Компараторы напряжения: Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Содержание

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.

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. Они подключены к инвертирующему входу. К нему же подключен делитель напряжения на переменном резисторе.

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

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

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

Обозначения выводов выглядят следующим образом:

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

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

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

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

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

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.

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. 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. 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. 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 National Semiconductor

28 ноября 2007

 

 

 

Очень часто нужно сравнить два сигнала по величине. В некоторых случаях необходимо зафиксировать момент, когда сигнал достигнет определенного значения. Для этих задач многие фирмы выпускают аналоговые компараторы. Без них не обходится ни один АЦП и ЦАП, ни один генератор пилообразных колебаний. В каждом цифровом вольтметре или другом измерительном приборе обязательно присутствует компаратор напряжения. Термин «компаратор» произошел от английского слова «compare» — сравнивать. Проще говоря, компаратор — это прибор для сравнения двух или нескольких напряжений с определенной точностью и выдачи результата с минимальной задержкой.

В качестве компаратора можно использовать дифференциальный (операционный) усилитель с очень большим коэффициентом усиления разностного сигнала. В зависимости от знака разности напряжений на входе дифференциального усилителя его выход оказывается в положительном или отрицательном насыщении. Раньше обычные ОУ использовали в качестве компараторов, но сейчас такой способ практически не используют, поскольку многие производители выпускают специализированные микросхемы для этой цели. Эти кристаллы имеют очень высокое быстродействие, но при повышении быстродействия компаратора приходится принимать меры для предотвращения глубокого насыщения транзисторов, работающих в ключевом режиме. Этого добиваются минимизацией паразитных емкостей и сопротивлений, ограничивающих скорость нарастания сигналов. К сожалению, уменьшение времени задержки связано с увеличением потребляемой мощности. Как правило, быстродействующие компараторы уступают прецизионным по точности сравнения.

Прецизионные компараторы отличаются от других классов компараторов повышенной точностью сравнения и стабильностью характеристик. Это достигается путем уменьшения входных токов смещения и существенного увеличения коэффициента усиления. Улучшение параметров точности обычно достигается ценой снижения быстродействия компараторов.

Выходные каскады компараторов в большинстве случаев оптимизированы для сопряжения с определенными логическими сериями (особенно это важно для микросхем с очень высоким быстродействием) или имеют открытый коллектор (открытый сток) для расширения возможностей разработчика. Компаратор также можно рассматривать в качестве аналогового коммутатора, который переключает уровни выходного напряжения, когда непрерывный входной сигнал становится выше или ниже заданного уровня.

Компания National Semiconductor выпускает широкую номенклатуру компараторов: скоростных (High-Speed) и c низким потреблением (Low-Power Comparators). Современные скоростные компараторы уже перешли наносекундный диапазон. Например, новые LMH7322 имеют задержку распространения* всего 700 пикосекунд. Необходимо отметить, что задержка распространения сильно зависит от величины перепада напряжения на входах компаратора, поэтому нужно всегда тщательно изучать графики, приводимые производителем в своей документации (datasheets). Это проиллюстрировано на рисунке 1 на примере широко распространенного компаратора LM319.

Рис. 1. Зависимость задержки распространения от Uвх в компараторе LM319

Из рисунка 1 хорошо видно, что задержка распространения сигнала зависит от величины перепада и от направления перехода входного напряжения. Время задержки значительно меньше при перепаде на входе от высокого уровня к низкому.

Основные параметры компараторов National Semiconductor приведены в таблице 1.

Таблица 1. Компараторы National Semiconductor

Наимено-
вание
Кол-
во кана-
лов
Свойства Iпотр.
на ка-
нал, мкА
Uпит.,
В
Uсмещ.(макс), мВ Конфиг. выхода CMVR*, B Задерж ка сигна-
ла, мкс
Корпус (а)
Скоростные компараторы (High-Speed Comparators)
LMH7322 (New) 2 700 пс задержка сигнала распрост-
ранения
30 мА 2,7…12 8 RSPECL ** 0,0007 LLP-24 
LMH7220 (New) 1 2,5 нс,
питание 2,7…12 В, LVDS
выход
8,2 мА 2,7…12 9 LVDS -0,2…10 0,0025 SC70-6, SOT23-6
LMV7219 1 7 нс,
питание 2,7…5В,
rail-to-rail выход
1,1 мА 2,7…5 6 Push- Pull -0,2…3,8 0,007 SC70-5, SOT23-5
LMV7235
(New)
1 45 нс,
ultra-low
power,
rail-to-rail выход
65 2,7…5 6 Откры-
тый
сток
-0,2…5,2 0,045 SC70-5, SOT23-5
LMV7239 (New) 1 45 нс,
ultra-low
power,
rail-to-rail выход
65 2,7…5 6 Push- Pull -0,2…5,2 0,045 SC70-5, SOT23-5
LM161 1 скорост-
ной диф
ференци-
альный компар.
13 мА 11…32 1 Диф-
ференц.
20…23 0,014 TO5-10
LM361 1 скорост-
ной диф
ференци-
альный компар.
13 мА 11…32 1 Диф-
ференц.
20…23 0,014 MDIP-14,
SOIC-14,
TO5-10
LM119 2 скорост-
ной
сдвоен-
ный
компара-
тор
4 мА 5…36 4 Откры-
тый колл.
8…33 0,08 CERDIP-14, CERPAK-10, 
LCC-20, TO5-10
LM219 2 скорост-
ной
сдвоен-
ный
компара-
тор 
4 мА 5…36 4 Откры-
тый колл.
8…33 0,08 CERDIP-14, CERPAK-10, LCC-20, TO5-10
LM319 2 скорост-
ной
сдвоен-
ный
компара-
тор 
4 мА 5…36 1,8 Откры-
тый колл.
7…34 0,08 MDIP-14, SOIC-14, TO5-10
Компараторы с низким потреблением (Low-power Comparators)
LPV7215 (New) 1 микро-
мощный,
rai-to-rail вход/
выход
0,61 1,8…5 3 Push- Pull 0…5,0 6,6 SOT-23, SC70-5
LMC7215 1 потребле-
ние
< 1 мкА,
rail-to-rail
вход
0,7 2…8 6 Push- Pull -0,2…5,2 12 SOIC-8, SOT23-5
LMC7225 1 потребле-
ние
< 1 мкА,
rail-to-rail
вход
0,7 2…8 6 Откры-
тый сток
-0,3…5,3 12 SOT23-5
LMC6762 2 микро-
мощный,
rai-to-rail
вход
6 2,7…15 5; 15 Push- Pull -0,3…5,3 4 SOIC-8
LMC6772 2 микро-
мощный,
rai-to-rail
вход
6 2,7…15 5; 15 Откры-
тый сток
-0,3…5,3 4 SOIC-8, MSOP-8, MDIP-8
LMC7211 1 микро-
мощный,
rai-to-rail
вход
7 2,7…15 5; 15 Push- Pull -0,3…5,3 4 SOIC-8, SOT23-5
LMC7221 1 микро-
мощный,
rai-to-rail
вход
7 2,7…15 5; 15 Откры-
тый сток
-0,1…2,8 4 SOIC-8, SOT23-5
LMV7271/ 72 1/2 питание
от 1,8 В,
rail-to-rail
вход
10 1,8…5 4 Push- Pull -0,1…2,8 0,88 micro SMD-5, SOT23-5, SC70-5
LMV7275 1 питание
от 1,8 В,
rail-to-rail
вход
10 1,8…5 4 Откры-
тый сток
-0,1…2,8 0,88 SC70-5, SOT23-5
LMV7291 1 питание
от 1,8 В,
rail-to-rail
вход
10 1,8…5 4 Push- Pull 0…3,5 0,88 SC70-5
LP339 4 микро-
мощный,
4 в одном корпусе
15 2…36 5 Откры-
тый колл.
-0,1…4,2 8 SOIC-14, MDIP-14
LMV393 2 микро-
мощный,
общего примене-
ния
43 2,7…5 7 Откры-
тый колл.
-0,1…4,2 0,6 SOIC-8, MSOP-8
LMV339 4 низко-
вольтный,
общего примене-
ния
50 2,7…5 7 Откры-
тый колл.
-0,1…4,2 0,6 SOIC-14, TSSOP-14
LMV331 1 низко-
вольтный,
общего примене-
ния
60 2,7…5 7 Откры-
тый колл.
2…34,5 0,6 SC70-5, SOT23-5
LM2903 2 низкое напряже-
ние смещения
200 2…36 7 Откры-
тый колл.
2…34,5 0,4 MDIP-8, micro SMD-8, SOIC-8
LM293 2 низкое напряже-
ние смещения
200 2…36 2; 5 Откры-
тый колл.
2…34,5 0,4 TO5-8
LM393 2 низкое напряже-
ние смещения
200 2…36 5 Откры-
тый колл.
2…34,5 0,4 MDIP-8, micro SMD-8, SOIC-8, TO5-8
LM193 2 низкое напряже-
ние смещения
200 2…36 2; 5 Откры-
тый колл.
2…34,5 0,4 CERDIP-8, TO5-8
LM139 4 низкое напряже-
ние смещения
200 2…36 2; 5 Откры-
тый колл.
2…34 0,5 CERDIP-14, CERPAK, CERPAK-14, LCC-20
LM239 4 низкое напряже-
ние смещения
200 2…36 2; 5 Откры-
тый колл.
2…34 0,5 CERDIP-14
LM2901 4 низкое напряже-
ние смещения
200 2…36 7 Откры-
тый колл.
2…34 0,5 MDIP-14, SOIC-14
LM3302 4 низкое напряже-
ние смещения
200 2…28 20 Откры-
тый колл.
2…26 0,5 MDIP-14
LM339 4 низкое напряже-
ние смещения
200 2…36 2; 5 Откры-
тый колл.
2…34 0,5 CERDIP-14, MDIP-14, SOIC-14
LMV761 1 прецизи-
онный,
низко-
вольтный
225 2,7…5 1 Push- Pull -0,3…3,8 0,12 SOIC-8, SOT23-6
LMV762 2 прецизи-
онный,
низко-
вольтный
275 2,7…5 1 Push- Pull -0,3…3,8 0,12 SOIC-8, MSOP-8
LM397 1 компара-
тор
общего примене-
ния
250 5…30 7 Откры-
тый колл.
5…28,5 0,25 SOT23-5
LM392 1 низкое потреб-
ление
500 3…32 5 Push- Pull 3…30 1,5 MDIP-8, SOIC-8
LM6511 1 время установ-
ления
180 нс
2,7 мА 2,7…36 5 Откры-
тый колл.
3,2…34,75 0,18 SOIC-8
LM111 1 компара-
тор
общего примене-
ния
5,1 мА 5…36 3 Откры-
тый колл.
0,5…34 0,2 CERDIP-8/14, CERPAK, CERPAK-10, LCC-20
LM211 1 компара-
тор
общего примене-
ния
5,1 мА 5…36 3 Откры-
тый колл.
0,5…34 0,2 TO5-8
LM311 1 компара-
тор
общего примене-
ния
5,1 мА 5…36 7,5 Откры-
тый колл.
0,5…35 0,2 MDIP-8

*CMVR — Common-Mode Voltage Range (диапазон допустимого синфазного напряжения на входах)
**RSPECL — положительная эмиттерно-связанная логика с малым размахом сигнала

Скоростные компараторы National Semiconductor

Среди последних новинок особого внимания достоин скоростной сдвоенный компаратор LMH7322. Он имеет самое низкое потребление энергии (типовое значение 21 мА). Задержка распространения сигнала составляет менее одной наносекунды (700 пс) при работе на логические микросхемы RSPECL (положительная эмиттерно-связанная логика с малой амплитудой сигнала). Этот компаратор является усовершенствованием компаратора LMH7220 с низковольтным дифференциальным выходом LVDS. В конце 2007 года компания National Semiconductor планирует начать поставку образцов счетверенного компаратора с параметрами, близкими к LMH7322. Раздельное питание входных и выходных цепей LMH7322 позволяет легко согласовать входные и выходные сигналы разных частей устройства, не используя специализированные микросхемы для сдвига уровней. Кроме того, LMH7322 допускает отрицательное напряжение на входе до -6 В при однополярном напряжении питания до 12 В.

Время нарастания и спада сигнала LMH7322 составляет 160 пс.

Рис. 2. Допустимые диапазоны входных напряжений LMH7322 и компараторов этого класса от других производителей

На рисунке 2 показаны допустимые входные диапазоны напряжений для LMH7322 и компараторов этого класса от других производителей.

Рис. 3. LMH7322. Схема преобразования аналогового сигнала в сигнал с уровнями LVDS и стандартное включение этого компаратора

На рисунке 3 приведены рекомендуемые производителем схемы включения скоростного компаратора LMH7322 для преобразования аналогового сигнала в сигнал с уровнями LVDS и стандартное включение этой микросхемы.

К длительности задержки распространения компаратора LMH7322 необходимо относиться очень внимательно, так как этот параметр зависит от окружающей температуры и напряжения питания, и в худших случаях может доходить до 1050 пс. Эти факторы разработчик должен обязательно учитывать, если проектируемая аппаратура предназначена для работы в широком диапазоне температур и напряжений питания. Упомянутые зависимости приведены на рисунке 4. Интересно отметить, что при низкой рабочей температуре задержка распространения минимальна и приближается к значению 650 пс.

Рис. 4. Зависимости длительности задержки компаратора LMH7322 от напряжения питания и температуры

Типовое применение и основные параметры компаратора LMH7220 (предшественника LMH7322) приведены на рисунке 5. Выход LVDS этого компаратора обеспечивает уровень сигнала 325 мВ для передачи по симметричной линии с волновым сопротивлением 100 Ом. Этим обеспечивается малая чувствительность к шумам и электромагнитным помехам. Выходной сигнал с уровнями LVDS минимизирует потребление энергии по сравнению с выходом эмиттерно-связанной логики (ECL). Благодаря характеристикам выходного каскада потребление энергии остается очень малым даже при увеличении скорости передачи данных.

Рис. 5. Типовое применение скоростного компаратора LMH7320 с выходом LVDS и низким потреблением

В этой статье уже отмечалось, что с ростом быстродействия увеличивается и потребляемая мощность. Однако, в линейке скоростных компараторов National Semiconductor есть LMV7235 и LMV7239 с током потребления всего 65 мкА (ultra-low power, по определению производителя) при задержке распространения сигнала 45 нс (см. таблицу 1). Эти компараторы отличаются только типом выходного каскада. LMV7235 имеет выход с открытым стоком, а у LMV7239 выход построен по схеме Push-Pull. Чтобы не быть голословным, проиллюстрируем зависимость тока потребления LMV7235 и LMV7239 рисунком 6, взятым из документации производителя. В худшем случае при напряжении 1,5 В ток потребления не превышает 30 мкА.

Рис. 6. Зависимость тока потребления от напряжения питания и температуры для быстродействующих компараторов LMV7235 и LMV7239 с низким потреблением и задержкой распространения 45 нс

National Semiconductor рекомендует использовать компараторы LMV7239 для схем кварцевых генераторов и приемников импульсов инфракрасного излучения, основываясь на их высоком быстродействии и низком потреблении. Примеры реализации этих схем приведены на рисунке 7.

Рис. 7. Кварцевый генератор и приемник импульсов инфракрасного излучения, выполненные на основе LMV7239

В документации производителя есть еще несколько интересных решений на описанных выше микросхемах. Заинтересованный читатель без труда найдет их на сайте National Semiconductor: www.national.com.

Компараторы National Semiconductor с низким потреблением

Широкое распространение техники с автономным питанием стимулирует производителей к выпуску электронных компонентов с низким потреблением энергии. В перечне выпускаемых микросхем компании National Semiconductor есть компараторы с минимальным напряжением питания (всего 1,8 В). Они имеют Rail-to-Rail вход и выход, а потребляемый ток находится в пределах 600 — 800 нА во всем диапазоне напряжений питания. Речь, конечно, идет о новых компараторах LPV7215. Производитель указывает задержку распространения для этой микросхемы 6,6 мкс. Но ранее в статье уже было отмечено, что, измеряя этот параметр, необходимо учитывать величину перепада напряжения на входах, температурный режим и напряжение питания. Для полной точности нужно еще учитывать и направление перепада напряжения на входе компаратора (с высокого уровня на низкий и наоборот). В своей документации National Semiconductor приводит все эти зависимости. Некоторые из них для компараторов LPV7215 показаны на рисунке 8.

Рис. 8. Зависимости тока потребления от напряжения питания и температуры, задержки переключения от перепада напряжения на входе для микромощного компаратора LPV7215

Популярные компараторы LM311 (LM211, LM111), которые выпускаются уже в течение многих лет, производитель относит к компараторам с низким потреблением, хотя при изучении таблицы 1 это представляется спорным. Но, учитывая огромную популярность этих микросхем, National Semiconductor до сих пор продолжает их выпускать. Больший интерес для разработчика могут представлять сдвоенные компараторы LM393 (LM293, LM193). Они имеют расширенный диапазон напряжений питания от 2 до 36 В, низкое напряжение смещения, низкий ток потребления при более высокой точности по сравнению с LM311. Но задержка распространения у LM393 больше и составляет около 0,4 мкс.

Отдельного внимания заслуживает прецизионные низковольтные компараторы LMV761 (одиночный) и LMV762 (сдвоенный) с диапазоном напряжений питания от 2,7 до 5 В. Они характеризуются высокой точностью при относительно высоком быстродействии. Основные параметры этих микросхем приведены на рисунке 9.

Рис. 9. Основные параметры и зависимости напряжения смещения LMV761 и LMV762 от напряжения смещения и температуры

Вся информация для статьи взята с сайта производителя: http://www.national.com/.  

По вопросам получения технической информации,
заказа образцов и поставки обращайтесь в компанию КОМПЭЛ.
e-mail:
[email protected]

Универсальный контроллер питания для мобильных приложений

LP3910 от National Semiconductor — это гибкое решение для создания универсального модуля питания (PMU — Power Management Unit), которое содержит в себе интегрированный повышающе-
понижающий преобразователь и несколько различных регуляторов напряжения. Помимо этого, LP3910 имеет два отдельных входа для питания устройства и зарядки батарей от шины USB или сетевого адаптера.

Интегрированный контроллер заряда поддерживает автоматическое переключение источников энергии. Наличие интерфейса I2C позволяет разработчикам изменять электрические характеристики и режимы системы питания, такие как значения выходных напряжений и варианты переключения источников питания под конкретное приложение.

В портативных устройствах, где используется питание 3,3 В, повышающе-
понижающий преобразователь позволит продлить время работы от батарей. Li-Ion аккумулятор, как самый популярный выбор для питания мобильных приложений, как правило, имеет диапазон рабочих напряжений от 2,9 до 4,2 В. Когда аккумулятор заряжен, конвертер понижает напряжение до необходимого значения. Когда аккумулятор разряжен до значения менее 3,3 В, преобразователь повышает напряжение. Технически это позволяет увеличить время работы устройства от батареи на 10%, по сравнению с обычным понижающим преобразователем.

Программируемый контроллер питания LP3910, доступный в 48-выводном корпусе LLP размером 6х6 мм, содержит 4-канальный 8-битный АЦП для контроля аккумулятора и двух внешних источников питания. Для приложений, не использующих Flash-память или жесткий диск, National Semiconductor выпустила модификацию LP3913 с такими же функциями, что и у LP3910, но без повышающе-
понижающего преобразователя, который заменен только на понижающий, с максимальным рабочим током до 500 мА.

•••

Наши информационные каналы

АНАЛОГОВЫЕ КОМПАРАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ Устройство и принцип действия

Аналоговые компараторы напряжения предназначены для определения момента равенства двух напряжений и выработки цифровых выходных сигналов 0 или 1 в зависимости от знака разности сравниваемых сигналов. Компаратор представляет собой одноразрядный аналого-цифровой преобразователь. По сути дела, компаратор напряжения чувствителен к полярности напряжения, приложенного между его сигнальными входами. Напряжение на выходе компаратора будет иметь высокий уровень всякий раз, когда разность напряжений между неинвертирующим и инвертирующим сигнальными входами положительна и, наоборот, когда разностное напряжение отрицательно, выходное напряжение компаратора соответствует логическому нулю.

Графическая зависимость выходного напряжения от разности входных сигналов и условное графическое обозначение компаратора приведены на рис.14.1 . Помимо основных сигнальных входов и выходов, компараторы напряжения могут иметь служебные входы различного назначения: балансировки, стробирования, согласования уровней и др. Наличие балансировочного входа позволяет осуществлять балансировку выхода при помощи внешнего подстроечного резистора и дает возможность скорректировать напряжение смещения нулевого уровня, возникающее во входном дифференциальном каскаде. С помощью балансировки можно также установить предпочтительное начальное состояние выхода.

Рис.13.10. Универсальный фильтр второго порядка

 

 

Рис.14.1. Передаточная характеристика (а) и условное графическое обозначение стробируемого компаратора напряжения (б)

 

 

Входы стробирования предназначены для фиксации момента времени, когда производится сравнение входных сигналов и выдача результата сравнения на выход. Результаты сравнения могут появляться на выходе компаратора только во время строба (компаратор со стробом без памяти) или могут фиксироваться в элементах памяти компаратора до прихода очередного импульса строба (компаратор с памятью). Кроме этого, стробирование может выполняться по уровню импульса или по его фронту. Для указания стробирования по фронту на входе стробирования изображают направление перепада от низкого уровня к высокому (рис.14.2, а) или, наоборот, от высокого к низкому (рис.14.2, б).

Рис.14.2. Условное обозначение входа стробирования по переднему (а) и заднему (б) фронту импульса

 

Поскольку импульс строба приходит одновременно с изменяющимся входным сигналом, то минимальная длительность строба (или его фронта) должна быть такой, чтобы входной сигнал успел пройти входной каскад компаратора, прежде чем сработает ячейка памяти. Это время называет обычно временем разрешения выборки. Применение стробирования повышает помехозащищенность компараторов, так как помеха может изменить состояние выхода только на малое время разрешения выборки.

Компараторы напряжения условно делятся на две группы в соответствии с временными диаграммами (рис. 14.3): с характеристикой без гистерезиса и с гистерезисом.

К компараторам второй группы предъявляется ряд дополнительных требований, определяемых их функциональным назначением. Основными из них являются, минимальная ширина петли гистерезиса передаточной характеристики, наличие которой приводит к неоднозначности срабатывания компаратора, и более высокие требования к точности и стабильности уровней срабатывания.

 

 

Рис.14.3. Временные диаграммы работы компаратора без гистерезиса (б) и с гистерезисом (в)

 

Автомобильный компаратор напряжения

Корзина пуста

 

Назначение и принцип действия

 

Автомобильный компаратор напряжения (MVC) служит для управления включением дополнительных нагрузок в бортовой сети автомобиля при достижении порогового напряжения (например, подключение дополнительного аккумулятора аудио/видео комплекса).

 

В состав MVC входит 2 компаратора: «быстрого» реагирования (время реакции составляет около 0,2 секунды) и «медленного» реагирования (время реакции - 1,5 минуты).

 

При достижении порогового значения напряжения включения на выходе «быстрого» реагирования (выход 1) низкий уровень появится через 0,2-0,3 секунды, и одновременно загорится красный LED-индикатор. На выходе «медленного» реагирования (выход 2) низкий уровень появится через 80-100 секунд, и включится зеленый LED-индикатор.

 

При уменьшении напряжения до напряжения выключения компаратора (на 0,4 V меньше напряжения включения) выход 1 выключится через 0,2-0,3 секунды, а выход 2 – через 15 секунд.

Скачать инструкцию


Изменено: Вторник, 11 Май 2021 11:55

Наши бренды

Компаратор напряжения: характеристики и разновидности

Компаратор напряжения – это устройство, выполняющее сравнение имеющегося уровня напряжения с опорным сигналом. Ответом, как правило, становится двоичная величина – да либо нет, нуль или единица.

Благодарности

Без братьев Кузнецовых не представилось бы читателям столь замечательного обзора. Нельзя оставить без внимания труд научного коллектива Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского, его участников, меж которыми:

  • Сдобняков В.В.
  • Карзанов В.В.
  • Шабанов В.Н.
  • Рецензенты: Дорохин М.В. И Здоровейщев А.В.

Общая информация

Компаратор сравнивает два напряжения, откуда происходит название. При необходимости формируется либо условный сигнал в виде двоичного кода, либо знак разницы выдаётся иным способом:

  1. Крутой перепад напряжения (фронт или спад).
  2. Импульс с заданными характеристиками.
  3. Сменой полярности выходного напряжения.
  4. Двоичным кодом в системе логики данного набора микросхем.

Компаратор территориально входит в аналого-цифровой преобразователь, способен применяться и отдельно. От элемента напрямую зависит точность, как и от разрядности. К характеристикам компаратора относят:

  • Чувствительность.
  • Быстродействие.
  • Стоимость.
  • Долговечность.
  • Стабильность.
  • Нагрузочная способность.
  • Входное сопротивление и пр.

Большинство компараторов реализуется на базе операционных усилителей, данные в справочниках приводятся совместные. Это достигается за счёт введения обратной связи, что придумано в 30-е годы XX века.

Характеристики компараторов

Под чувствительностью компаратора понимается минимальное напряжение, годное к восприятию. Дифференциальные пары транзисторов, применяемые в операционных усилителях, повышают температурную стабильность, потому служат для создания компараторов. Параметр тесно связан с разрешающей способностью или точностью. Чувствительность сильно зависит от схемного решения, это очевидный факт.

Помимо температурной стабильности и архитектуры на параметр влияют помехоустойчивость и надёжность. На практике оптимальной считают чувствительность, равную половине разряда аналого-цифрового преобразователя. Это значит, что из-за компаратора не снижается точность замера. На современном этапе развития технологии это порой сильно отличающиеся значения.

Быстродействие цифровой технике велико, но учитывая факт, что преобразователю нужно успеть сделать выборку, тактовая частота процессора должна быть в сотни, если не тысячи раз выше, нежели дискретность отсчётов. И главным ограничивающим фактором становятся скоростные характеристики компаратора. На его втором входе в момент измерения опорное напряжение постепенно растёт до достижения совпадения. И вырабатывается цифровой код результата.

Частота дискретизации определяется скоростными качествами исследуемого процесса. Если это звуковой диапазон, значения начинаются от 45 кГц и способны составлять вчетверо больше для студийной записи. На каждом интервале времени компаратор должен успеть сравнить напряжение, минимальная частота процессора для получения точности в 0,5% лежит уже в области 10 МГц. На практике наблюдаются намного большие величины, но помните, главная шина материнской платы становится самым быстродействующим участком системного блока (персонального компьютера).

Быстродействие компаратора выражается временем между соседними измерениями. Оно складывается из интервала повышения сравниваемого напряжения до нужного уровня и скорости работы электронных компонентов. К последним цифрам относят период от принятия решения компаратором на выдачу сигнального импульса до его реального появления на выводах. Вторым параметром считают крутизну фронта импульса, поскольку логика микросхем настроена на пороги срабатывания. Важным считается время восстановления, за которое компаратор возвращается в первоначальное состояние.

Указанные параметры в сумме определяют тактовую частоту самого компаратора. Под нагрузочной способностью понимается способность выдать сигнал, достаточно мощный для срабатывания зависимых схем. Различают так называемую перегрузочную способность, показывающую, как велика иногда разница в напряжении на соседних отсчётах. Для сокращения интервалов измерения, начиная со второго, компаратор может вести два параллельных процесса измерения:

  1. Увеличение напряжения в сравнении с предыдущим отсчётом.
  2. Уменьшение напряжения в сравнении с предыдущим отсчётом.

Так удастся быстрее найти результат, не перебирая весь диапазон с начала. Хотя потребуется целых два параллельно включённых компаратора. Но экономия времени стоит указанной борьбы. На успех подобного мероприятия напрямую влияет перегрузочная способность.

Входное сопротивление образует с источником сигнала резистивный делитель, и чем оно меньше, тем выше точность, большая часть напряжения падает именно здесь. С повышением параметра снижается и потребляемый ток. У большинства компараторов входное сопротивление подстраивается под конкретно взятые нужды, для отдельных схем.

Разновидности компараторов

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

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

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

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

Пороговый компаратор

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

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

Гистерезисный компаратор

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

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

 

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

 

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

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

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

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

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

Самый простой компаратор

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

Деление по принципу действия

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

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

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

  1. Шумами.
  2. Температурным дрейфом и старением.

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.

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.

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. 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».
  • 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.

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. 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.

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.

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 32.768 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. Именно такие их качества используют создатели, разрабатывая самые разные электроприборы с операционным усилителем.

9.1.    Компараторы | Электротехника

Выходное напряжение усилителя ограничено величиной ±Uвых max. Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя (КU оу)велик, то значение выходного напряжения (Uвых = ±Uвых max) достигается при очень малых  входных  напряжениях:

Uвх= ±Uвых max / KU оу.

Поэтому можно считать.

То есть операционный усилитель является схемой сравнения входных сигналов – компаратором.

Компараторы представляют собой устройства, предназначенные для сравнения по уровню двух входных напряжений и скачкообразного изменения выходного напряжения в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого.

Компаратор должен иметь низкое напряжение сдвига, низкий дрейф напряжения сдвига, устойчиво работать без самовозбуждения и иметь низкое значение тока смещения. Один вход компаратора (рис. 9.1) соединен с источником опорного напряжения, а на другой подается входной сигнал. Когда Uвх подается на инвертирующий вход и Uоп > 0, выходное напряжение будет отрицательным при Uвх > Uоп, и положительным при Uвх < Uоп.

Когда входной сигнал в процессе изменения становится больше опорного, то выход компаратора немедленно изменяет свое состояние  (рис. 9.2).

Если, например,  изменение  выходного напряжения составляет 5 В, а  коэффициент усиления компаратора равен 100 000, то разность входного и опорного напряжений (Uвх – Uоп.), вызывающая изменение выходного напряжения, будет равна:  

 мВ,

то есть сравнение  двух уровней напряжения осуществляется с высокой точностью. Но эта схема обладает существенным недостатком: если входной сигнал изменяется медленно и его величина близка к Uоп, то шумы, содержащиеся в Uвх, могут вызвать ложные срабатывания (рис. 9.3).

Более устойчивым к действиям помех является компаратор, в котором ОУ охвачен положительной обратной связью (ПОС), осуществляемой по неинвертирующему входу с помощью резисторов и (рис. 9.3, а ). Такой компаратор обладает передаточной характеристикой с гистерезисом (рис. 9.3, б ). Схема известна под названием триггера Шмита или порогового устройства.

Переключение схемы (рис. 9.4) в состояние -Uвых.max происходит при достижении Uвх напряжения (порога) срабатывания (Uср), а возвращение в исходное состояние (Uвых = +Uвых.max) происходит при снижении Uвх до напряжения (порога) отпускания (-Uотп). Значения пороговых напряжений находят по схеме, положив U0 = 0:

;

.

Частным случаем схемы (см. рис. 9.4) при  = 0 является схема (рис. 9.5).  Ее пороговые напряжения и зона гистерезиса (рис. 9.6) составляют:

;       ;   .

Величина гистерезиса (зоны нечувствительности) определяется пороговыми  напряжениями. Выбирая необходимые значения пороговых напряжений  и , можно изменять «зону нечувствительности» компаратора в зависимости от уровня помех (рис. 9.6).

Компаратор с ПОС может использоваться в качестве формирователя прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы.

Компаратор напряжения на операционном усилителе. Инвертирующий компаратор напряжения, неинвертирующий компаратор операционных усилителей, практическая схема компаратора

Схема компаратора напряжения.

Компаратор напряжения - это схема, которая сравнивает два напряжения и переключает выход в высокое или низкое состояние в зависимости от того, какое напряжение выше. Здесь показан компаратор напряжения на базе операционного усилителя. На фиг.1 показан компаратор напряжения в инвертирующем режиме, а на фигуре показан компаратор напряжения в неинвертирующем режиме.

Компаратор напряжения

Неинвертирующий компаратор.

В неинвертирующем компараторе опорное напряжение подается на инвертирующий вход, а сравниваемое напряжение - на неинвертирующий вход. Когда сравниваемое напряжение (Vin) превышает опорное напряжение, выход операционного усилителя переключается на положительное насыщение (V +) и наоборот. На самом деле происходит следующее: разница между Vin и Vref (Vin - Vref) будет положительной и будет увеличиваться до бесконечности операционным усилителем.Поскольку резистор обратной связи Rf отсутствует, операционный усилитель находится в режиме разомкнутого контура, поэтому коэффициент усиления по напряжению (Av) будет близок к бесконечности. Таким образом, выходное напряжение достигает максимально возможного значения, т.е. V +. Вспомните уравнение Av = 1 + (Rf / R1). Когда Vin опускается ниже Vref, происходит обратное.

Инвертирующий компаратор.

В случае инвертирующего компаратора опорное напряжение подается на неинвертирующий вход, а сравниваемое напряжение подается на инвертирующий вход. Когда входное напряжение (Vin) превышает Vref, выход операционного усилителя переключается на отрицательное насыщение.Здесь разница между двумя напряжениями (Vin-Vref) инвертируется и усиливается до бесконечности операционным усилителем. Помните уравнение Av = -Rf / R1. Уравнение для усиления напряжения в режиме инвертирования: Av = -Rf / R1. Поскольку резистора обратной связи нет, коэффициент усиления будет близок к бесконечности, а выходное напряжение будет как можно более отрицательным, т. Е. V-.

Практическая схема компаратора напряжения.

Практический неинвертирующий компаратор на базе операционного усилителя uA741 показан ниже. Здесь опорное напряжение устанавливается с помощью цепи делителя напряжения, состоящей из R1 и R2.Уравнение Vref = (V + / (R1 + R2)) x R2. Подстановка значений, приведенных на принципиальной схеме, в это уравнение дает Vref = 6V. Когда Vin превышает 6 В, выход переключается на ~ + 12 В постоянного тока и наоборот. Схема питается от двойного источника питания +/- 12 В постоянного тока.

Компаратор напряжения с использованием 741

Несколько других схем, связанных с операционными усилителями, которые могут вас заинтересовать.

Интегратор, использующий операционный усилитель : для интегрирующей схемы выходной сигнал будет интегралом входного сигнала.Например, синусоидальная волна при интегрировании дает косинусоидальную волну, прямоугольная волна при интегрировании дает треугольную волну и т. Д.

Инвертирующий усилитель : В инвертирующем усилителе выходной сигнал будет инвертированной версией входного сигнала и усилен в определенном размере.

Инструментальный усилитель : это тип дифференциального усилителя с дополнительными буферными каскадами на входе. Это приводит к высокому входному сопротивлению и простому согласованию. Инструментальный усилитель имеет лучшую стабильность, высокий CMRR, низкое напряжение смещения и высокое усиление.

Цепи компаратора напряжения

by Lewis Loflin

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

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

Видео на YouTube: Введение в схемы компаратора

См. Мою страницу Просмотр схем оконного компаратора


Рис. 1 Внутренние соединения четверного компаратора 1/4
LM339.
Щелкните изображение, чтобы увеличить его.

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


Рис. 2 Компаратор
на базе LM741 использует биполярный источник питания - щелкните изображение для полного размера.

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

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


Рис. 3 Неинвертирующий компаратор.

Рис. 4 Инвертирующий компаратор.

Рис. 5 Функциональный эквивалент LM339.

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

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

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

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

Ток НЕ БУДЕТ течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе МИНУС ниже, чем напряжение на входе ПЛЮС.


Рис.6

Гистерезис

Гистерезис определяется как:

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

Рис. 7 Триггер Шмитта на основе компаратора.

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


Рис. 8

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

Без R1 Vref было бы 6 вольт.


Рис. 9

Когда компаратор включен, TP3 переключается на землю через внутренний транзистор с открытым коллектором, где резистор R1 47 кОм теперь включен параллельно с резистором R3 10 кОм, образуя общее сопротивление 8245 Ом.Это снижает Vref на TP1 до 5,36 вольт.

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


Рис. 9 Инвертирующий компаратор операционного усилителя LM358.
Щелкните изображение, чтобы увеличить его.


Рис. 10 Схема компаратора фотоэлемента включается в темноте.

СРАВНИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

: Наиболее непонятное и недостаточно используемое периферийное устройство в микроконтроллерах

Кейт Кертис , Microchip Technology Inc.

Компараторы напряжения

начали появляться в однокристальных микроконтроллерах (MCU) в конце 1990-х годов. В то время это изменение рассматривалось как простое снижение затрат. Компараторам требуется меньше кремния, но при этом микроконтроллер может сравнивать два аналоговых напряжения. Такой взгляд на компаратор напряжения с точки зрения «однобитового АЦП» сохранялся на протяжении большей части второй половины 1990-х и даже в первые годы 21-го века.

К счастью, когда 8-битные микроконтроллеры начали переходить в ряд приложений со смешанными сигналами, все больше разработчиков с аналоговым опытом начали работать с микроконтроллерами.В результате разработчики микроконтроллеров со смешанными сигналами нового поколения были знакомы с гибкостью и мощностью компараторов напряжения и начали использовать их возможности. Начали появляться приложения, в том числе преобразование сенсора в цифровое, логические вентили, усилители и преобразование мощности с использованием встроенных компараторов напряжения.

К сожалению, разработчики чисел еще не достигли критической массы, необходимой для эффективного «распространения информации» о компараторе напряжения, поэтому эта статья призвана открыть глаза разработчикам на множество приложений со смешанными сигналами, которые возможны с помощью скромного компаратора напряжения. .

Начнем с преобразования сенсора в цифровое. Большинство аналоговых датчиков вызывают изменение сопротивления, индуктивности или емкости, которое пропорционально измеряемому фактору окружающей среды. Термистор изменяет свое сопротивление пропорционально температуре, датчик влажности изменяет свою емкость, а некоторые датчики приближения даже изменяют свою индуктивность. Традиционный метод преобразования заключается в преобразовании сопротивления, емкости или индуктивности в напряжение с последующим преобразованием напряжения в цифровое значение с помощью АЦП.Однако что, если бы вы могли преобразовать выходной сигнал датчика непосредственно в цифровое значение?

Используя простой генератор релаксации, вы можете преобразовать сопротивление, емкость или индуктивность в переменную частоту, а затем измерить эту частоту с помощью периферийного таймера. На рисунке 1 показаны две простые схемы генератора. Помимо очевидных преимуществ простоты, обе схемы также относительно невосприимчивы к шуму из-за присущего им усреднения входящего сигнала. Их разрешение также определяется длительностью подсчета образца.

В обеих схемах резисторы R1, R2 и R3 обеспечивают гистерезис, сдвигая уровень срабатывания компаратора вверх и вниз в зависимости от состояния выхода компаратора. R4 и L1 в левой цепи задают частоту срабатывания, как и R4 и C1 в правой цепи. Заменяя R4, C1 или L1 резистивным, емкостным или индуктивным датчиком, мы создаем генератор переменной частоты, в котором частота определяется значением датчика. Затем частота преобразуется в цифровое значение с помощью Timer0 и Timer1.Timer1 считает частоту колебаний, а Timer0 устанавливает период выборки. Когда Timer0 пролистывается, Timer1 останавливается, а результат преобразования извлекается из Timer1.

Комбинация нескольких внешних компонентов, некоторого программного обеспечения и пары внутренних таймеров обеспечивает метод измерения сопротивления, индуктивности или емкости с использованием компаратора.

Кроме того, большинство новых микроконтроллеров со встроенными компараторами также включают аналоговый мультиплексор 2: 1 или 4: 1 на инвертирующем входе.Это позволяет мультиплексировать преобразователь между четырьмя датчиками, просто добавляя резистор (R4) для каждого из датчиков и направляя соединение датчик / резистор к различным входам мультиплексора.

Создание логических вентилей - это просто сочетание диодной логики с несколькими резисторами для создания необходимых логических функций. Рисунок 2 показывает приложение, которое реализует функции И и ИЛИ, а также немного более сложную функцию XOR.

Схема слева на рисунке 2 используется как для функций И, так и для ИЛИ.Чтобы создать логический элемент И, выберите значения для R3 и R4, которые устанавливают инвертирующий вход выше VDD / 2. Чтобы создать логический элемент ИЛИ, выберите значения, которые устанавливают инвертирующий вход немного ниже VDD / 2. (R1 и R2 должны быть равны по значению.) В конфигурации AND оба A и B должны быть на высоком уровне, чтобы неинвертирующий вход поднимался выше точки VDD / 2, что приводит к переходу на высокий уровень на выходе. В конфигурации «ИЛИ» либо A, либо B должны иметь высокий уровень, чтобы подтянуть неинвертирующий вход к VDD / 2, который подтянет выходной сигнал к высокому уровню. Чтобы сделать И-НЕ или ИЛИ-ИЛИ, просто поменяйте местами инвертирующий и неинвертирующий входы.

Схема справа на рисунке 2 используется для схемы XOR. Если A или B низкий, то инвертирующий вход ограничивается до 0,7 В, а другой высокий вход генерирует высокий выход. Если оба A и B имеют высокий уровень, то вход на неинвертирующем входе удерживается немного ниже VDD, в то время как инвертирующий вход подтягивается к VDD, что приводит к низкому выходу. Обратите внимание, что для любой из логических схем выбранные значения резистора должны быть достаточно большими, чтобы поддерживать все токи в диапазоне от 1 до 10 мА, чтобы выходной привод в компараторе мог легко управлять логикой.

Теперь давайте посмотрим, как можно использовать компаратор в качестве низкочастотного операционного усилителя. Любой цифровой сигнал с переменной скважностью можно преобразовать в напряжение постоянного тока путем простой фильтрации цепочки импульсов через достаточно низкочастотный фильтр нижних частот. Чтобы сделать операционный усилитель из компаратора, мы будем использовать ту же способность фильтра к усреднению для генерации как обратной связи, так и выходного напряжения. На рисунке 3 показана схема получившегося операционного усилителя.

В неинвертирующей схеме R1 и R2 фиксируют усиление, как и в обычной схеме операционного усилителя.C1 и R3 / C2 действуют как фильтрующие компоненты для усреднения цифрового сигнала ШИМ на выходе компаратора и используют его в качестве уровня постоянного тока для обратной связи и линейного выхода схемы. В инвертирующей схеме R4 и R5 фиксируют усиление, а C3 и R6 / C4 действуют как фильтры усреднения для преобразования цифрового ШИМ в линейные напряжения. Обратите внимание, что в инвертирующей топологии R7 и R8 необходимы для создания виртуальной земли для схемы.

Наконец, как насчет импульсной схемы питания? Один из методов генерации переменного напряжения питания заключается в генерации сигнала переключения ШИМ, который стробируется обратной связью по напряжению с выхода.В этой схеме один компаратор генерирует пилообразную форму волны, а второй обеспечивает обратную связь по выходному напряжению. Схема на Рис. 4 показывает, как это реализовано с двумя компараторами.

В этой схеме компаратор U1A представляет собой генератор импульсов, аналогичный показанным выше генераторам преобразования датчика в цифровые, работающий на частоте, определяемой R4, R5 и C1. Резистор R5 включен в цепь, поэтому напряжение заряда на C1 никогда не опускается ниже 1,5 В. Это важно, потому что U1B управляет работой генератора, подтягивая неинвертирующий вход U1A примерно к 0.7V, который отключает колебания. Обратите внимание, что генератор предназначен для понижения своего выходного сигнала при выключении, поэтому Q1 также будет отключен.

Когда генератор работает, Q1 регулярно включается, создавая ток в L1. Когда Q1 выключен, ток в L1 смещает D3 в прямом направлении и заряжает C2, повышая выходное напряжение. Затем образец выходного напряжения на C2 масштабируется и сравнивается с прямым напряжением D2. Если выходное напряжение слишком высокое, U1B отключает генератор, а C2 разряжается в нагрузку, снижая выходное напряжение.Когда выходное напряжение падает ниже желаемого напряжения, выход U1B становится высоким, и генератор перезапускается, перекачивая ток обратно в C2.

Вот и все. Цепи для преобразования выходов датчиков R / C / L в цифровые значения, логические вентили, усилители и даже импульсные источники питания, все построено из дискретных компонентов и компараторов.

В следующий раз, когда вы будете искать MCU и найдете его с компараторами, уделите минуту и ​​подумайте о сложных функциях, которые вы могли бы создать.Компараторы могут сэкономить материальные затраты, и вы сможете произвести впечатление на своих коллег, когда покажете им, насколько мощным может быть простой компаратор напряжения.

Кейт Кертис (Keith Curtis) - главный инженер по приложениям, отдел безопасности в отделе разработки микроконтроллеров и технологий компании Microchip Technology. С ним можно связаться по адресу [email protected]

.

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. 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.Две другие особенности типичного операционного усилителя: (а) входное сопротивление чрезвычайно велико и (б) выходное сопротивление чрезвычайно низкое.

Поскольку коэффициент усиления операционного усилителя очень высок, 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, представленная 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.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 мы имеем 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 рост напряжения на этом Терминал. 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.

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 усилителя двумя основными способами: (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 равно Vin = R 1 × I 1 . 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 на R 1 и R 2 , 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 встретить в приложениях, где важно учитывать фазу.

Также обратите внимание, что если R 1 удален 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.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 повысится 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 шумам. Например, схема, показанная на рис. 5, будет обеспечивать стабильную работу, даже когда сигнал Vin несколько зашумлен.

Рисунок 4: Схема компаратора

Рисунок 5: Схема компаратора с гистерезисом

Цепь генератора с положительной обратной связью

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 схема 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.Давайте посмотрим, как работает эта схема. Во-первых, обратите внимание, что выходной сигнал Vout проходит через резистор 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 его 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 (-).И снова, по прошествии определенного времени, 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 мы 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

Словарь электронных и технических терминов. Схема компаратора напряжения операционного усилителя

Общие технические условия
"A" "B" "C", "D", "E", "F", "ГРАММ", "ЧАС", "Я", "J", "К", "L", «М»,
«Н», "О", "П" "Q", "Р", "S", "Т", "U", "V", "W", "ИКС", "Y", "Z"

Компаратор напряжения

Компаратор напряжения - это устройство, которое сравнивает напряжение на двух входах и вырабатывает выходной сигнал на основе входов.Высокий выход, когда положительный вход больше отрицательного входа, или низкий выход, когда положительный вход меньше отрицательного входа.


Компаратор

Компаратор - это компонент, который сравнивает два аналоговых входа и выдает цифровой сигнал, который представляет, какой входной сигнал больше, чем другой. Допустимый аналоговый вход зависит от фактического используемого компаратора напряжения и напряжения, используемого для его питания. Цифровой выход может быть практически любым цифровым сигналом и опять же зависит от компаратора и напряжения, используемого для его питания.Тем не мение; Выходы могут включать в себя открытый сток, открытый коллектор, тотемный столб TTL, LVDS или Push-Pull, чтобы перечислить наиболее распространенные. Таким образом, даже несмотря на то, что вход аналоговый, выход может напрямую взаимодействовать со многими семействами логики TTL.

Хотя компаратор напряжения не является операционным усилителем, приложение все же может использовать термины инвертирующий и неинвертирующий. Инвертирующий компаратор напряжения будет подавать сигнал на отрицательный вход, в то время как положительный вывод фиксируется на опорном напряжении.Неинвертирующий компаратор напряжения будет подавать сигнал на положительный вход, в то время как отрицательный вывод фиксируется на опорном напряжении. Таким образом, эти термины применяются к входу, находящемуся выше опорного значения, а выходной переключатель имеет либо высокий [неинвертирующий], либо низкий [инвертирующий].

Общие приложения

Детектор пересечения нуля может быть получен путем подключения входа к плюсовой клемме и заземления минусовой клеммы. Выходной сигнал становится высоким, когда входной сигнал превышает опорный уровень земли.

Гистерезис может быть добавлен к компаратору напряжения путем применения обратной связи. Конфигурация начинает напоминать схему операционного усилителя, но схема по-прежнему является компаратором и никогда не будет работать как операционный усилитель. Входной резистор [Ri] и резистор обратной связи [Rf] определяют гистерезис напряжения [Vh]. Vh = Ri / (Rf + Ri)


Компаратор

Резистор 1 мегабайт между плюсовым входом и землей является просто компенсационным резистором, а не частью функции гистерезиса.Подтягивающий резистор 3 кОм между Vcc и выходом устанавливает уровень выходного напряжения. В качестве примера использован компаратор напряжения LM339, который использует выход с открытым коллектором, что означает, что выход должен быть повышен до некоторого уровня. Напряжение Vcc не обязательно должно совпадать с напряжением, используемым для питания устройства, и может быть изменено для соответствия различным выходным интерфейсам. Например, выход можно подтянуть к 5 В для взаимодействия с логикой TTL 5 В или 3,3 В для взаимодействия с этой серией частей [независимо от мощности, подаваемой на ИС].

Варианты комплектации компаратора напряжения
Компараторы

доступны в тех же вариантах комплектации, что и операционные усилители. Пакеты со сквозным отверстием могут быть либо пластиковым DIP-корпусом, либо керамическим DIP-корпусом [для военных и космических приложений], а версии для поверхностного монтажа будут в корпусе SOIC. Стандартный пакет содержит 14 контактов и четыре отдельных компаратора, поскольку LM339 определяет четырехконтактный корпус. Справа показан 14-контактный LM339 в пластиковом DIP-корпусе производства STMicroelectronics.Буква N после номера детали обозначает пластиковый DIP-пакет.

Неиспользуемые входы компаратора напряжения
Компараторы напряжения

также отличаются от операционных усилителей, когда речь идет о неиспользуемых устройствах внутри корпуса. Неиспользуемые входы компаратора напряжения необходимо подключить к источнику отрицательного напряжения; опять же, это отличается от операционного усилителя.

Компаратор двойного напряжения

LM393 - ProtoSupplies

Описание

Двойной компаратор напряжения LM393 содержит два независимых прецизионных компаратора напряжения, предназначенных для работы от одиночного или раздельного источника питания.

В ПАКЕТ:

  • Компаратор двойного напряжения LM393

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПАРАТОРА С ДВОЙНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ LM393:
  • Низкое входное напряжение смещения 5,0 мВ
  • Низкий рабочий ток 0,4 мА
  • Работает от одного положительного источника питания от 2 до 36 В
  • Может также работать от раздельного питания от ± 1,0 до ± 18 В

LM393 содержит два дифференциальных компаратора, которые полностью независимы, за исключением того, что они имеют общее подключение к источнику питания.Он может работать в широком диапазоне однополярного питания от 2 до 36 В или в диапазоне раздельного питания от +/- 1 до 18 В

Как следует из названия, компараторы напряжения используются для сравнения одного напряжения с другим и вывода логического ВЫСОКОГО или НИЗКОГО уровня в зависимости от результатов этого сравнения.

Чаще всего эти компоненты используются для контроля аналогового сигнала, чтобы увидеть, не выходит ли он за пределы порогового значения, требующего выполнения определенных действий.

Эти детали очень часто используются в модулях, которые предоставляют регулировочный потенциометр для установки, когда мы хотим, чтобы выход был ВЫСОКИМ или НИЗКИМ на основе достижения некоторого порога, обычно от аналогового датчика, такого как температура, свет или звук.В этом случае потенциометр устанавливает на компараторе опорное напряжение, которое сравнивается с выходным напряжением датчика.

При мониторинге аналогового датчика один из вариантов - подать сигнал этого аналогового датчика непосредственно в аналоговый порт на микроконтроллере и постоянно отслеживать его в программном обеспечении. С другой стороны, использование компаратора позволяет осуществлять этот мониторинг за пределами микроконтроллера, а цифровой выход компаратора может быть переведен на цифровой вывод, который можно контролировать более просто, аналогично тому, как переключатель будет контролироваться на предмет включения или ВЫКЛ.Выход также может быть подключен к выводу прерывания, поэтому мониторинг не требуется, и микроконтроллер выполняет действие только тогда, когда компаратор сообщает об этом. Во многих случаях использование компаратора может вообще избавить от необходимости иметь микроконтроллер, а выход может использоваться для непосредственного управления устройством, например реле, для выполнения какого-либо действия или светодиодом, указывающим, что какое-то условие было достигнуто.

Теория работы

Каждый из компараторов в LM393 имеет два входа, отмеченных «+» и «-». Устройство просто сравнивает разницу в напряжении между этими двумя входными контактами и соответствующим образом настраивает цифровой выход.

  • Если входное напряжение «+» выше, чем напряжение «-», выходное напряжение становится ВЫСОКИМ.
  • Если входное напряжение «-» выше, чем напряжение «+», выходное напряжение становится НИЗКИМ.

Если вы будете использовать устройство с микроконтроллером, вы должны отключить LM393 от того же напряжения, при котором работает микроконтроллер, чтобы выход был логически совместим с микроконтроллером.

Выход представляет собой открытый коллектор, что означает, что LM393 будет тянуть его к земле, когда он выдает логический НИЗКИЙ уровень, но когда выход становится ВЫСОКИМ, требуется внешний подтягивающий резистор, чтобы вывести его на ВЫСОКИЙ уровень.В большинстве случаев на выходе потребуется подтягивающий резистор. Большинство микроконтроллеров имеют возможность включать подтягивающие резисторы на своих цифровых входах, поэтому физический резистор обычно не требуется.

Пример схемы ночника

Схема, показанная здесь, реализует простой ночник с использованием одного из компараторов.

LDR (светозависимый резистор) изменяет сопротивление в зависимости от количества падающего на него света. По мере увеличения количества света сопротивление уменьшается.И наоборот, когда интенсивность света уменьшается, сопротивление увеличивается.

LDR включен последовательно с резистором 33 кОм, образующим делитель напряжения. Значение 33К не слишком критично. При сильном освещении низкое сопротивление LDR будет поддерживать низкое напряжение на выводе «-». По мере того, как свет уменьшается, а сопротивление увеличивается, напряжение начинает повышаться до 5 В, и как только оно превысит напряжение на контакте «+», выходной сигнал станет НИЗКИМ, таким образом включается светодиодный ночник.

Потенциометр можно использовать для регулировки напряжения на выводе «+» и, следовательно, для установки точки срабатывания при переключении компаратора.

Деталь поставляется в корпусе DIP-8 и совместима с макетной платой.

Примечания:

  1. Нет

Технические характеристики

Эксплуатационные рейтинги В + 2 - 36 В
В + / В- от ± 1,0 В до ± 18 В
Типичный ток потребления 16 мА
Упаковка ДИП-8
Тип корпуса Пластик, сквозное отверстие
Производитель Onsemi или TI
Лист данных LM393

Схемы компаратора

- обзор

Что такое операционный усилитель на самом деле?

Вы понимаете, как работает операционный усилитель? Вы поверите, 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 с высоким сопротивлением! 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 рисунке 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 входных данных 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 уровень усиления или даже выше 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. Для получения этой информации вам нужно будет свериться с таблицей данных производителя. 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 , а не в общем случае! 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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *