинстве технических описаний. НПС зависит от входного сигнала VS, где +IN = VTH. Уравнение 2 описывает неинвертирующее напряжение НПНС:

+IN = VTH = VSRf/(Ri + Rf) + V0HRi/(Ri + Rf) (2)

Уравнение 3 описывает неинвертирующее напряжение НПВС:

+IN = VTH = VSRf/(Ri + Rf) + V0LRi/(Ri + Rf) (3)

На рисунке 2в показан инвертирующий компаратор с использованием цепи гистерезиса, а напряжение на входе +IN определяется уравнением 4:

+IN = VTH Rf/(Ri + Rf) + V0Ri/(Ri + Rf) (4)

В уравнении 4 также не принимаются в расчет эффекты входного напряжения смещения и входные токи смещения.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Уравнение 5 описывает инвертирующее напряжение НПНС:

+IN = VS = VTH Rf/(Ri + Rf) + V0HRi/(Ri + Rf) (5)

Уравнение 6 описывает неинвертирующее напряжение НПВС:

+IN = VS = VTH Rf/(Ri + Rf) + V0LRi/(Ri + Rf) (6)

В случае с неинвертирующим компаратором уравнения 2 и 3 используются для расчета семейства кривых, демонстрирующих влияние этого вида цепи гистерезиса на действительные значения НПС и положение петли вблизи VTH.

Рис. 3. Неинвертирующие напряжения переключения состояний компаратора

На рисунке 3 представлен график зависмости НПС от VTH, изменяющегося в диапазоне 0…5 В. На этом графике имеются две точки пересечения. Черным цветом отмечен график +IN = VTH, показывающий напряжения на входах компаратора и значения, при которых его выходной сигнал меняет состояние. Красная (НПВС) и голубая линии (НПНС) отображают зависимость напряжений переключения верхнего и нижнего состояний от входного сигнала Vs неинвертирующего компаратора.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности
Эти графики построены в соответствии с уравнениями 2 и 3 при условии, что +IN = VTH, Rf = 100 кОм, Ri = 20 кОм, VOL = 0 В и VOH = 5,0 В. Большое значение положительной обратной связи было выбрано для наглядного представления этих результатов. Во время работы данной схемы выходной сигнал компаратора переключается в верхнее состояние, если Vs больше НПВС, и в нижнее состояние, если Vs меньше НПНС.
Главный вывод заключается в наблюдаемой асимметрии гистерезиса по мере изменения VTH, т.е. положение кривой гистерезиса несимметрично относительно VTH, кроме одной точки, и зависит от VTH.
Итак, мы выявили несколько существенных источников погрешностей, которые влияют на функционирование базового типа компаратора с внешней цепью гистерезиса. Для некоторых применений компаратора точность НПС не является критичной, однако в широком ряду применений требуется обеспечить точное и легко управляемое напряжение переключения. Одним из таких типов применений являются «дозирующие» приложения.
Рассмотрим, например, рентгенометрическое приложение по управлению экспозицией рентгеновской плёнки.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Точный контроль над экспозицией во время диагностики позволяет минимизировать воздействие рентгеновского излучения на пациентов. Схема этого приложения показана на рисунке 4.

Рис. 4. Рентгеновский дозиметр с программируемой экспозицией

Она выполняет две функции: детектирования рентгеновского излучения с помощью ионизационной камеры и генерации тока интерфейсной ИС, пропорционального интенсивности излучения, и усилителя напряжения, управляемого током, в состав которого входит собственно усилитель А1 и резистор Rf, преобразующий ток ионизационной камеры в напряжение полученной дозы в соответствии с формулой

Dose = IIC·Rf

В качестве А1 используется усилитель LMP7721, работающий с очень низким входным током смещения величиной 3 фА и с сигналами высокоимпедансного источника, которым в данном случае является ионизационная камера. Усилитель А2 является интегратором для измерения суммарной мощности дозы:

Dose = 2/RCINT∫0t  Dose_Rate dt

Компаратор LMP7300 используется для подачи сигнала о получении требуемой дозы, который возникает в тот момент, когда выходной сигнал интегратора, поступающий на вход 1, сравнивается с пороговым напряжением на входе 2.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности В этом типе приложения требуемая доза зависит от многих факторов, например от плотности тела пациента. В схеме рисунка 4 имеется 12-битный ЦАП для установки порогового напряжения компаратора. LMP7300 выдает точное и стабильное 2,048-В опорное напряжение, которое усиливается до 4,096 В усилителем А3 и является источником опорного напряжения для ЦАП, обеспечивающего программируемое пороговое напряжение для компаратора LMP7300.
Другой особенностью этого приложения является использование LM2787 и LM285-2.5 для генерации отрицательного напряжения питания величиной 0,25 В для усилителей А1 и А2. Это небольшое напряжение позволяет сместить амплитуду выходного сигнала усилителя до нулевого значения и избежать насыщения вблизи 0 В (питание однополярное!) усилителей А1 и А2.
В данном приложении компаратор должен обеспечить точное пороговое напряжение, которое программируется для оптимизации времени экспозиции пленки. Это напряжение не должно зависеть от ширины гистерезиса, величины собственного порогового напряжения компаратора и допусков на выходное напряжение насыщения компаратора и резисторы обратной связи.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Прецизионный компаратор, например LMP7300, обеспечивает эти требования. Из рисунка 4 видно, что у LMP7300 функции компаратора и управление гистерезисом независимы.
Кроме того, положительный и отрицательный гистерезисы, управляющие НПВС и НПНС, соответственно, имеют независимые входы управления. Значение такого подхода становится понятным из рисунка 5, где изображена передаточная функция компаратора для комбинации входных сигналов и управления гистерезисом.
Этот компаратор эффективно отделяет пороговое напряжение VTH, применяющееся для сравнения, от НПНС и НПВС, что позволяет выполнить задачу обеспечения точного сравнения сигналов с использованием гистерезиса.

Рис. 5. Независимое управление гистерезисом у LMP7300

Гистерезис LMP7300 управляется разностью напряжений между опорным напряжением VREF и напряжением, приложенным к выводам HYSTP и HYSTN. Схемы а и б рисунка 5 показывают два варианта гистерезисного соединения. Если гистерезисный вывод подключить непосредственно к VREF, эта часть петли удалится.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Из рисунка 4 находим, что амплитуда гистерезиса равна примерно 20 мВ:
 
2,048(1кОм/(1кОм + 100кОм)) = 0,0203.

В силу того, что амплитуда гистерезиса вычитается из VTH, необязательно, чтобы R5 и R6 были прецизионными резисторами. Ширина петли гистерезиса может быть сколь угодно большой, при этом значение VTH не изменится.
Таким образом, на примере прецизионного компаратора LMP7300 мы увидели, как он позволяет преодолеть взаимодействие между пороговым напряжением и гистерезисом, что обычно происходит в компараторах с внешними резисторами обратной связи.

Литература

1. Bacharowski W. Understanding precision comparator//www.planetanalog.com/features/showArticle.jhtml;?articleID=206901992 .

операционных усилителей, схема компаратора | Renesas

Введение в электронные схемы: 3 из 3

На этом занятии мы рассмотрим операционные усилители (операционные усилители) и их использование в усилителях и компараторах.

Операционные усилители: универсальные ИС для множества приложений

Операционный усилитель работает на аналоговом входе.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Его можно использовать для усиления или ослабления этого входного сигнала, а также для выполнения математических операций, таких как сложение, вычитание, интегрирование и дифференцирование.Из-за широкого диапазона применения операционные усилители встречаются в большинстве электрических цепей.

Типичный операционный усилитель, показанный на рисунке 1, оснащен неинвертирующим входом (Vin (+)), инвертирующим входом (Vin (-)) и выходом (Vout). Хотя это не показано на схеме, операционный усилитель также имеет два входа питания (положительный и отрицательный), а также может включать в себя вход смещения и другие клеммы.

Рисунок 1: Схема операционного усилителя

Основная функция операционного усилителя заключается в значительном усилении разницы между двумя входами и выходе результата.Если вход на V (+) больше, чем на V (-), операционный усилитель будет усиливать и выводить положительный сигнал; если V (-) больше, операционный усилитель выдает усиленный отрицательный сигнал.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Две другие особенности типичного операционного усилителя: (а) входное сопротивление чрезвычайно велико и (б) выходное сопротивление чрезвычайно низкое.

Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя настолько велик, даже небольшие различия на входах быстро приведут выходное напряжение к максимальному или минимальному значению. По этой причине операционные усилители обычно подключаются к отрицательной обратной связи.Давайте посмотрим на пример.

Основы операционного усилителя

(1): схема инвертирующего усилителя

Схема, показанная на рис. 2, усиливает и инвертирует (меняет фазу) входной сигнал и выводит результат. В схеме используется отрицательная обратная связь: часть выходного сигнала инвертируется и возвращается на вход. В этом примере обратная связь возникает из-за того, что выход Vout подключен через резистор R2 к инвертирующему входу (-).

Давайте посмотрим, как работает эта схема.Если выход не подключен к напряжению питания, тогда напряжения, подаваемые на инвертирующий (-) и неинвертирующий (+) входы, равны; два входа действуют так, как будто закорочены вместе; мы можем представить себе воображаемую короткую.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Поскольку разница напряжений между этим воображаемым коротким замыканием и неинвертирующим входом составляет 0 В, точка A также будет иметь значение 0 В. Тогда по закону Ома I 1 = Vin / R 1 .

Рисунок 2: Схема инвертирующего усилителя

Поскольку операционные усилители имеют чрезвычайно высокий входной импеданс, ток на инвертирующий вход практически отсутствует (-).Соответственно, I 1 протекает через точку A и R 2 ; это означает, что I 1 и I 2 практически равны. Тогда по закону Ома Vout = −I 1 × R 2 , где I 1 отрицательно, потому что I 2 течет из точки A, где напряжение равно 0. Рассмотрим это с другой стороны. : любая попытка поднять входное напряжение на инвертирующем входе (-) создает инвертированное и сильно усиленное выходное напряжение, которое течет в обратном направлении, проходит через R 2 и подключается к инвертированной входной клемме (-), тем самым подавляя повышение напряжения на этом Терминал.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Система стабилизируется при выходном напряжении, которое доводит напряжение на инвертирующем входе (-) до 0 В, что эквивалентно напряжению на неинвертирующем входе.

Теперь давайте посмотрим, как мы можем использовать взаимосвязь между входом и выходом, чтобы найти коэффициент усиления операционного усилителя. В частности, Vout / Vin = (−I 1 × R 2 ) / (I 1 × R 1 ) = −R 2 / R 1 . Коэффициент усиления отрицательный, потому что фаза выходного сигнала противоположна фазе входного сигнала.

Важно отметить, что в приведенном выше уравнении коэффициент усиления полностью определяется соотношением сопротивлений R 2 и R 1 . Соответственно, вы можете изменить усиление, просто изменив сопротивления. Таким образом, хотя сам операционный усилитель имеет высокое усиление, соответствующее использование отрицательной обратной связи может снизить фактическое усиление до желаемого уровня.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Основы операционного усилителя

(2): Схема неинвертирующего усилителя

В предыдущем разделе мы видели, как операционный усилитель можно использовать для реализации инвертирующего усилителя.На рисунке 3 показано, как мы можем использовать его для создания неинвертирующего усилителя. Неинвертирующий усилитель отличается от инвертирующего по двум основным направлениям: (1) форма выходного сигнала находится в фазе с формой входного сигнала, и (2) входной сигнал поступает на неинвертирующий входной терминал (+). Но обратите внимание, что как неинвертирующие, так и инвертирующие схемы используют отрицательную обратную связь.

Так как же работает эта схема? У нас все еще есть воображаемое короткое замыкание, что означает, что неинвертирующий (+) и инвертирующий (-) входы находятся под напряжением Vin.Таким образом, точка A также находится в Vin. Закон Ома говорит нам, что напряжение на R 1 составляет Vin = R 1 × I 1 .Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности А поскольку на любой из входов операционного усилителя по существу нет тока, отсюда следует, что I 1 = I 2 . А поскольку Vout — это сумма напряжений при 1 R и 2 R, мы знаем, что Vout = R 2 × I 2 + R 1 × I 1 . Мы можем изменить эти выражения, чтобы найти коэффициент усиления G следующим образом: G = Vout / Vin = (1 + R 2 / R 1 )

Рисунок 3: Схема неинвертирующего усилителя

Поскольку этот усилитель сохраняет фазу, его часто можно найти в приложениях, где важно учитывать фазу.

Также обратите внимание, что если R 1 удаляется из схемы, а резистор R 2 установлен на 0 Ом (или закорочен), схема становится повторителем напряжения с коэффициентом усиления 1. Этот тип схемы часто используется для буферизации. схемотехника и схемы преобразования импеданса.

Схема 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.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Компараторы часто используются, например, для проверки того, достиг ли вход некоторого заранее определенного значения. В большинстве случаев компаратор реализуется с использованием специальной микросхемы компаратора, но в качестве альтернативы можно использовать операционные усилители. На схемах компараторов и схемах операционных усилителей используются одни и те же символы.

На рисунке 4 показана схема компаратора. Прежде всего обратите внимание, что схема не использует обратную связь. Схема усиливает разницу напряжений между Vin и VREF и выводит результат на Vout. Если Vin больше, чем VREF, то напряжение на Vout поднимется до положительного уровня насыщения; то есть к напряжению на положительной стороне.Если Vin ниже, чем VREF, то Vout упадет до своего отрицательного уровня насыщения, равного напряжению на отрицательной стороне.

На практике эту схему можно улучшить, включив диапазон напряжения гистерезиса, чтобы снизить ее чувствительность к шуму. Например, схема, показанная на рис.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности 5, будет обеспечивать стабильную работу, даже когда сигнал Vin несколько зашумлен.

Рисунок 4: Схема компаратора

Рисунок 5: Схема компаратора с гистерезисом

Цепь осциллятора с использованием положительной обратной связи

Обратная связь — это возврат части выхода схемы обратно на вход схемы с целью некоторого регулирования схемы.При отрицательной обратной связи более высокая обратная связь снижает выходной сигнал схемы. При положительной обратной связи, как в примере здесь, более высокий выход увеличивает выход. Когда положительная обратная связь включена в схему с положительным усилением, схема становится генератором.

Существует множество типов схем генератора. На рисунке 6 показан пример нестабильного мультивибраторного генератора.

Рисунок 6: Схема нестабильного мультивибратора

Эта цепь называется нестабильной, потому что она нестабильна при обоих максимальных напряжениях, напряжении V L на положительной стороне и -V L на отрицательной стороне, и будет колебаться между этими двумя уровнями.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Давайте посмотрим, как работает эта схема. Во-первых, обратите внимание, что выход Vout проходит через R 2 и обратно на неинвертирующий вывод операционного усилителя (+), образуя цепь положительной обратной связи. Отметим также, что Vout, R 3 и C содержат схему интегратора RC; или, другими словами, некоторая часть напряжения на Vout будет постепенно заряжать конденсатор.

Вначале цепь обратной связи быстро приводит Vout к максимальному положительному выходу (равному V L ).Но схема интегратора R3 (R 3 и C) постепенно увеличивает напряжение на инвертирующей входной клемме (-), пока через определенное время это напряжение не станет выше, чем напряжение на неинвертирующей входной клемме (+). Когда это происходит, отрицательное напряжение поступает на дифференциальный вход, быстро понижая Vout до максимума на отрицательной стороне (-V L ).

Теперь, когда Vout находится на отрицательной стороне, схема интегратора R 3 начинает постепенно повышать отрицательное напряжение на инвертирующей клемме (-).Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности И снова через определенное время это отрицательное напряжение становится больше, чем напряжение на неинвертирующем выводе (+), вызывая ввод положительного напряжения на дифференциальный вход, который быстро подталкивает Vout обратно к его положительному максимуму ( V L ). Эта последовательность продолжает повторяться, заставляя Vout колебаться вверх и вниз между V L и — V L .

Это третья и последняя сессия нашего обзора основных электронных схем. Мы надеемся, что этот обзор был полезен, даже несмотря на то, что признаем, что объем был весьма ограничен.В следующий раз мы начнем изучение цифровых схем. Надеемся на ваше дальнейшее участие.

Список модулей

  1. Пассивные элементы
  2. Диоды, транзисторы и полевые транзисторы
  3. Операционные усилители, схема компаратора

Схема компаратора операционного усилителя

»Примечания по электронике

Схема компаратора очень полезна для сравнения двух напряжений и определения большего или меньшего — это можно использовать для определения, когда напряжение превышает определенную точку.

Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности


Учебное пособие по операционному усилителю включает:
Введение
Сводка схем
Инвертирующий усилитель
Суммирующий усилитель
Неинвертирующий усилитель
Усилитель с переменным усилением
Активный фильтр высоких частот
Активный фильтр нижних частот
Полосовой фильтр
Режекторный фильтр
Компаратор
Триггер Шмитта
Мультивибратор
Бистабильный
Интегратор
Дифференциатор
Генератор моста Вина
Генератор фазового сдвига


В конструкции электронных схем часто используются схемы, которые сравнивают два напряжения и выдают цифровой выход, зависящий от сравнения двух напряжений.

Для схемы компаратора необходим усилитель с высоким коэффициентом усиления, чтобы даже небольшие изменения на входе приводили к устойчивому переключению уровня выходного сигнала.

Операционные усилители используются во многих конструкциях электронных схем, но определенные микросхемы компаратора обеспечивают гораздо лучшие характеристики.

Приложения компаратора

Компараторные схемы очень часто используются в электронных схемах.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Часто бывает необходимо уметь определять определенное напряжение и переключать цепь в соответствии с обнаруженным напряжением.

Одним из примеров может быть использование в цепи измерения температуры. Это может привести к изменению напряжения в зависимости от температуры. Может возникнуть необходимость включить обогрев, когда температура упадет ниже заданной точки, и этого можно достичь, используя компаратор, чтобы определить, когда напряжение, пропорциональное температуре, упало ниже определенного значения.

Для этих и многих других целей можно использовать схему, известную как компаратор.

Что такое компаратор?

Как следует из названия, компаратор, эти электронные компоненты и схемы используются для сравнения двух напряжений.

Когда один из них выше другого, выход схемы компаратора находится в одном состоянии, а когда входные условия меняются, выход компаратора переключается в другое состояние.

Компаратор состоит из усилителя с высоким коэффициентом усиления, который имеет дифференциальный вход — один инвертирующий вход и один неинвертирующий вход.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

В условиях работы компаратор переключается между высоким и низким в зависимости от состояния входов. Если неинвертирующий вход выше, чем инвертирующий, то выход высокий.Если неинвертирующий вход ниже, чем инвертирующий, то выход высокий.

Краткое описание работы компаратора

Компараторы и операционные усилители

В то время как операционный усилитель легко использовать в качестве компаратора, особенно когда его можно легко использовать, если микросхема, содержащая несколько операционных усилителей, имеет один запасной. Однако не всегда рекомендуется применять такой подход. Операционный усилитель может не всегда работать правильно или не обеспечивать оптимальную производительность. Тем не менее, когда приложение не требует больших усилий, всегда возникает соблазн использовать эти электронные компоненты, потому что они уже могут быть доступны.

Производительность микросхем компаратора и операционных усилителей существенно различается по ряду аспектов:

  • Блокировка операционного усилителя: В некоторых условиях, особенно когда операционный усилитель сильно нагружен, он может заблокироваться, то есть даже при изменении входа, выход остается прежним.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Компараторы предназначены для работы в этом режиме и никогда не должны срабатывать.

    Это одна из ключевых областей, в которой использование компаратора, а не операционного усилителя может быть явным преимуществом.

  • Работа без обратной связи: Операционные усилители предназначены для использования в режиме с обратной связью, и их схема оптимизирована для этого типа сценария. Их работа в режиме разомкнутого контура не характерна.

  • Цифровые и аналоговые: Операционные усилители являются важными аналоговыми компонентами, и их внутренние схемы предназначены для работы в этом регионе. Компараторы предназначены для работы в качестве логической функции, т.е.е. в цифровом режиме.

    Это означает, что операционные усилители лучше всего работают в аналоговом режиме, когда выход не попадает в шины, тогда как компараторы не так хороши при работе в линейном режиме и намного лучше работают с логическими уровнями.

  • Выходные каскады: Выходные каскады операционных усилителей и компараторов сильно различаются.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Обычно операционные усилители имеют линейный выход, часто работающий в режиме дополнительной симметрии, чтобы обеспечить оптимальные линейные характеристики для выхода.

    Компараторы часто имеют выход с открытым коллектором, подходящий для подключения к цифровым интерфейсам. Они предназначены для взаимодействия с логическими схемами, обеспечивая логический вход для сравнения аналоговых напряжений.

    Сравнение выходных схем операционного усилителя и компаратора

  • Время отклика: Компараторы оптимизированы для обеспечения очень быстрого отклика и времени переключения. Скорость нарастания высока и обеспечивает оптимальную производительность.

    Операционные усилители не оптимизированы для этих характеристик.Это, как правило, гораздо более медленные электронные компоненты, оптимизированные для линейной работы, а не для скорости.

  • Выходное напряжение и напряжение насыщения: Компараторы обычно способны работать в небольших пределах напряжения шины.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Это необходимо для хорошей коммутации логических схем. Операционные усилители не смогут жестко подъехать к рельсам, поскольку у них есть определенное напряжение насыщения — это может привести к плохому переключению логических схем.

Принимая во внимание эти факторы, всегда предпочтительнее использовать микросхему компаратора там, где предусмотрен этот тип работы.

Компаратор операционного усилителя

Можно использовать операционный усилитель в качестве компаратора, поскольку он удовлетворяет основным требованиям для данной функции.

Во время работы операционный усилитель переходит в положительное или отрицательное насыщение в зависимости от входных напряжений. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя обычно превышает 100 000, выход будет переживать насыщение, когда входы разнесены на доли милливольта.

Хотя операционные усилители широко используются в качестве компаратора, специальные микросхемы компаратора намного лучше.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Эти специальные микросхемы компаратора обеспечивают очень быстрое время переключения, намного превышающее время переключения, предлагаемое большинством операционных усилителей, предназначенных для более линейных приложений. Типичная скорость нарастания напряжения составляет порядка нескольких тысяч вольт за микросекунду, хотя чаще приводятся цифры задержки распространения.

Типичная схема компаратора будет иметь один из входов, удерживаемых при заданном напряжении. Часто это может быть потенциальный разделитель от источника или эталонного источника. Другой ввод передается в точку, которая должна быть обнаружена.

Схема компаратора базового операционного усилителя

На этой схеме напряжение переключения генерируется делителем потенциала, состоящим из R1 и R2. Это устанавливает напряжение на одном входе компаратора — в данном случае на инвертирующем входе. Неинвертирующий вход этой цепи подключен к точке, требующей измерения. Когда напряжение на этой точке поднимается выше опорного напряжения на выходе компаратора будет идти высоко, и когда он падает ниже опорного напряжения на выходе будет низким.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Обычно компаратор работает от тех же шин напряжения, что и система. Для логики 5 В компаратор обычно запускается от шины 5 В.

Примечания к компаратору ОУ

p> При использовании схем компаратора следует помнить о нескольких моментах. Между обычными схемами операционного усилителя и схемами компаратора есть некоторые различия, которые необходимо учитывать при проектировании любой электронной схемы.

  • Убедитесь, что дифференциальный вход не превышен: Поскольку нет обратной связи, два входа в схему будут иметь разное напряжение.Соответственно, необходимо убедиться, что максимальный дифференциальный вход не превышен. Все возможности состояния схемы следует учитывать на этапе проектирования электронной схемы.
  • Изменение входного тока: Опять же, в результате отсутствия обратной связи, нагрузка, подаваемая компаратором на источник, изменится. В частности, при изменении схемы будет небольшое увеличение входного тока. Для большинства цепей это не будет проблемой, но если полное сопротивление источника велико, это может привести к нескольким необычным откликам.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Это следует учитывать при проектировании электронной схемы.
  • Шум входного сигнала: Основная проблема этой схемы заключается в том, что новая точка переключения, даже небольшой шум приведет к переключению выхода вперед и назад. Таким образом, около точки переключения может быть несколько переходов на выходе, и это может вызвать проблемы в другом месте всей схемы. Решением этого является использование триггера Шмитта.

  • Если требуется функция компаратора, лучше всего использовать микросхему компаратора: Если требуется функция компаратора, всегда предпочтительно использовать микросхему компаратора, если это вообще возможно.Если один из этих электронных компонентов недоступен и необходимо использовать операционный усилитель, будьте осторожны, чтобы не перегрузить вход, чтобы не произошло защелкивания.

Использование микросхемы компаратора

Когда возникает необходимость в схеме компаратора, всегда лучше выбрать конкретную микросхему компаратора в качестве основы схемы.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Микросхемы компаратора

намного лучше справляются с переключением между двумя значениями и часто могут иметь выходные каскады, которые могут более легко взаимодействовать с логикой, чем аналоговые операционные усилители.

С точки зрения работы базовой схемы, основное отличие состоит в том, что большинство компараторов имеют выход с открытым коллектором и требуют внешнего подтягивающего резистора или другой схемы.

Операционные усилители очень дешевы и широко доступны. Компараторы не так дешевы и не так свободно доступны, поскольку эти электронные компоненты, как правило, используются немного реже и могут быть немного дороже, но не намного. Проблем с их использованием возникнуть не должно.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей
Схемы операционных усилителей
Цепи питания
Конструкция транзистора
Транзистор Дарлингтона
Транзисторные схемы
Схемы на полевых транзисторах
Условные обозначения схем

Вернуться в меню «Конструкция схемы».Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности . .

Принцип работы схемы компаратора OP-Amp и ее применение

Как правило, в электронике компаратор используется для сравнения двух напряжений или токов, подаваемых на два входа компаратора. Это означает, что он берет два входных напряжения, затем сравнивает их и выдает дифференциальное выходное напряжение высокого или низкого уровня. Компаратор используется для измерения, когда произвольный входной сигнал достигает Варьирование уровня опорного или определенный пороговый уровень.Компаратор может быть разработан с использованием различных компонентов, таких как диоды, транзисторы, операционные усилители. Компараторы используются во многих электронных приложениях для управления логическими схемами.

Символ компаратора

Операционный усилитель как компаратор

Когда мы внимательно посмотрим на символ компаратора, мы узнаем его как символ операционного усилителя (операционного усилителя), так что же отличает этот компаратор от операционного усилителя; Операционный усилитель предназначен для приема аналоговых сигналов и вывода аналогового сигнала, тогда как компаратор выдает только выходной сигнал в виде цифрового сигнала; хотя в качестве компараторов можно использовать обычный операционный усилитель (операционные усилители, такие как LM324, LM358 и LM741, не могут использоваться непосредственно в схемах компаратора напряжения.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Операционные усилители

часто могут использоваться в качестве компараторов напряжения, если к выходу усилителя добавлен диод или транзистор), но реальный компаратор разработан так, чтобы иметь более быстрое время переключения по сравнению с многоцелевыми операционными усилителями. Таким образом, можно сказать, что компаратор — это модифицированная версия операционных усилителей, специально разработанная для работы с цифровым выходом.

Сравнение выходной схемы операционного усилителя и компаратора

Работа базовой схемы компаратора

Схема компаратора работает, просто принимая два аналоговых входных сигнала, сравнивая их и затем вырабатывая логический выход с высоким «1» или низким «0».

Схема неинвертирующего компаратора

Путем подачи аналогового сигнала на вход + компаратора, называемый «неинвертирующим», и — вход, называемый «инвертирующим», схема компаратора будет сравнивать эти два аналоговых сигнала, если аналоговый вход на неинвертирующем входе больше чем аналоговый вход при инвертировании, то выход будет качаться до высокого логического уровня, и это заставит транзистор с открытым коллектором Q8 на эквивалентной схеме LM339 выше включиться.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Когда аналоговый вход на неинвертирующем входе меньше аналогового входа на инвертирующем входе, тогда на выходе компаратора будет низкий логический уровень.

При этом транзистор Q8 выключится. Как мы видели на изображении эквивалентной схемы LM339 выше, LM339 использует на выходе транзистор с открытым коллектором Q8, поэтому мы должны использовать «подтягивающий» резистор, который подключен к выводу коллектора Q8 с помощью Vcc, чтобы заставить этот транзистор Q8 работать. Согласно таблице данных LM339, максимальный ток, который может протекать через этот транзистор Q8 (выходной ток стока), составляет около 18 мА. V- можно рассчитать следующим образом.

V- = R2.Vcc / (R1 + R2)

Неинвертирующий вход компаратора подключен к потенциометру 10 кОм, который также формирует схему делителя напряжения, где мы можем регулировать начало напряжения V + с Vcc до 0 вольт. Во-первых, когда V + равно Vcc, выход компаратора перейдет в высокий логический уровень (Vout = Vcc), потому что V + больше, чем V-.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Это выключит транзистор Q8 и погаснет светодиод. Когда напряжение V + падает ниже V- вольт, выход компаратора переходит в низкий логический уровень (Vout = GND), что включает транзистор Q8 и загорается светодиод.

Путем замены аналогового входа; делитель напряжения R1 и R2, подключенный к неинвертирующему входу (V +), и потенциометр, подключенный к инвертирующему входу (V-), мы получим противоположный выходной результат.

Схема инвертирующего компаратора

Опять же, используя принцип делителя напряжения, напряжение на неинвертирующем входе (V +) составляет около V- вольт, поэтому, если мы начинаем инвертирующее входное напряжение (V-) с Vcc вольт, V + ниже, чем V-, это включит транзистор Q8, и выход компаратора перейдет в низкий логический уровень.Когда мы регулируем V- ниже V +. Когда транзистор Q8 выключен, выход компаратора перейдет в высокий логический уровень, потому что теперь V + больше, чем V-, и светодиод погаснет.

Применение компаратора в схемах практической электроники

Система мониторинга влажности почвы на основе беспроводных сенсорных сетей с использованием Arduino

Система мониторинга влажности почвы на основе беспроводных сенсорных сетей с использованием проекта Arduino предназначена для разработки системы автоматического полива, которая может управлять переключением (включение / выключение) электродвигателя насоса в зависимости от влажности почвы.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Система контроля влажности

Датчик влажности определяет влажность почвы, и соответствующий сигнал подается на плату Arduino. Компаратор сравнивает сигналы уровня влажности с заранее заданным опорным сигналом. Затем он отправит сигнал на микроконтроллер. На основе сигнала, полученного от датчика, и сигнала компаратора, будет работать водяной насос. ЖК-дисплей используется для отображения состояния влажности почвы и водяного насоса.

Цепь датчика сердечного ритма

Реализация в системе микросхемы монитора сердечного ритма

Датчик сердечного ритма HRM-2511E имеет 4 операционных усилителя.Четвертый операционный усилитель используется как компаратор напряжения. ППГ аналоговый сигнал подается на положительный вход и отрицательный вход привязан к опорному напряжению (VR). Величину VR можно установить в пределах от 0 до Vcc с помощью потенциометра P2 (показано выше). Каждый раз, когда импульсная волна PPG превышает пороговое напряжение VR, выходной сигнал компаратора становится высоким.Что такое компаратор в электронике: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности Таким образом, это устройство обеспечивает выходной цифровой импульс, который синхронизируется с тактом. Ширина импульса также определяется пороговым напряжением VR.

Цепь дымовой сигнализации

Цепь дымовой сигнализации

Фотодиоды излучают свет, который определяется фототранзисторами Q1 и Q2. Верхняя область герметична, поэтому рабочая точка транзистора Q1 не меняется. Эта рабочая точка используется в качестве эталона для компаратора. Когда дым попадает в нижнюю область, рабочая точка фототранзистора Q2 изменяется, что приводит к изменению напряжения Vin от базового (без дыма) значения Vin (no_smoke). -Транзистор уменьшается из-за попадания дыма в область, ток базы уменьшается, а напряжение Vin увеличивается от базового (без дыма) значения Vin (no_smoke).Когда напряжение Vin пересекает Vref, выход компаратора переключается с VL на VH, вызывая аварийный сигнал.

Я надеюсь, что, прочитав эту статью, вы получили некоторые основы работы с компаратором. Если у вас есть какие-либо вопросы об этой статье или о проектах по электронике и электротехнике за последний год, пожалуйста, не стесняйтесь оставлять комментарии в разделе ниже. Вот вам вопрос: знаете ли вы какие-либо приложения для встроенных систем, в которых операционный усилитель используется в качестве схемы компаратора?

Компаратор напряжения | Аналоговые интегральные схемы

Детали и материалы

  • Операционный усилитель, рекомендуется модель 1458 или 353 (каталог Radio Shack № 276-038 и 900-6298, соответственно)
  • Три батареи по 6 В
  • Два потенциометра 10 кОм, линейный конус (каталог Radio Shack № 271-1715)
  • Один светодиод (каталожный номер Radio Shack 276-026 или аналог)
  • Один резистор 330 Ом
  • Один резистор 470 Ом

Для этого эксперимента требуется только один операционный усилитель.И модели 1458, и 353 представляют собой «сдвоенные» операционные усилители с двумя полными схемами усилителя, размещенными в одном 8-контактном DIP-корпусе.

Я рекомендую вам приобретать и использовать «сдвоенные» операционные усилители вместо «одиночных», даже если для проекта требуется только один операционный усилитель, поскольку они более универсальны (один и тот же операционный усилитель может работать в проектах, требующих только одного усилителя в качестве а также в проектах, требующих двух). Это имеет смысл в интересах покупки и хранения наименьшего количества компонентов для вашей домашней лаборатории.

Перекрестные ссылки

Уроки электрических цепей, том 3, глава 8: «Операционные усилители»

Наклоняющиеся цели

  • Чтобы проиллюстрировать, как использовать операционный усилитель в качестве компаратора

Принципиальная схема

Иллюстрация

Инструкции для цепи компаратора

Схема компаратора сравнивает два сигнала напряжения и определяет, какой из них больше.Результат этого сравнения указывается выходным напряжением: если выход операционного усилителя насыщен в положительном направлении, неинвертирующий вход (+) имеет большее или более положительное напряжение, чем инвертирующий вход (-), все напряжения измеряется относительно земли. Если напряжение операционного усилителя близко к отрицательному напряжению питания (в данном случае 0 вольт или потенциал земли), это означает, что на инвертирующий вход (-) приложено большее напряжение, чем на неинвертирующий вход (+).

Это поведение гораздо легче понять, поэкспериментировав со схемой компаратора, чем прочитав чье-то словесное описание.В этом эксперименте два потенциометра подают переменные напряжения, которые операционный усилитель сравнивает. Состояние выхода операционного усилителя визуально отображается светодиодом. Регулируя два потенциометра и наблюдая за светодиодом, можно легко понять функцию схемы компаратора.

Для лучшего понимания работы этой схемы вы можете подключить пару вольтметров к входным клеммам операционного усилителя (оба вольтметра привязаны к земле), чтобы оба входных напряжения можно было численно сравнить друг с другом, эти показания измерителя по сравнению с статус светодиода:

Цепи компаратора

широко используются для сравнения физических измерений при условии, что эти физические переменные могут быть преобразованы в сигналы напряжения.Например, если небольшой генератор был прикреплен к колесу анемометра для создания напряжения, пропорционального скорости ветра, этот сигнал скорости ветра можно было бы сравнить с «заданным» напряжением и сравнить с помощью операционного усилителя для управления высокой скоростью ветра. сигнализация:

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

Что такое компаратор в электронике?

Введение

Сравнение двух или более данных для определения размера числа и порядка расположения между ними называется сравнением.Что касается определения компаратора, схема или устройство, которое может реализовать эту функцию, является компаратором. В электронике компаратор — это устройство, которое сравнивает два напряжения или тока и выводит цифровой сигнал, указывающий, какой из них больше, или 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.

Описание компаратора (инвертирующий компаратор, неинвертирующий компаратор и оконный компаратор)

Каталог


Ⅰ Принцип работы

Как правило, 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 ноль. Поскольку на входной вывод часто накладывается небольшое колебание напряжения, генерируемое им напряжение дифференциального режима 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 напряжению гистерезиса (VHYST). Напряжение смещения гистерезисного компаратора является средним значением TRIP и VTRIP-. Точка переключения входного напряжения компаратора без гистерезиса — это входное напряжение смещения, а не 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 среднее значение 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 выходному сигналу 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

Обычными 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 напряжения.

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 эмиттерно-связанная 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 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 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.
Следующее рассмотрение 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, поскольку 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. Один из двух входных напряжений опорного напряжения Vr, а другие представляют собой напряжение, чтобы быть измерена 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, как известно, измеренный результат напряжения может быть получен. Когда опорное напряжение равно нулю, она равна нулю пересечения компаратор а.
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 заключается 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 в качестве интерфейса между аналоговыми и цифровыми схемами, а также в качестве схемы 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 Разница между компаратором и операционным усилителем

В принципе, операционный усилитель можно использовать 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 схему гистерезиса, которая позволяет избежать колебаний на выходе, но ее нельзя использовать в качестве операционного усилителя.

Усилители

в качестве компараторов? | Аналоговые устройства

Q.Что такое компаратор? Чем он отличается от операционного усилителя?

А. Основная функция с высоким коэффициентом усиления компаратора, чтобы определить, является ли входное напряжение выше или ниже, чем опорное напряжение, и в настоящее время это решение в качестве одного из двух уровней напряжения, установленных предельных значений другими выходами. Компараторы имеют множество применений, в том числе: идентификация полярности, 1-битное аналого-цифровое преобразование, управление переключателем, генерация прямоугольных / треугольных волн и генерация фронтов импульсов.

В принципе, для выполнения этого простого решения можно использовать любой усилитель с высоким коэффициентом усиления.Но «дьявол кроется в деталях». Итак, есть некоторые основные различия между устройствами, разработанными как операционные усилители, и устройствами, предназначенными для работы в качестве компараторов. Например, для использования с цифровой схемой многие компараторы имеют выходы с фиксацией, и все они имеют выходные уровни, совместимые со спецификациями цифровых уровней напряжения. Есть еще несколько важных для дизайнеров отличий — они будут обсуждаться здесь.

В. При каких обстоятельствах можно пойти в любую сторону?

А.Усилители следует рассматривать для использования в качестве компараторов в приложениях, где требуются малое смещение и дрейф, а также низкий ток смещения — в сочетании с низкой стоимостью. С другой стороны, существует множество конструкций, в которых усилитель не может рассматриваться как компаратор из-за его длительного времени восстановления после выходного насыщения, большой задержки распространения и неудобства обеспечения совместимости его выхода с цифровой логикой. Кроме того, вызывает беспокойство динамическая стабильность.

Однако есть преимущества в стоимости и производительности при использовании усилителей в качестве компараторов — если их сходства и различия четко осознаются, и приложение может выдерживать, как правило, более низкую скорость усилителей.Никто не может утверждать, что усилитель будет служить заменой компаратора во всех случаях — но для ситуаций с низкой скоростью, требующих очень точного сравнения, производительность некоторых новых усилителей не может сравниться с характеристиками компараторов, имеющих больший шум и компенсировать. В некоторых приложениях с медленно меняющимися входами шум будет вызывать быстрое переключение выходов компаратора вперед и назад (см. «Устранение нестабильности компаратора с помощью гистерезиса», Аналоговый диалог, Том 34, 2000). Кроме того, можно сэкономить на стоимости или ценной печатной плате (PCB) в приложениях, где можно использовать двойной операционный усилитель вместо операционного усилителя и компаратора, или в конструкции, где три из четырех усилителей в пакет quad уже зафиксирован, и необходимо сравнить два сигнала постоянного тока или медленно меняющиеся сигналы.

В. Можно ли использовать этот четвертый усилитель в качестве компаратора?

A. Это вопрос, который сегодня задают нам многие разработчики систем. Было бы бессмысленно покупать четырехканальный операционный усилитель, использовать только три канала, а затем покупать отдельный компаратор — если действительно этот усилитель можно было бы просто использовать для функции сравнения. Однако следует понимать, что усилитель не может использоваться в качестве компаратора во всех случаях. Например, если приложение требует сравнения сигналов менее чем за микросекунду, добавление компаратора, вероятно, является единственным выходом.Но если вы понимаете внутренние архитектурные различия между усилителем и компаратором и то, как эти различия влияют на производительность этих микросхем в приложениях, вы сможете получить неотъемлемую эффективность от использования одного чипа.

На этих страницах мы опишем параметрические различия между этими двумя ветвями технологии усилителей IC и дадим полезные советы по использованию усилителя в качестве компаратора.

В. Так чем же отличаются усилители и компараторы?

А.В целом, операционный усилитель (ОУ) оптимизирован для обеспечения точности и стабильности (как постоянного, так и динамического) для указанного линейного диапазона выходных значений в прецизионных схемах с обратной связью. Однако, когда усилитель с разомкнутым контуром используется в качестве компаратора с его выходами, колеблющимися в пределах своих пределов, его внутренняя компенсационная емкость, используемая для обеспечения динамической стабильности, заставляет выходной сигнал медленно выходить из насыщения и нарастать в пределах своего выходного диапазона . Компараторы, с другой стороны, обычно предназначены для работы с разомкнутым контуром, когда выходы меняются между указанными верхним и нижним пределами напряжения в ответ на знак чистой разницы между двумя входами.Поскольку они не требуют компенсационных конденсаторов операционного усилителя, они могут работать довольно быстро.

Если входное напряжение на компаратор является более положительным, чем опорное напряжение плюс смещение-V ОС (с нулевой ссылкой, это просто смещение) плюс требуемое перегрузкой (из-за ограниченного усиления и выходной нелинейности), напряжение, соответствующее до логической «1» появляется на выходе. На выходе будет логический «0», когда на входе будет меньше V OS и требуемая перегрузка.Фактически, компаратор можно рассматривать как однобитовый аналого-цифровой преобразователь.

Есть разные способы определения компаратора и усилителя. Например, в усилителе напряжение смещения — это напряжение, которое должно быть приложено ко входу, чтобы довести выход до заданного среднего значения, соответствующего идеальному нулю на входе. В компараторе это определение модифицируется так, чтобы его центр находился в указанном диапазоне напряжения от 1 до 0 на выходе. «Низкое» выходное значение компаратора (логический 0) меньше 0.4 В макс. В компараторах с TTL-совместимыми выходами, в то время как для низковольтного усилителя низкое выходное значение очень близко к его отрицательной шине (например, 0 В в системе с однополярным питанием). На Рисунке 1 сравниваются низкие выходные значения типичных моделей усилителя и компаратора, с дифференциальным входом –1 мВ, приложенным к каждой из них.

Рис. 1. Реакция моделей усилителя с однополярным питанием (63 пВ) и компаратора (280 мВ) на разность входных напряжений –1 мВ.

Созданные для максимально быстрого сравнения двух уровней, компараторы не имеют внутреннего компенсационного конденсатора (конденсатора «Миллера»), который обычно используется в операционных усилителях, а их выходная цепь обеспечивает более гибкое возбуждение, чем у операционных усилителей.Отсутствие схемы компенсации дает компараторам очень широкую полосу пропускания. На выходе обычные операционные усилители используют двухтактную схему вывода для по существу симметричных колебаний между указанными напряжениями источника питания, в то время как компараторы обычно имеют выход с «открытым коллектором» с заземленным эмиттером. Это означает, что выходной сигнал компаратора может быть возвращен через маломощный резистор нагрузки коллектора («подтягивающий» резистор) на напряжение, отличное от основного положительного источника питания. Эта функция позволяет компаратору взаимодействовать с множеством логических семейств.Использование низкого сопротивления подтягивания приводит к повышению скорости переключения и помехоустойчивости, но за счет увеличения рассеиваемой мощности.

Поскольку компараторы редко конфигурируются с отрицательной обратной связью, их (дифференциальный) входной импеданс не умножается на усиление контура, как это характерно для схем операционного усилителя. В результате входной сигнал видит изменяющуюся нагрузку и изменяющийся (небольшой) входной ток при переключении компаратора. Следовательно, при определенных условиях необходимо учитывать импеданс ведущей точки.В то время как отрицательная обратная связь удерживает усилители в пределах их линейной выходной области, таким образом поддерживая небольшое изменение большинства внутренних рабочих точек, положительная обратная связь часто используется для принудительного перехода компараторов в состояние насыщения (и обеспечения гистерезиса для снижения чувствительности к шуму). Вход компаратора обычно допускает большие колебания сигнала, в то время как его выход имеет ограниченный диапазон из-за требований к интерфейсу, поэтому внутри компаратора требуется много быстрого сдвига уровня.

Каждое из вышеперечисленных различий между усилителем и компаратором существует по определенной причине, главной целью которых является как можно более быстрое сравнение быстро меняющихся сигналов.Но для сравнения низкоскоростных сигналов — особенно там, где требуется разрешение менее милливольта — некоторые новые усилители Rail-to-Rail от Analog Devices могут быть более выгодными покупками, чем компараторы.

В. ОК. Я вижу, что есть общие различия. Как они выглядят для проектировщика, который хочет использовать операционный усилитель вместо компаратора?

A. Вот шесть основных моментов:

1. Рассмотрим нелинейность V OS и I B в зависимости от входного синфазного напряжения

При использовании компараторов напряжения обычно заземляют одну входную клемму и используют несимметричный вход.Основная причина заключалась в плохом подавлении синфазного сигнала входного каскада. Напротив, многие усилители имеют очень высокий уровень подавления синфазного сигнала и способны обнаруживать микровольтные разности уровней при наличии сильных синфазных сигналов. На рис. 2 показан отклик операционного усилителя AD8605 на дифференциальный скачок 100 мВ при синфазном напряжении 3 В.

Рис. 2. Реакция AD8605 без обратной связи на дифференциальный скачок 100 мВ при синфазном напряжении 3 В. Обратите внимание на практически линейное вращение между шинами 0 и 5 В и чистое насыщение.

Но для многих усилителей с Rail-to-Rail входом входное напряжение смещения (V OS ) и входной ток смещения (I B ) нелинейны во всем диапазоне входных синфазных напряжений. При использовании этих усилителей пользователь должен учитывать это изменение в конструкции. Если порог установлен на нулевом синфазном уровне, но часть используется на каком-то другом уровне синфазного сигнала, то полученный логический уровень может быть не таким, как ожидалось. Например, часть со смещением 2 мВ при нулевом синфазном режиме и от 5 до 6 мВ во всем диапазоне синфазного режима может дать ошибочный выходной сигнал при сравнении разницы в 3 мВ на некоторых уровнях в этом диапазоне.

2. Остерегайтесь диодов защиты входа

Многие усилители имеют на входе схемы защиты. Когда два входа испытывают дифференциальное напряжение, превышающее номинальное падение напряжения на диоде (скажем, 0,7 В), защитные диоды начинают проводить ток, и вход выходит из строя. Следовательно, очень важно посмотреть на входную структуру усилителя и убедиться, что она может приспособиться к ожидаемому диапазону входных сигналов. Некоторые усилители, например OP777 / OP727 / OP747, не имеют защитных диодов; их входы могут принимать дифференциальные сигналы вплоть до уровней напряжения питания.На рисунке 3 показан отклик на большой дифференциальный сигнал на входе OP777. В этом случае выходы многих усилителей выходят из строя, а OP777 реагирует правильно. Усилители с КМОП-входом не имеют защитных диодов на входе, и их входное дифференциальное напряжение может качаться по схеме «rail-to-rail». Но помните, что в некоторых случаях подача большого дифференциального сигнала на входе вызывает значительные сдвиги параметров усилителя.

Рисунок 3. Отклик усилителя OP777 на сигнал ± 2 В, 1 кГц, смещенный на +2 В, по сравнению с +0.Уровень 5 В постоянного тока. Обратите внимание, что для этого большого колебания нет инверсии фазы. Однако коэффициент усиления довольно низкий на уровне синфазного сигнала +0,5 В от отрицательной шины, что можно увидеть по необходимому перегрузу примерно на 0,3 В.

3. Следите за характеристиками диапазона входного напряжения и тенденциями изменения фаз:

В отличие от операционных усилителей, которые обычно работают с входными напряжениями на одном уровне, компараторы обычно видят большие перепады дифференциального напряжения на своих входах. Но некоторые компараторы без входов Rail-to-Rail имеют ограниченный диапазон входного синфазного напряжения.Если входы выходят за пределы указанного синфазного диапазона устройства (даже если в пределах указанного диапазона сигнала), компаратор может среагировать ошибочно. Это также может быть справедливо для некоторых из старых типов усилителей, разработанных с использованием транзисторных полевых транзисторов (JFET) и биполярных технологий. Когда входное синфазное напряжение превышает определенный предел (IVR), на выходе происходит инверсия фазы. Это явление может иметь пагубные последствия (см. Главу 6 «Спросите инженера по приложениям», рисунок после таблицы).Поэтому крайне важно выбрать усилитель, который не проявляет реверсирование фазы при перегрузке. Это одна из проблем, которую можно решить, используя усилители с разъемами rail-to-rail.

4. Рассмотреть восстановление насыщения

Типичные операционные усилители не предназначены для использования в качестве быстрых компараторов, поэтому отдельные каскады усиления переходят в состояние насыщения, когда выход усилителя приводится к одному из крайних значений, заряжая компенсационный конденсатор и паразитные емкости.Конструктивное различие между усилителями и компараторами заключается в добавлении схемы фиксации в компараторы для предотвращения внутреннего насыщения. Когда усилитель переходит в режим насыщения, ему требуется время, чтобы восстановиться, а затем установить новое конечное выходное значение — в зависимости от выходной структуры и схемы компенсации. Из-за времени, необходимого для выхода из состояния насыщения, усилитель работает медленнее при использовании в качестве компаратора, чем при использовании под управлением в конфигурации с обратной связью. Информацию о восстановлении насыщения можно найти во многих технических паспортах усилителей.На рисунке 4 показаны графики восстановления насыщения для двух популярных усилителей (AD8061 и AD8605). Выходные структуры этих усилителей представляют собой стандартные двухтактные схемы с общим эмиттером.

Рисунок 4. Восстановление двух популярных усилителей в замкнутой конфигурации.

5. Факторы, влияющие на время перехода

Скорость — одно из отличительных отличий между семейством усилителей и компараторов. Задержка распространения — это время, которое требуется компаратору для сравнения двух сигналов на его входе и для достижения его выходом средней точки между двумя выходными логическими уровнями.Задержка распространения обычно указывается с перегрузкой, которая представляет собой разность напряжений между приложенным входным напряжением и опорным напряжением, которое требуется для переключения в течение заданного времени. На следующих графиках характеристики нескольких КМОП-усилителей с разъемом «rail-to-rail» сравниваются с характеристиками популярного компаратора. Все усилители сконфигурированы, как показано на рисунке 5 (ae), с приложенным напряжением, V IN , = ± 0,2 В, сосредоточенным вокруг 0 ​​В. В случае компаратора используется подтяжка 10 кОм вместо нагрузки. земля.Скорости усилителя сильно различаются, но из-за насыщения и более низкой скорости нарастания сигнала все они намного медленнее, чем у компаратора.

Рисунок 5а. Схема усилителя Рисунок 5б. Положительный шаг. Рисунок 5c. Отрицательный шаг. Рисунок 5г. Положительный шаг. Рисунок 5д. Отрицательный шаг.

Рис. 5. Сравнение характеристик компаратора и трех моделей усилителя без обратной связи, напряжение ± 0,2 В. а. Схема усилителя. б. Положительный шаг. c. Отрицательный шаг. Затем с поданным сигналом 50 мВ и перегрузкой 20 мВ. Период = 10 мкс.d. Положительный шаг. е. Отрицательный шаг.

Номер детали Ток питания (мкА) Напряжение смещения (мВ) Диапазон питания (В) Скорость нарастания (В / мкс
AD8515 350 5,00 1,8-5,0 5
AD8601 1 000 0.05 2,7-5,0 4
AD8541 55 6,00 2,7-5,0 3
AD8061 8 000 6,00 2,7-8,0 300
LM139 3 200 6.00 5,0–3,6

В то время как большинство компараторов имеют перегрузку от 2 мВ до 5 мВ, самые высокоточные усилители с низким входным смещением могут надежно работать с перегрузкой всего лишь на 0,05 мВ. Величина овердрайва, применяемого на входе, оказывает значительное влияние на задержку распространения. На рисунке 6 показана реакция AD8605 на несколько значений напряжения перегрузки.

Рис. 6. Отклик AD8605 как компаратора на ступенчатые входы с перегрузкой 1, 10 и 100 мВ.

Поскольку усилителям разрешено потреблять больше энергии, их скорость существенно увеличивается, так что они могут конкурировать с компараторами по времени нарастания и спада. На рисунке 7 показан пример этого — для AD8061 со скоростью нарастания 300 В / мкс в конфигурации разомкнутого контура, реагирующей на входной сигнал перехода через синусоидальный ноль, время восстановления выхода составляет 19 нс. Однако одним из самых больших недостатков использования усилителя в качестве компаратора часто является его энергопотребление, поскольку обычно можно найти компараторы, которые потребляют меньший ток питания (I SY ), но при этом хорошо работают.Конечно, для приборов, использующих сетевое питание, потребляемая мощность обычно не является большим движущим фактором. Кроме того, многие усилители имеют вывод отключения — функция, редко доступная в компараторах; его можно использовать для экономии энергии.

Рис. 7. Реакция AD8061 как компаратора перехода через ноль.

На рисунке 8 характеристика AD8061 на скачок сравнивается с таковой у популярного LM139 и двух других усилителей с разомкнутым контуром, подключенных по той же схеме, что и на рисунке 6. Как видно, AD8061 реагирует в течение 300 нс, что быстрее, чем LM139.Это достигается за счет более высокого потребления тока.

Рисунок 8. Ступенчатая характеристика трех усилителей и популярного компаратора. Обратите внимание на особенно быструю реакцию AD8061.

6. Рассмотрите способ взаимодействия с различными семействами логики

Многие из современных усилителей с выходом rail-to-rail работают с однополярным питанием от 5 В до 15 В, что может легко обеспечить TTL- или CMOS-совместимый выход без необходимости в дополнительных схемах сопряжения. Если логическая схема и операционный усилитель используют один и тот же источник питания, то операционный усилитель с рельсовой нагрузкой будет довольно успешно управлять семейством логики CMOS и TTL, но если операционный усилитель и логическая схема требуют разных уровней питания, потребуются дополнительные схемы интерфейса. .Например, рассмотрим операционный усилитель с питанием ± 5 В, который должен управлять логикой с питанием +5 В: поскольку логика может быть повреждена, если к ней приложено –5 В, особое внимание следует уделить конструкции схемы интерфейса. .

На рисунке 9 показан OP1177 (усилитель с двойным питанием), подключенный к логической схеме, а на рисунке 10 показан его отклик на 100 мВ перегрузки. При использовании источников питания ± 5 В снижается рассеиваемая мощность в режиме покоя и минимизируется тепловая обратная связь из-за рассеяния выходного каскада по сравнению с работой при напряжении ± 15 В.Более низкое напряжение питания также уменьшает время нарастания и спада OP1177, поскольку выход нарастает в пониженном диапазоне напряжения, что, в свою очередь, сокращает время отклика выхода.

Без схемы защиты на выходе OP1177 выход будет качаться на + V CC2 и –V EE2 ; эти уровни могут быть вредными для последующих логических схем. Добавление Q2 и D2 предотвращает отрицательный выход на выходе и переводит пределы в уровни TTL-совместимых выходов. D2 фиксирует выход, чтобы он не опускался ниже 0.7 В, как видно на осциллограмме V (D2,2). Значение V CC Q2 может быть выбрано (для этого анализа было выбрано 5 В) так, чтобы получился правильный логический уровень, как показано формой сигнала V OUT .

Рисунок 9. OP1177, подключенный для работы компаратора, со схемой преобразования и защиты для выхода TTL. Рисунок 10. Формы сигналов отклика для схемы компаратора OP1177.

Для экономии энергии можно использовать N-канальный MOSFET вместо NPN-транзистора, показанного на рисунке 9.

Q. Таким образом, чистая прибыль …

A. Усилитель может использоваться в качестве компаратора с превосходной точностью на низких частотах. Фактически, для сравнения сигналов с разрешением на уровне микровольт прецизионные усилители — единственный практический выбор. Они также могут быть экономичным выбором для пользователей многоканальных операционных усилителей, когда возможно использование свободных каналов усилителя для удовлетворения требований компаратора. Опытные дизайнеры могут сэкономить деньги при оптимизации своих конструкций, если они постараются: понять сходства и различия между усилителями и компараторами; прочтите технический паспорт усилителя, чтобы узнать о его характеристиках; понимать компромиссы во времени восстановления, скорости и энергопотреблении; и готовы проверить конструкции с усилителями, сконфигурированными как компараторы.

Схемы компаратора

— обзор

Что такое операционный усилитель на самом деле?

Вы понимаете, как работает операционный усилитель? Вы бы поверили, что операционные усилители были разработаны, чтобы упростить создание схемы? Вы, наверное, не думали, что в прошлый раз ломали голову над плохо работающим макетом в лаборатории.

В современном цифровом мире, похоже, обычной практикой является обсуждение темы операционных усилителей, давая учащимся возможность ознакомиться с часто используемыми формулами, не объясняя при этом их цель или теорию.Затем, когда новый инженер впервые разрабатывает схему операционного усилителя, возникает полная путаница, когда схема работает не так, как ожидалось. Это обсуждение призвано дать некоторое представление о внутренностях операционного усилителя и дать читателю интуитивное понимание операционных усилителей.

И последнее: обязательно сначала прочтите этот раздел! Я считаю, что одна из причин op-fusion (путаницы с операционными усилителями), как я люблю это называть, заключается в том, что теория преподается не по порядку. Изучение теории имеет очень конкретный порядок, поэтому, пожалуйста, разберитесь с каждым разделом, прежде чем двигаться дальше.Во-первых, давайте взглянем на символ операционного усилителя (см. Рисунок 3.8 на следующей странице).

Рисунок 3.8. Ваш базовый операционный усилитель.

Имеется два входа, положительный и отрицательный, обозначенные знаками + и -. Есть один выход.

Входы имеют высокий импеданс. Я повторяю. Входы имеют высокий импеданс. Позвольте мне сказать это еще раз. Входы имеют высокий импеданс! Это означает, что они (практически) не влияют на цепь, к которой они подключены. Запишите это, потому что это очень важно.Подробнее об этом мы поговорим позже. Об этом важном факте обычно забывают, и он способствует путанице, о которой я упоминал ранее.

Выход с низким сопротивлением. Для большинства анализов лучше всего рассматривать его как источник напряжения. Теперь давайте представим операционный усилитель, как на рис. 3.9, двумя отдельными символами.

Рисунок 3.9. Что на самом деле внутри операционного усилителя?

Здесь вы видите суммирующий блок и блок усиления. Вы можете вспомнить похожие символы из своего урока теории управления.На самом деле они не просто похожи — они абсолютно одинаковы. Теория управления работает для операционных усилителей. (Больше по этой теме будет позже.)

Во-первых, давайте обсудим суммирующий блок. Вы заметите, что на суммирующем блоке есть положительный вход и отрицательный вход, как и на операционном усилителе. Помните, что отрицательный вход — это как если бы напряжение в этой точке умножалось на -1. Таким образом, если у вас есть 1 В на положительном входе и 2 В на отрицательном входе, выход этого блока будет -1.Выход этого блока — это сумма двух входов, где один из входов умножается на -1. Его также можно представить как разность двух входов и представить это уравнение:

Eq. 3.1Vs = (V +) — (V-)

Теперь мы подошли к блоку усиления. Переменная G внутри этого блока представляет величину усиления, которую операционный усилитель применяет к сумме входных напряжений. Это также известно как усиление разомкнутого контура операционного усилителя. В этом случае мы будем использовать значение 50 000.Я слышал, вы говорите: «Как такое может быть? Схема усиления, которую я только что построил с операционным усилителем, не достигает таких высот! » Просто поверь мне на мгновение. Вскоре мы перейдем к приложениям для усиления. Просто найдите коэффициент усиления в разомкнутом контуре в таблице данных производителя. Вы увидите, что этот или даже более высокий уровень усиления типичен для большинства операционных усилителей.

А теперь проведем небольшой анализ. Что произойдет на выходе, если подать 2 В на положительный вход и 3 В на отрицательный? Я рекомендую вам попробовать это на макетной плате.Я хочу, чтобы вы увидели, что операционный усилитель может и будет работать с разными напряжениями на входах. Однако немного математики и немного здравого смысла также покажут нам, что произойдет. Например:

Ур. 3.2Vout = 50,000 * (2-3) или -50,000V

Теперь, если у вас нет операционного усилителя 50,000 В, подключенного к биполярному источнику питания 50,000 В, вы не увидите -50,000 В на выходе. Что ты увидишь? Подумайте об этом за минуту, прежде чем читать дальше. Выход пойдет на минимальную рейку. Другими словами, он будет стараться быть как можно более негативным.Это имеет большой смысл, если вы подумаете об этом так. Выход хочет достичь -50 000 В и подчиняться предыдущей математике. Он не может попасть туда, поэтому он подойдет как можно ближе. Рельсы операционного усилителя подобны рельсам железнодорожного полотна; поезд будет оставаться в пределах своих рельсов, если это вообще возможно. Точно так же, если операционный усилитель выйдет за пределы рельсов, произойдет катастрофа, и из микросхемы выйдет пресловутый волшебный дым. Шина — это максимальное и минимальное напряжение, которое может выдавать операционный усилитель. Как вы понимаете, это зависит от источника питания и выходных характеристик операционного усилителя.Хорошо, поменяйте местами входы. Теперь верно следующее:

Ур. 3.3Vout = 50,000 * (3-2) или + 50,000V

Что теперь будет? Выход пойдет на максимальную рейку. Как узнать, где находятся выходные шины операционного усилителя? Как отмечалось ранее, это зависит от используемого источника питания и конкретного операционного усилителя. Вам нужно будет проверить данные производителя для получения этой информации. Предположим, что мы используем LM324 с односторонним питанием +5 В. В этом случае выход будет очень близок к 0 В при попытке перейти в отрицательное значение и около 4 В при попытке перейти в положительное значение.

На этот раз я хотел бы отметить кое-что. Входы операционного усилителя не равны друг другу. Много раз я видел, как инженеры ожидали, что эти входные данные будут иметь одинаковую ценность. На этапе анализа разработчик придумывает токи, поступающие на входы устройства, чтобы это произошло (помните, входы с высоким импедансом, практически нулевой ток). Затем, когда он пробует это, его сбивает с толку тот факт, что он может измерять разные напряжения на входах.

В особом случае, который мы обсудим в следующем разделе, вы можете сделать предположение, что эти входы равны.Это не общий случай! Это распространенное заблуждение. Вы не должны попадаться в эту ловушку, иначе вы вообще не поймете операционные усилители.

Предыдущие примеры показывают очень изящное применение операционных усилителей: схему компаратора. Это отличная маленькая схема для преобразования аналогового мира в цифровой. Используя эту схему, вы можете определить, выше или ниже один входной сигнал, чем другой. Фактически, многие микроконтроллеры используют схему компаратора в процессах аналого-цифрового преобразования.Цепи компаратора используются повсюду. Как вы думаете, как уличный фонарь знает, когда достаточно темно, чтобы включиться? Он использует схему компаратора, подключенную к датчику освещенности. Как светофор узнает, что над датчиками есть автомобиль, чтобы переключиться на зеленый? Вы можете поспорить, что там есть схема компаратора.

Thumb Rules

Входы имеют высокий импеданс; они оказывают незначительное влияние на цепь, к которой они подключены.

Входы могут иметь различное напряжение; им не обязательно быть равными.

Коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя очень высок.