К544Са3. Компараторы напряжения и аналоговые коммутаторы: принципы работы, схемы, применение

Что такое компаратор напряжения и как он работает. Какие бывают виды аналоговых коммутаторов. Как устроены схемы выборки-хранения. Каковы принципы работы триггера Шмитта.

Компараторы напряжения: принцип действия и основные характеристики

Компаратор напряжения — это устройство, предназначенное для сравнения измеряемого напряжения с опорным. Принцип его работы основан на использовании операционного усилителя (ОУ) в режиме с очень большим коэффициентом усиления.

Как работает компаратор напряжения?

• На один вход подается измеряемое напряжение, на другой — опорное
• Выходной сигнал принимает одно из двух фиксированных значений в зависимости от соотношения входных напряжений
• При превышении измеряемым напряжением опорного происходит резкое переключение выходного сигнала

Основные характеристики компараторов:

• Быстродействие (время переключения)
• Чувствительность (минимальная разность входных напряжений для переключения)
• Гистерезис (разница между порогами переключения в прямом и обратном направлениях)

Аналоговые коммутаторы: виды и принципы работы

Аналоговый коммутатор — это устройство, позволяющее коммутировать аналоговые сигналы с помощью цифрового управления. Какие бывают виды аналоговых коммутаторов?

• На полевых транзисторах
• На биполярных транзисторах
• На операционных усилителях
• Интегральные аналоговые мультиплексоры

Принцип работы коммутатора на полевом транзисторе:

1. В открытом состоянии транзистор пропускает входной сигнал на выход
2. При подаче управляющего напряжения транзистор закрывается, разрывая цепь
3. Для улучшения характеристик применяются дополнительные элементы (диоды, резисторы)

Схемы выборки-хранения: принцип действия и применение

Схема выборки-хранения (sample-and-hold) — это разновидность аналогового коммутатора с памятью. Как она работает?

• В режиме «выборка» входной сигнал проходит на выход и заряжает конденсатор
• В режиме «хранение» вход отключается, а напряжение на конденсаторе сохраняется
• Для уменьшения утечки заряда применяется операционный усилитель с высоким входным сопротивлением

Основные характеристики схем выборки-хранения:

• Время выборки — за которое напряжение на выходе устанавливается с заданной точностью
• Скорость спада — изменение напряжения за единицу времени в режиме хранения
• Апертурное время — задержка между сигналом выборки и фактическим переходом в режим хранения

Триггер Шмитта: принцип работы и применение

Триггер Шмитта — это компаратор с гистерезисом, у которого пороги переключения в прямом и обратном направлении не совпадают. Как он устроен?

• Содержит операционный усилитель с положительной обратной связью
• Имеет два порога срабатывания — верхний и нижний
• При превышении верхнего порога выход переключается в высокое состояние
• Для обратного переключения входной сигнал должен опуститься ниже нижнего порога

Где применяется триггер Шмитта?

• Для формирования прямоугольных импульсов из синусоидального сигнала
• Для защиты от дребезга контактов
• В генераторах импульсов
• Для выделения полезного сигнала на фоне помех

Интегральные микросхемы компараторов: особенности и применение

Интегральные компараторы — это специализированные микросхемы для сравнения напряжений. Какие у них особенности?

• Высокое быстродействие (время переключения единицы наносекунд)
• Малое напряжение смещения нуля
• Совместимость по уровням с цифровыми схемами
• Наличие дополнительных функций (стробирование, выход с открытым коллектором)

Примеры популярных интегральных компараторов:

• К544СА3 (аналог LM311) — быстродействующий компаратор
• К554СА3 — сдвоенный компаратор
• LM339 — счетверенный компаратор общего применения

Применение компараторов и аналоговых коммутаторов в электронных схемах

Где используются компараторы напряжения?

• В аналого-цифровых преобразователях
• В устройствах защиты от перенапряжения
• В генераторах прямоугольных импульсов
• В схемах измерения и контроля параметров

Области применения аналоговых коммутаторов:

• Мультиплексирование аналоговых сигналов
• Программируемые усилители и фильтры
• Системы сбора данных
• Аудио- и видеотехника

Особенности проектирования схем на основе компараторов и коммутаторов

На что нужно обращать внимание при разработке схем с компараторами?

• Выбор компаратора с подходящим быстродействием
• Учет гистерезиса для защиты от ложных срабатываний
• Согласование уровней входных и выходных сигналов
• Фильтрация помех на входах

Особенности проектирования схем с аналоговыми коммутаторами:

• Минимизация проходной емкости для уменьшения проникновения управляющих сигналов
• Учет сопротивления открытого канала
• Обеспечение развязки между каналами в многоканальных коммутаторах
• Выбор быстродействия в зависимости от частоты коммутируемых сигналов

При правильном применении компараторы и аналоговые коммутаторы позволяют создавать эффективные схемы обработки аналоговых сигналов с цифровым управлением. Ключевыми факторами успешного проектирования являются понимание принципов работы этих устройств и учет их особенностей.

6.7 Дифференцирующий усилитель на основе оу

Дифференцирующим усилителем называется аналоговое устройство, выходное напряжение которого пропорционально производной его входного напряжения по времени. Простейший (идеальный) дифференциатор представлен на рисунке 6.10.

Рисунок 6.10 — Дифференцирующий усилитель на ОУ

Реальный дифференциатор имеет динамические ошибки, связанные с ограниченной величиной коэффициента передачи ОУ и его конечной частотой w_В (см. разделы 1.3.4 и 6.1, рисунки 1.32, 1.33). Данные ограничения определяют появление различного рода корректирующих цепочек, усложняющих конструкцию усилителей.

Например, для приведенной схемы (см. рисунок 6.10), частотный диапазон лежит в пределах 0 < w < 1/( R_OC·C). Однако, емкость на входе определяет с ростом частоты падение входного сопротивления, что может негативно сказаться на источнике входного сигнала (в случае его большого внутреннего импеданса).

Для повышения стабильности и входного импеданса дифференциатора последовательно с емкостью включают дополнительное сопротивление R_K, параллельно же R_ОС ставят емкость С

K(см. рисунок 6.11). Наличие данных элементов превращают чистый дифференциатор в дифференциатор – сумматор, на выходе которого сигнал пропорционален выражению [7]:

Рисунок 6.11 — Дифференцирующий усилитель на ОУ

с корректирующими элементами С_К и R_К

При условии R_К·C = R_OC·C_К на частотах w < 1/ (R_К·C) усилитель дифференцирует входной сигнал, при больших частотах – интегрирует.

Компаратором называется устройство, предназначенное для сравнения измеряемого напряжения с напряжением воспроизводимым мерой. В качестве меры используют источник опорного напряжения.

Принципиальная схема компаратора изображена на рисунке 6. 12.

Рисунок 6.12 — Компаратор напряжения на ОУ

ОУ в устройстве сравнения работает в режиме бесконечно большого усиления (R_ОС = ∞), при этом на сигнал выходе равен предельному (~ +U_П) для: . В случае U_ВЫХ изменяется на нулевой (специализированный компаратор) или на ~ -U_П для стандартного ОУ. В специализированных компараторах (например, К544СА3) используются усилители с высокой скоростью нарастания выходного сигнала и дополнительные каскады ограничения напряжения низкого уровня уровнем нуля соответствующей серии логических интегральных схем. В компараторе К544СА3 уровень нуля и единицы совпадает с параметрами ТТЛ уровней.

На рисунке 6.13 изображены временные диаграммы, поясняющие работу компаратора.

Рисунок 6.13 — Диаграмма работы компаратора напряжения

В состав компаратора входит сопротивление положительной обратной связи R

Р необходимое для формирования зоны гистерезиса на выходной характеристике. Ширина зоны лежит в обратной пропорции с величиной R_Р . Размер гистерезиса должен превышать амплитуду помехи (чаще всего частота силовой сети 50 Гц ), наложенной на входной сигнал, в противном случае в переходном режиме на выходном напряжении будут возникать импульсы ложного срабатывания, которые иногда нежелательны.

Упрощенная схема управления коммутатором. СА1 Лекция 8

Похожие презентации:

3D печать и 3D принтер

Видеокарта. Виды видеокарт

Анализ компании Apple

Трансформаторы тока и напряжения

Транзисторы

Устройство стиральной машины LG. Электрика

Конструкции распределительных устройств. (Лекция 15)

Электробезопасность. Правила технической эксплуатации электроустановок

Магнитные пускатели и контакторы

Работа на радиостанциях КВ и УКВ диапазонов. Антенны военных радиостанций. (Тема 5.1)

Упрощенная схема управления коммутатором.
Если Uупр > Uemax – диод
закроется. Uз-и будет равно 0,
транзистор откроется , Ue=Ua. При
достаточно больших отрицательных
управляющих напряжениях диод будет
открыт, а полевой транзистор закрыт.
Напряжение на выходе коммутатора
равно нулю.
Частота переключения этого коммутатора невелика. Обычно эти
коммутаторы выпускают в интегральном исполнении, когда в одном
корпусе объединяются несколько коммутаторов, управляемых общим
напряжением. Часто эти коммутаторы выполняются с одним входом или
одним выходом. Путем двоичного кода выбирается, какой из
коммутаторов подсоединить. Тогда эти коммутаторы называются
аналоговыми мультиплексорами. Часто в этих схемах добавляется ОУ.
Аналоговые коммутаторы на базе операционных усилителей.
Коммутатор с улучшенными характеристиками.

Полевой транзистор выполняет роль коммутатора. При Uупр = 0 он открыт,
независимо от величины входного напряжения. Если его закрыть, потенциал стока
возрастает, и, в зависимости от того , какой он имеет знак, открывается первый или
второй диод. К суммирующей точке операционного усилителя можно подключить
еще несколько идентичных коммутаторов. При этом получится аналоговый
мультиплексор. При соответствующем выборе R1 можно коммутировать входные
сигналы любой амплитуды.
Аналоговые коммутаторы с памятью (схемы выборки-хранения).
Выходное напряжение аналогового коммутатора с памятью в состоянии
«Включено» равно входному, а в состоянии «Выключено» должно быть равно
тому, каким оно было в момент выключения. Для запоминания используют
конденсатор.
При закрывании транзистора напряжение на конденсаторе остается
неизменным , если будет отсутствовать ток разряда. Поэтому ОУ2 выбирается с
полевыми транзисторами на входе. Качество коммутатора характеризуется:
1. величиной дрейфа фиксированного напряжения.
2. Временем установки значения te – определяет, насколько долго при самых
неблагоприятных условиях длится процесс заряда конденсатора до величины
входного напряжения с заданным уровнем допуска.
3. Время запаздывания определяется как время задержки между моментом
снятия управляющего напряжения и фактическим запиранием коммутатора.( ta).
Оно тем меньше, чем круче фронт Uупр.
te ≈ 20 мкС;
≈ 3 мВ/С
∆Ua ≈ 1мВ
Аналоговый коммутатор с памятью, выполненный на базе интегратора.
Компараторы
разновидность коммутаторов. Осуществляют переключение уровня
выходного напряжения, когда непрерывно изменяющийся входной сигнал
становится выше или ниже определенного уровня.
Благодаря высокому коэффициенту усиления схема переключается при
очень малых величинах разности и пригодна для сравнения с очень высокой
точностью.
Скорость нарастания 1В/мкС. Существенно
меньшей задержки можно добиться используя
специальные микросхемы
компараторов
К544СА1, К544СА2, К544СА3.
Если требуется сравнить большие напряжения, то используется схема:
Компаратор срабатывает при переходе Vp
через 0. Сравниваемые напряжения должны быть
разного знака. Благодаря диодам, напряжение на входе
компаратора не может превысить ±0,6 В.
Двухпороговый компаратор.
Фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя заданными
напряжениями или вне этого диапазона.
На выходе логического элемента единица
будет только тогда, когда U1<Ue<U2.
Триггер Шмитта.
Это компаратор, уровни включения и выключения которого не совпадают.
Они различаются на величину, называемую гистерезисом переключения.
Инвертирующий триггер Шмитта.
При Ue<<0:
Если к инвертирующему входу приложено большое отрицательное
напряжение, то Ua=Uamax. На неинвертирующем входе будет потенциал Vpmax. При
повышении входного напряжения величина выходного сигнала сначала не меняется,
но как только Ue достигнет значения Vpmax, выходное напряжение начинает падать,
а вместе с ним падает скачком Vp. Они принимают значения: Ua → Uamin, Vp →
Vpmin. Достигнутое состояние стабильно, и выходное напряжение изменится до
значения Uamax только тогда, когда входное напряжение достигнет значения Vpmin.