Компаратор напряжения: Р3003 Компаратор напряжений

Компаратор напряжения: характеристики и разновидности

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

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

Работа операционного усилителя без обратной связи

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

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

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

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

Принцип работы компаратора

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

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

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

На рисунке изображен компаратор с инвертирующим выходным сигналом

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

Основные схемы компаратора

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

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

Приведённое напряжение UПРИВ можно вычислить по следующему выражению

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

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

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

Схема двухвходового компаратора.

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

Компараторы применяются в широком спектре схем:

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

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

Появление ложных импульсов на выходе компаратора.

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

Разновидности компараторов

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

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

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

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

Пороговый компаратор

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

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

Гистерезисный компаратор

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

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

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

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

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

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

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

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

Самый простой компаратор

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

Деление по принципу действия

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

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

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

1. Шумами.
2. Температурным дрейфом и старением.

Триггер Шмитта

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

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

. Данное различие иллюстрирует изображение ниже

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

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

Триггер Шмитта на операционном усилителе.

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

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

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

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

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

Читайте также:  Какие ножи нельзя точить? Чем отличаются между собой правка и заточка ножа? Как правильно точить нож в домашних условиях: мусатом, точильным бруском, станком, механической, электрической точилкой, под

Процессы переключения компараторов.

Если входной сигнал будет изменяться очень медленно, то при достижении уровня входного сигнала опорному, выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием незначительных помех (так называемый «дребезг»). Для устранения этого явления в схему компаратора вводят положительную обратную связь (ПОС), которая обеспечивает характеристике компаратора небольшой гистерезис, то есть небольшую разницу между входными напряжениями включения и отключения компаратора. Некоторые типы компараторов уже имеют встроенную, упомянутую выше ПОС. Её можно так же ввести в схему компаратора при необходимости, например, как изображено на рисунке ниже.

Рисунок 3.

Схема включения в компаратор ПОС (гистерезиса).

На рисунке 3 приведена схема включения компаратора с открытым коллектором на выходе, переходная характеристика которой имеет гистерезис (рис. 3б). Пороговые напряжения для этой схемы определяются по формулам;

Хотя гистерезис вносит небольшую задержку в переключении компаратора, но благодаря ему, существенно уменьшается или даже устраняется полностью «дребезг» выходного напряжения. Для того, кто желает более полного и подробного знакомства с компараторами, рекомендую прочитать статью Б. Успенского в ВРЛ № 97 стр.49.

Компаратора напряжения в категории «Электрооборудование»

Компаратор напряжения с дифференциальным входом JRC NJM360M-TE1 DMP8

Доставка из г. Одесса

146.32 грн

Купить

Одесса

Компаратор напряжения 18В STm TS3702ID SOP8

Доставка из г. Одесса

75.35 грн

Купить

Одесса

Компаратор напряжения 2-канала дифференциальный TI LM393D SOP8

Доставка из г. Одесса

119.85 грн/10 шт.

Купить

Одесса

Компаратор напряжения Philips NE529N DIP14

Доставка из г. Одесса

137.72 грн

Купить

Одесса

LM339DT STMicroelectronics SO-14 микросхема компаратор напряжения малой мощности

Доставка из г. Днепр

от 3.60 грн

Купить

LM393DT STMicroelectronics SO-8 микросхема компаратор напряжения малой мощности

Доставка из г. Днепр

от 4.05 грн

Купить

Компаратор напряжений Р3003

Доставка по Украине

Цену уточняйте

Микросхема LM339DT(smd)

Доставка по Украине

11 грн

Купить

Микросхема LM311DR(smd)

Доставка по Украине

5.45 грн

Купить

Микросхема LM339N

Доставка по Украине

21 грн

Купить

Микросхема LM393DR2G(smd)

Доставка по Украине

3.90 грн

Купить

Микросхема LM393P

Доставка по Украине

7.50 грн

Купить

#Микросхема LM311P

Доставка из г. Кривой Рог

12.50 грн

Купить

Кривой Рог

#Микросхема LM2903D(=KA2903D)(smd)

Доставка по Украине

5.67 грн

Купить

#Микросхема LM293D(smd)

Доставка по Украине

5.10 грн

Купить

Смотрите также

JRC NJM360M-TE1 SOP-8 Компаратор напряжения з диференциальним входом

Недоступен

121 грн

Смотреть

Р3003 компаратор напряжения

Недоступен

Цену уточняйте

Смотреть

Р3003М1-1 компаратор напряжения

Недоступен

Цену уточняйте

Смотреть

Р3003М1-2 компаратор напряжения

Недоступен

Цену уточняйте

Смотреть

LM393P, двойной компаратор напряжения, DIP8

Недоступен

5. 20 грн

Смотреть

Гайворон

Компаратор напряжения ST LM393DT SOP8

Недоступен

103.29 грн/10 шт.

Смотреть

Компаратор напряжения двойной JRC NJM12903RB1 MSOP8

Недоступен

123.75 грн

Смотреть

Компаратор напряжения двойной JRC NJM12903R MSOP8

Недоступен

123.75 грн

Смотреть

Компаратор напряжения двойной JRC NJM12903M DMP8

Недоступен

135.12 грн

Смотреть

Компаратор напряжения двойной JRC NJM12903L SIP8

Недоступен

335.19 грн

Смотреть

Компаратор напряжения двойной JRC NJM12903E SOP8 JEDEC 150mil

Недоступен

335.19 грн

Смотреть

Компаратор напряжения двойной JRC NJM12903D DIP8

Недоступен

144.54 грн

Смотреть

К554СА2 DIP14 — компаратор напряжения

Недоступен

16.80 грн

Смотреть

MA311 (К521СА3) Ni компаратор напряжения (КН) общего применения с малым входным током и шир. диапазоном напр.

Недоступен

155.40 грн

Смотреть

6.3 Компаратор напряжения без обратной связи – основы прикладной электротехники

Очень распространенное применение операционного усилителя, преднамеренно использующее насыщение, — это компаратор напряжения. Эта схема сравнивает два входных напряжения и выдает двоичное выходное напряжение (то есть напряжение, которое может иметь только одно из двух возможных значений), чтобы указать, какое напряжение выше. Рассмотрим показанную схему с однополярным напряжением питания V _CC . Предположим, что операционный усилитель является идеальным с бесконечным коэффициентом усиления без обратной связи, A. Выходное напряжение попадает на шину питания положительного напряжения, V _CC вольт, если дифференциальное входное напряжение положительное, т. е. когда V ₊ >V _–  . Точно так же выходное напряжение находится на заземляющей шине, 0 вольт, всякий раз, когда дифференциальное входное напряжение отрицательное, т.

Е. Когда   ₊ – . Если мы рассмотрим реальный операционный усилитель с конечным коэффициентом усиления без обратной связи, например, A=10 ⁶ , то выход будет располагаться на положительной шине питания всякий раз, когда V+ превышает V- на 1 мкВ, что является очень малой величиной.

Рисунок 6.17

Пример. Разработайте схему компаратора на операционном усилителе, которая определяет, превышает ли тестовое напряжение V _test опорное напряжение V _ref . Схема должна вызывать свечение светодиода всякий раз, когда V _test > V _ref .

Решение: Операционный усилитель настроен как компаратор напряжения с входами V _test и V _ref. (Нас не интересует, откуда эти напряжения берутся в этой схеме; в следующей главе мы рассмотрим это, используя более подробную схему.) При однополярном напряжении питания +5 В выход операционного усилителя будет высоким. (+5В), когда В

test >V _ref и низкий уровень (0 В или потенциал заземления) в противном случае. Светодиод на выходе операционного усилителя служит индикатором, который светится, когда V _test > V _ref . Резистор 100 Ом между анодом светодиода и выходом операционного усилителя был выбран таким, чтобы обеспечить ток ~ 30 мА в цепи светодиода, что привело бы к яркому свечению светодиода.

Рисунок 6.18

 

Вопрос: в только что обсуждаемом примере резистор какого номинала следует использовать в выходной цепи вместо резистора 100 Ом, если используется шина питания 12 В вместо 5 В? Предположим для этого случая, что светодиод падает на 2 В и должен работать при токе 10 мА.

Ответ: Выход высокого уровня операционного усилителя будет 12 В. Резистор упадет на 10 В, а соответствующее сопротивление будет R = V / I = 10 / 0,01 = 1000 Ом = 1 кОм.

Обратите внимание, что в этих двух примерах предполагалось, что выходное напряжение достигает насыщения на шине питания, 5 и 12 вольт. В этих примерах мы игнорируем падение напряжения ~ 1 В между шиной питания и насыщенным выходом.

 

На рисунке ниже показано, как предыдущая схема может быть реализована с использованием пары делителей напряжения на входах операционного усилителя. Шины напряжения операционного усилителя В _CC и земля подключаются к клеммам + и – 5-вольтовой батареи соответственно. Два делителя напряжения, каждый из которых состоит из пары последовательно соединенных резисторов, соединены параллельно с батареей. В этой схеме V _ref = 2,5 В, а V _test определяется настройкой переменного резистора R. Когда R>5 кОм, V _test > V _ref и выходной светодиод будет светиться.

 

Рис. 6.19

Ниже мы видим другой вид той же цепи с символом земли, используемым вместо нижнего узла.

Рис. 6.20.

Далее мы показываем схему подключения схемы с использованием микросхемы двойного операционного усилителя LM358. В схеме используется только один из двух операционных усилителей на этой ИС.

Рисунок 6.21

 

операционный усилитель — компаратор напряжения на операционном усилителе

\$\начало группы\$

Я использую операционный усилитель (LF353P) для схемы компаратора напряжения. Напряжение питания для операционного усилителя составляет +12 В и -12 В. Входное напряжение для инвертирующего вывода (Vref) составляет 1,1 В. Входное напряжение для неинвертирующего вывода (Vin) представляет собой ШИМ-сигнал от ESP32. (прямоугольная волна 1 кГц, рабочий цикл 10%, Vmax = 2,82 В, Vmin = -318 мВ).

Выходной сигнал, который я получил, представляет собой сигнал прямоугольной формы с тем же рабочим циклом, что и сигнал ШИМ от ESP32, и максимальным напряжением 23 В, а минимальным напряжением -1,60 В.

Выходной сигнал, который я хочу, представляет собой квадрат волновой сигнал с тем же рабочим циклом, что и сигнал ШИМ от ESP32, и максимальным напряжением 12 В и минимальным напряжением -12 В.

Я изменил свои 10 кОм, которые подключаются к 3,3 В, на 20 кОм для 1,1 В ( Вреф).

Если я правильно понимаю, если Vin > Vref, Vo ​​примерно равно +12 В, а если Vin < Vref, Vo ​​примерно равно -12 В.

Если я неправильно понял, не могли бы вы объяснить, как это работает или как я могу получить желаемый результат?

Это сигнал, который я получаю от операционного усилителя:

• операционный усилитель
• ШИМ
• компаратор
• esp32

\$\конечная группа\$

8

\$\начало группы\$

На выходе я получил сигнал прямоугольной формы с тем же рабочим циклом, что и сигнал ШИМ от ESP32, и максимальным напряжением 23 В и минимальным напряжением -1,60 В.