Компаратор из операционного усилителя. Особенности использования операционных усилителей в качестве компараторов: преимущества, недостатки и рекомендации — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как правильно применять операционные усилители в роли компараторов. Какие преимущества и недостатки у такого подхода. На что обратить внимание при проектировании схем с ОУ в режиме компаратора. Каковы альтернативные решения.

Содержание

Принцип работы компаратора на основе операционного усилителя

Компаратор — это устройство, которое сравнивает два входных напряжения и выдает на выходе высокий или низкий логический уровень в зависимости от результата сравнения. Операционный усилитель (ОУ) можно использовать в качестве простого компаратора, если отключить цепь отрицательной обратной связи.

В такой конфигурации ОУ работает следующим образом:

Если напряжение на неинвертирующем входе выше, чем на инвертирующем, выход ОУ переходит в состояние положительного насыщения (близкое к напряжению питания).
Если напряжение на инвертирующем входе выше, выход переходит в состояние отрицательного насыщения (близкое к нулю или отрицательному напряжению питания).
Переключение происходит при очень малой разнице входных напряжений из-за высокого коэффициента усиления ОУ без обратной связи.

Таким образом, ОУ без обратной связи превращается в компаратор с высокой чувствительностью к разнице входных напряжений.

Преимущества использования ОУ в качестве компаратора

Использование стандартных операционных усилителей вместо специализированных компараторов имеет ряд преимуществ:

Доступность и низкая стоимость — ОУ широко распространены и недороги.
Простота схемотехники — не требуется дополнительных компонентов.
Высокое входное сопротивление ОУ.
Возможность работы от однополярного питания для многих современных ОУ.
Наличие нескольких ОУ в одном корпусе микросхемы.
Возможность быстрого прототипирования на имеющейся элементной базе.

Эти факторы делают ОУ привлекательным выбором для реализации простых схем сравнения сигналов в маломощных устройствах.

Недостатки и ограничения ОУ в роли компаратора

Несмотря на простоту применения, использование операционных усилителей в качестве компараторов имеет ряд существенных недостатков:

Низкое быстродействие по сравнению со специализированными компараторами из-за ограниченной скорости нарастания выходного сигнала ОУ.
Большее время задержки срабатывания, особенно при выходе из состояния насыщения.
Возможность возникновения паразитных колебаний при работе ОУ в нелинейном режиме.
Отсутствие защиты входов от перенапряжения, характерной для компараторов.
Меньший допустимый диапазон входных напряжений по сравнению с компараторами.
Повышенное энергопотребление в режиме насыщения.
Отсутствие встроенного гистерезиса, необходимого для подавления шумов и дребезга.

Эти ограничения могут стать критичными в высокоскоростных или прецизионных схемах сравнения сигналов.

Схема простейшего компаратора на ОУ

Рассмотрим базовую схему компаратора на операционном усилителе:

На инвертирующий вход ОУ подается опорное напряжение Vref.
На неинвертирующий вход поступает входной сигнал Vin.
Выход ОУ подключен напрямую к нагрузке без цепи обратной связи.
Питание ОУ осуществляется двухполярным напряжением ±Vcc.

Работа схемы:

При Vin > Vref выход переходит в состояние +Vcc.
При Vin < Vref выход переходит в состояние -Vcc.
Переключение происходит при Vin ≈ Vref.

Такая схема обеспечивает высокую чувствительность, но подвержена влиянию шумов и может иметь проблемы с многократными переключениями при медленно меняющемся входном сигнале.

Улучшение характеристик компаратора на ОУ

Для улучшения работы простейшего компаратора на ОУ можно применить следующие схемотехнические решения:

Добавление гистерезиса

Гистерезис позволяет подавить ложные срабатывания от шумов и обеспечить четкое переключение. Для этого вводится положительная обратная связь через резистивный делитель:

Резистор R1 подключается между выходом ОУ и неинвертирующим входом.
Резистор R2 — между неинвертирующим входом и общим проводом.
Величина гистерезиса определяется соотношением R1 и R2.

Такая схема имеет два порога переключения — верхний и нижний, что устраняет дребезг при медленно меняющемся сигнале.

Ограничение входного дифференциального напряжения

Для защиты входов ОУ от перенапряжения можно использовать:

Встречно-параллельные диоды между входами ОУ.
Последовательные резисторы на входах для ограничения тока.
Стабилитроны для жесткой фиксации максимального напряжения.

Это позволит предотвратить повреждение ОУ при больших перепадах входного сигнала.

Улучшение быстродействия

Для увеличения скорости переключения компаратора на ОУ применяют:

Шунтирование входных резисторов небольшими конденсаторами.
Использование эмиттерных повторителей на выходе ОУ.
Подключение быстродействующих компараторов параллельно ОУ.

Эти меры позволяют уменьшить задержку срабатывания схемы.

Специализированные интегральные компараторы

Для ответственных применений рекомендуется использовать специализированные интегральные компараторы вместо ОУ. Они имеют ряд преимуществ:

Высокое быстродействие — время переключения единицы наносекунд.
Малое время задержки распространения сигнала.
Защита входов от перенапряжения.
Совместимость выходов с цифровыми логическими уровнями.
Наличие встроенного гистерезиса в некоторых моделях.
Возможность работы при большой разности входных напряжений.
Малое энергопотребление.

Популярные серии интегральных компараторов:

LM111/LM211/LM311 — классические универсальные компараторы.
LM193/LM293/LM393 — сдвоенные компараторы общего применения.
LM339 — счетверенный компаратор.
LM361 — высокоскоростной компаратор.
MAX941/MAX942 — быстродействующие компараторы с малым энергопотреблением.

Выбор конкретной модели зависит от требований к скорости, точности, энергопотреблению и другим параметрам схемы.

Применение компараторов в электронных устройствах

Компараторы, как на основе ОУ, так и специализированные, широко применяются в различных областях электроники:

Измерительная техника

Детекторы уровня сигнала
Формирователи импульсов по фронту аналогового сигнала
Схемы выборки-хранения
Преобразователи аналоговых сигналов в цифровые

Источники питания

Схемы защиты от перенапряжения и перегрузки

Стабилизаторы напряжения
ШИМ-контроллеры в импульсных преобразователях

Системы управления

Детекторы пересечения нуля
Формирователи управляющих импульсов
Пороговые устройства в системах автоматики

Цифровая техника

Преобразователи аналоговых сигналов в цифровые уровни
Регенераторы импульсных сигналов
Формирователи тактовых импульсов

Во всех этих применениях компараторы обеспечивают преобразование аналоговых сигналов в дискретные уровни для дальнейшей обработки.

Заключение

Использование операционных усилителей в качестве компараторов — распространенный подход при разработке простых электронных устройств. Он позволяет быстро реализовать функцию сравнения сигналов на доступной элементной базе. Однако при этом необходимо учитывать ограничения ОУ и применять дополнительные схемотехнические решения для улучшения характеристик.

Для ответственных применений, требующих высокого быстродействия, точности и надежности, рекомендуется использовать специализированные интегральные компараторы. Они обеспечивают лучшие параметры и имеют встроенные функции защиты и совместимости с цифровыми схемами.

При проектировании устройств с компараторами следует внимательно анализировать требования к скорости, точности, помехозащищенности и выбирать оптимальное решение — на основе ОУ или специализированных ИМС. Правильный выбор и грамотное схемотехническое решение позволят реализовать надежное устройство сравнения аналоговых сигналов.

Компаратор с гистерезисом – ElettroAmici

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

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

Работа операционного усилителя без обратной связи

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

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

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

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

Принцип работы компаратора

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

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

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

На рисунке изображен компаратор с инвертирующим выходным сигналом

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

Основные схемы компаратора

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

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

Приведённое напряжение UПРИВ можно вычислить по следующему выражению

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

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

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

Схема двухвходового компаратора.

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

Компараторы применяются в широком спектре схем:

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

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

Появление ложных импульсов на выходе компаратора.

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

Типы компараторов

Специалисты разделяют компараторы на такие типы:

аналоговые изделия;
компараторы на операционном усилителе.

Аналоговый компаратор

В данное время довольно часто применяется аналоговый компаратор, который оснащен специальным транзисторным входом. Входящий потенциал сигнала в устройстве имеет значение не меньше 0,4 вольта и никогда не увеличивается. Изделие часто делают очень быстрого реагирования, из-за чего входящий сигнал будет меньше указанного диапазона, например, 0,3 вольта. Зачастую подобный диапазон может ограничиваться лишь определенным входным напряжением на транзисторе.

Компаратор на операционном усилителе

Кроме простого устройства, еще изготавливают видеоспектральный компаратор на операционном усилителе. Такое изделие обладает довольно точной балансировкой разницы входного напряжения и большим сопротивлением сигнала на выходе. Из-за такого свойства, компаратор на операционном усилителе можно применять в низко проводимых электрических цепях с маленьким напряжением.

Другими словами, операционный усилитель частоты способен работать совместно с открытым контуром и используется как изделие небольшой производительности. В процессе работы, не инвертирующий вход имеет более высокое значение напряжения, нежели инвертирующий вход. Большое усиление сигнала, который выходит из усилителя, провоцирует выход маленького напряжения на входе устройства.

Если не инвертирующий вход спадает меньше инвертирующего, то сигнал на выходе способен насытиться при отрицательном уровне напряжения, но он будет проводить электрические импульсы. Значение напряжения на выходе операционного усилителя может ограничиваться лишь напряжением питающей сети. Вся электрическая цепь усилителя работает только в линейном режиме при отрицательном значении обратной связи. Этому способствует специальный хорошо сбалансированный источник питания. Практически вся аппаратура, которая работает вместе с компаратором, оборудована функцией фиксации полученной информации. Подобные электронные принципы не способны работать в схемах, в которых применяются плохо проводящие радиоэлементы и разомкнутые контуры.

Недостатки устройства на операционном усилителе

У компаратора с операционным усилителем есть такие недостатки:

Подобные усилители способны работать только в линейном режиме с отрицательным значением обратной связи. Однако операционные усилители довольно долго восстанавливаются.
Практически все усилители оборудованы специальным конденсатором для внутренней компенсации, который способен ограничить скорость увеличения напряжения на выходе для сигналов с большой частотой. Другими словами, подобная схема может задержать электрический импульс.
Устройство не обладает внутренним гистерезисом.

Обладая такими недостатками, компаратор для управления разными цепями применяется без операционного усилителя. Единственным исключением можно считать только генератор. Это устройство необходимо для различных процессов с ограничительным значением напряжения на выходе, которое способно осуществлять взаимодействие с цифровой логикой. Именно поэтому они применяются в разной термической аппаратуре. А также его используют, чтобы сравнивать электрические сигналы и сопротивления таких приборов, как стабилизатор или таймер.

Триггер Шмитта

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

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

. Данное различие иллюстрирует изображение ниже

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

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

Триггер Шмитта на операционном усилителе.

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

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

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

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

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

Компаратор с гистерезисом и без гистерезиса

Исходные данные для расчета представлены в таблицах 74 и 75.

Таблица 74. Исходные данные для расчета компаратора

Вход		Выход		Питание
ViMin	ViMax	VoMin	VoMax	Vcc	Vee	Vref
0 В	5 В	0 В	5 В	5 В	0 В	5 В

Таблица 75. Пороговые значения

Нижний порог переключения VL	Верхний порог переключения VH	VH – VL
2,3 В	2,7 В	0,4 В

Описание схемы

Компараторы используются, чтобы сравнить два входных сигнала и сформировать выходной сигнал в зависимости от того, какой из входных сигналов больше (рисунок 84). Шум или дребезг входных сигналов могут привести к множественным переключениям компаратора. Для борьбы с такими переключениями используется гистерезис, устанавливающий верхнюю и нижнюю границу переключения.

Рис. 84. Схемы компараторов с гистерезисом (слева) и без гистерезиса (справа)

Рекомендуем обратить внимание:

следует использовать компаратор с минимальным собственным током потребления;
точность задания пороговых значений гистерезиса определяется точностью номиналов резисторов;
задержка срабатывания определяется параметрами используемого компаратора.

Порядок расчета компаратора с гистерезисом

Выбираем значение резистора R1 = 100 кОм. Значения пороговых напряжений были определены в таблице исходных данных (таблица 74): VL = 2,3 В, VH = 2,7 В.
Рассчитаем R2 по формуле 1:

Рассчитаем R3 по формуле 2:

Проверяем полученное значение гистерезиса, согласно формуле 3:

Простейшие компараторы на операционных усилителях

Kомпараторы на операционных усилителях

В описанных выше схемах в зависимости от характера управляющего сигнала осуществлялась

коммутация входного сигнала или запоминание последнего. Еще одну разновидность аналоговых коммутаторов представляют компараторы. Они осуществляют переключение уровня выходного напряжения, когда непрерывно изменяющийся во времени входной сигнал становится выше или ниже определенного уровня.

Рис. 14.5. Простейшая схема компаратора

Если включить операционный усилитель без обратной связи, как показано на рис. 14.5, то он будет представлять собой компаратор. Его выходное напряжение составляет:

Передаточная характеристика такого компаратора изображена на рис. 14.6. Благодаря высокому коэффициенту усиления схема переключается при очень малой величине разности напряжений U₁ – U₂, поэтому она пригодна для сравнения двух напряжений с высокой точностью.

Рис. 14.6. Передаточная характеристика компаратора

При смене знака разности входных потенциалов выходное напряжение не может мгновенно перейти из одного уровня насыщения к другому, так как величина скорости нарастания операционного усилителя ограничена. Для стандартного частотно-скорректированного операционного усилителя она составляет около 1 В/мкс. Переход с уровня –12 В на уровень + 12В длится, таким образом, 24 мкс. Вследствие конечного времени восстановления операционного усилителя при его выходе из состояния насыщения задержка переключения компаратора еще увеличивается.

Так как в рассматриваемой схеме операционный усилитель не охвачен обратной связью и не нуждается в частотной коррекции, скорость нарастания увеличивается, и время восстановления уменьшается, по меньшей мере, в 20 раз.

Описанный компаратор имеет ограниченный диапазон входных напряжений. Если требуется сравнивать большие величины входных напряжений, можно воспользоваться схемой, приведенной на рис. 14.7.

Рис. 14.7. Суммирующий компаратор

Компаратор срабатывает при переходе величины U_Pчерез нуль. При этом U₁ / R₁ = –U₂ / R₂ .

Таким образом, сравниваемые напряжения должны иметь противоположные знаки. Эту схему можно функционально расширить, если к неинвертирующему входу компаратора подключить еще несколько резисторов. При этом компаратор будет срабатывать, когда приведенная к неинвертирующему входу алгебраическая сумма входных напряжений будет больше или меньше нуля. Благодаря включению диодов напряжение на неинвертирующем входе компаратора не может превысить ± 0,6 В.

Компаратор с прецизионным входным напряжением. Для многих случаев применения необходимы компараторы, выходное напряжение которых принимает два фиксированных с высокой точностью значения U_МИН и.U_МАКС Наиболее точный и простой способ выполнения этого условия состоит в применении аналогового коммутатора, управляемого входным напряжением обычного компаратора.

При низких частотах переключения эта задача может быть также решена соответствующим включением частотно-скорректированного операционного усилителя (рис. 14.8).

Рис. 14.8. ОУ в качестве компаратора с прецизионным выходным напряжением

Схема представляет собой разновидность компаратора, изображенного на рис. 14.5. Когда выходное напряжение достигает значения ±(U_Z + 0,6В), операционный усилитель оказывается охваченным отрицательной обратной связью через цепочку стабилитронов. При этом дальнейший рост выходного напряжения прекращается. Кроме того, так как операционный усилитель не насыщается, из общего времени задержки срабатывания исключается время восстановления усилителя.

Двухпороговый компаратор фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя заданными пороговыми напряжениями или вне этого диапазона. Для реализации такой функции выходные сигналы двух компараторов необходимо подвергнуть, как показано на рис. 14.9, операции логического умножения.

Для такой цели лучше всего подходит компаратор типа IС NE 521, так как эта ИС имеет в одном корпусе кроме двух идентичных компараторов с преобразователями уровня сигнала еще два логических элемента И-НЕ. Как показано на рис. 14.10, на выходе логического элемента единичный уровень сигнала будет иметь место тогда, когда выполняется условие: U₁<U_ВХ<U₂, так как в этом случае на выходах обоих компараторов будут единичные логические уровни.

Рис. 14.10. Двухпороговый компаратор

Рис. 14.10 — Временные диаграммы работы двухпорогового компаратора

Как работает компаратор операционных усилителей — Учебные пособия по электронике

Опубликовано 14 октября 2022 г.

Вы когда-нибудь задумывались, как работает схема компаратора операционных усилителей? Или как настроить схему компаратора ОУ? Операционные усилители можно использовать в качестве компараторов, если это необходимо, и их настройка проста, производительность не велика, но обычно приемлема, и обычно у людей валяются операционные усилители, но не компараторы.

Что такое компаратор и как его использовать?

Итак, что такое компаратор? Как следует из названия, это устройство или схема, которая сравнивает уровень напряжения двух входов, а затем, в зависимости от того, какой из них выше, выдает либо высокое, либо низкое напряжение. Несмотря на то, что он грубый, его можно считать очень простым аналого-цифровым преобразователем, который берет аналоговый вход и превращает его в цифровой выход. Его также можно считать очень простым средством принятия решений, не требующим абсолютно никакого кодирования. Например, если у вас есть датчик температуры с аналоговым выходом напряжения. При этом вы можете решить, что вы хотите, чтобы нагреватель включался ниже определенной температуры, и установить опорное напряжение компаратора в той точке, в которой вы хотите, чтобы он включался. В идеале вам нужен какой-то гистерезис в этой цепи, чтобы вы не включали и не выключали нагреватель быстро, но грубая концепция верна.

Без лишних слов давайте представим схему и базовую чувствительность схемы компаратора.

Концептуальный обзор работы компаратора операционных усилителей

Это все, что вам нужно, чтобы собрать схему и заставить ее работать так, как вы хотите. Однако, чтобы концептуально понять, что происходит, необходим краткий обзор базовой работы операционного усилителя.

В случае операционного усилителя выход усиливает разницу между двумя входами. Если напряжение на неинвертирующем входе выше, чем напряжение на инвертирующем входе, на выходе будет создаваться положительное напряжение, которое усиливает разницу входных напряжений. В идеале этот коэффициент усиления бесконечен, хотя реальные операционные усилители, очевидно, не бесконечны, коэффициент усиления все еще очень велик. Обычно этот выход подключается к одному из входов и уравновешивает два входных напряжения. Однако, поскольку выход не подключен к входу в качестве обратной связи, выход насыщается до такого высокого напряжения, какое способен генерировать операционный усилитель. И, конечно же, верно обратное. Если инвертирующий вход является более высоким входом, чем неинвертирующий вход, выход будет насыщаться до такого низкого напряжения, которое может генерировать операционный усилитель.

В этот момент может быть полезно заметить, что вам может не понадобиться отрицательное напряжение для питания рабочего операционного усилителя, что обычно упрощает требования к питанию. Однако ваша ситуация может отличаться как от вашей схемы, так и от того, работает ли ваш операционный усилитель от шины к шине. Как всегда, продумывайте свои собственные проекты и требования!

Практические рекомендации по использованию операционного усилителя в качестве компаратора:

Когда мы познакомились с компаратором операционного усилителя, я упомянул, что его характеристики обычно приемлемы, но не очень хороши. В основном это связано с тем, что операционные усилители не были предназначены в первую очередь для использования в качестве компараторов, работающих в области насыщения. Они предназначены для получения чистого линейного выходного сигнала, в отличие от специальных компараторов, которые предназначены для максимально быстрого переключения с одной направляющей на другую. Это изменение фокуса дизайна приводит к следующим проблемам с производительностью:

Компараторы на операционных усилителях не так чувствительны, как специализированные компараторы.
Компараторы на операционных усилителях, как правило, имеют более узкую полосу пропускания, чем компараторы.
Компараторы операционных усилителей рассеивают большую мощность в своей рабочей области насыщения.
Операционные усилители обычно дороже компараторов.
Операционные усилители могут быть не в состоянии справиться с большим расхождением напряжения между входами, обычно они имеют очень небольшую разницу между входными напряжениями.

Но это еще не все плохие новости для операционных усилителей — компараторы обычно имеют более высокое напряжение смещения и вход смещения, чем операционные усилители. Если вы подумаете об этом, вы, вероятно, сможете самостоятельно придумать несколько веских причин, почему разработчик компаратора не уделяет особого внимания этим параметрам, как это сделал бы разработчик операционного усилителя. И если вход компаратора имеет слишком низкий импеданс, вы всегда можете использовать повторитель напряжения на операционном усилителе, чтобы устранить эту проблему.

Резюме

Использование операционного усилителя в качестве компаратора является простой и общепринятой практикой. Хотя их производительность, как правило, не так хороша, как у специализированного компаратора, для большинства приложений, которые не требуют экстремального времени отклика или ограничены в своих требованиях к питанию, они работают достаточно хорошо. Если вам нужно улучшение в этих областях, вам подойдет специальный компаратор, который, с точки зрения конфигурации, достаточно похож, чтобы эти концепции все еще применялись.

Операционный усилитель (11)
Компаратор (6)

Автор:

Джош Бишоп

Интересуясь встраиваемыми системами, туризмом, кулинарией и чтением, Джош получил степень бакалавра электротехники в Университете штата Бойсе. Проработав несколько лет офицером CEC (Seabee) в ВМС США, Джош уволился и в конце концов начал работать над CircuitBread с кучей замечательных людей. В настоящее время Джош живет на юге Айдахо с женой и четырьмя детьми.

Часто задаваемые вопросы по EE

Получите новейшие инструменты и учебные пособия, только что из тостера.

Будьте осторожны при использовании операционных усилителей в качестве компаратора

Автор статьи: Bob Witte

В предыдущих статьях — «Общие схемы операционных усилителей», «Операционные усилители выполняют интеграцию» и «Практическое отличие операционных усилителей достаточно универсально» — мы рассмотрели некоторые классические схемы операционных усилителей. В этих схемах использовалась отрицательная обратная связь, которая обычно поддерживает работу операционного усилителя в линейной области.
Однако операционные усилители также можно использовать в качестве компараторов, что приводит к их нелинейной работе. Входы работают жестко, а выходное напряжение бьется о шину питания. Как мы увидим, это не всегда может быть хорошим подходом к проектированию.
В линейном приложении применяются идеальные допущения для операционных усилителей: бесконечный коэффициент усиления и полоса пропускания, нулевое выходное сопротивление, бесконечное входное сопротивление и ноль вольт между входами. Операционные усилители также можно использовать нелинейно, но с определенной осторожностью и обращением.
Обычная конфигурация просто использует разомкнутый контур операционного усилителя — без обратной связи — и позволяет его высокому коэффициенту обеспечивать работу компаратора. Без отрицательной обратной связи на двух входах не обязательно останется одинаковое напряжение, поэтому предположение о четвертом идеальном операционном усилителе неверно.
На рис. 1 показан операционный усилитель, настроенный на разомкнутый контур. Когда V _IN больше нуля, выходное напряжение становится высоким и ограничивается где-то около положительного напряжения питания. Когда входное напряжение становится отрицательным, выходное напряжение операционного усилителя становится отрицательным, снова ограничиваясь отрицательным напряжением питания. Здесь мы предполагаем, что операционные усилители питаются от обычных положительных и отрицательных напряжений питания.
Приведенная выше схема компаратора работает при нулевом напряжении. Рис. 2 добавляет в схему резистивный делитель для установки напряжения на инвертирующем входе, обеспечивая средство управления опорным напряжением для компаратора, V _REF .
На рис. 3 показан еще один распространенный метод проектирования, который добавляет гистерезис к компаратору. В этом случае входное напряжение управляет инвертирующим входом операционного усилителя и V _REF подключается к неинвертирующему входу. Резистивный делитель R ₁ R ₂ производит V _REF с выхода, V _OUT . Когда V _IN падает ниже V _REF, выходное напряжение становится высоким, вызывая переход V _REF к более высокому напряжению.
Аналогично, когда V _IN становится выше, чем V _REF , V _OUT изменяется на максимальное отрицательное выходное напряжение, опуская V _REF. Этот эффект гистерезиса не позволяет любому шуму, присутствующему во входном сигнале, изменить работу компаратора при переходе через V _REF.
Схема мультивибратора в Рис. 4. использует гистерезисную схему R1 R2 с Рис. 3, а также синхронизирующую RC-цепь для получения выходного сигнала прямоугольной формы. На самом деле это не схема компаратора; вместо этого он использует операционный усилитель как компаратор для создания желаемой формы выходного сигнала. Предположим, что V _OUT начинается с высокого напряжения, так что он заряжает C через R3. Напряжение конденсатора увеличится, но будет соответствовать постоянной времени R3 C.
Когда напряжение конденсатора становится больше, чем V _REF , выходное напряжение будет колебаться до отрицательного напряжения питания. Это приводит к тому, что напряжение на конденсаторе становится отрицательным, что опять-таки соответствует постоянной времени R3 C. Делитель R1 R2 обеспечивает некоторый гистерезис на неинвертирующем входе, так что переходы операционного усилителя четкие. См. ссылку 4 для получения подробной информации о том, как значения компонентов определяют частоту мультивибратора.
В Интернете есть много статей о подобных схемах нелинейных операционных усилителей. Однако, когда я проверил веб-сайты поставщиков микросхем, я заметил, что они настоятельно предостерегают от использования операционных усилителей в качестве компараторов [Ссылка 1 и Ссылка 2]. Основные упомянутые проблемы:
Некоторые операционные усилители имеют ограничивающие диоды на входах, которые ограничивают максимальное напряжение между двумя входами. Это, вероятно, можно решить с помощью тщательного проектирования или выбора другого операционного усилителя.
Основной аргумент в пользу использования операционного усилителя в качестве компаратора возникает, когда в устройстве с несколькими операционными усилителями имеется остаточный усилитель. В конце концов, он просто лежит там бесплатно, ожидая, когда его начнут использовать. Если вы решите пойти по этому пути, то внимательно изучите техническое описание и оцените фактические характеристики схемы. Убедитесь, что схема операционного усилителя имеет достаточно встроенный запас.
Эти соображения о нелинейной работе операционных усилителей могут также помочь нам понять некоторые проблемы, которые могут возникнуть в линейных приложениях. Бывают ли ситуации, когда выход операционного усилителя выходит из строя? Если да, то сколько времени потребуется на восстановление? И имеет ли это значение для производительности схемы?
Вот почему производители интегральных схем рекомендуют использовать настоящий компаратор вместо операционного усилителя. В конце концов, компаратор предназначен быть компаратором. Он имеет заданные характеристики переключения и выходной привод, обычно настроенный для управления логическими устройствами. Есть много экономичных устройств на выбор.