Как работает компаратор на операционном усилителе

24

Компаратор на основе операционного усилителя. Плюсы и минусы

Вообще говоря, сделать из операционного усилителя хороший компаратор невозможно. Чтобы получить оптимальные характеристики и не тратить дополнительное время на отладку, лучше всего использовать специализированную микросхему компаратора.

Компаратор – отличная схема, поскольку обеспечивает почти идеальный переход от аналогового сигнала к цифровому. Компаратор выглядит как устройство с двумя линейными входными сигналами, уровень цифрового выхода которого может быть либо высоким, либо низким, в зависимости от соотношения входных сигналов. Просто, но очень полезно.

Если в вашем устройстве должна быть подобная схема, лучше всего использовать микросхему компаратора, предназначенную именно для таких приложений. Однако многим разработчикам известно, что стандартный операционный усилитель (ОУ) также можно использовать в качестве компаратора. Это особенно привлекательно в тех случаях, когда в устройстве остается незадействованный ОУ, и его использование не потребует ни дополнительных затрат, ни места на печатной плате.

Однако, весьма вероятно, что получившийся из ОУ компаратор не оправдает ваших ожиданий, и его характеристики, возможно, будут далеки от оптимальных. Ошибки, обусловленные непрофессиональным подходом, могут привести к тому, что время разработки и отладки намного превысит планируемое. Лучше всего, если вам нужен компаратор, и вы хотите избежать проблем и получить наилучший возможный результат, использовать микросхему компаратора.

В чем реальные различия между операционным усилителем и компаратором?

Основные различия между ними следующие:

• Встроенные цепи фазовой коррекции, необходимые для обеспечения устойчивости ОУ, делают устройство слишком медленным для операций переключения.
• Входные каскады ОУ обычно защищены диодами или дополнительными транзисторами, которые нередко препятствуют использованию ОУ в схеме компаратора.
• Выходной каскад ОУ рассчитан на использование в линейном режиме. При двуполярном питании его выходное напряжение изменяется от одной шины питания до другой, и для использования в цифровых схемах требует смещения уровней.
• Выходной каскад истинного компаратора сконструирован для работы в режиме насыщения со стандартными логическими уровнями сигналов. Часто его выход делается по схеме с отрытым коллектором (стоком).
• Для установки коэффициента усиления и других характеристик схемы ОУ обычно включается с резисторами обратной связи. Компаратор, как правило, работает с разомкнутой петлей, то есть, без обратной связи.
• По сравнению с ОУ компараторы имеют меньшие времена задержки и очень высокую скорость нарастания выходного напряжения.

Несмотря на внешнее сходство, две схемы различны и предназначены для разных приложений.

Так можно ли использовать ОУ в качестве компаратора? [1] Возможно. Многие инженеры используют. Нередко так делают, когда требуется лишь один компаратор, а в корпусе счетверенного ОУ остался «свободный» усилитель. Необходимая для устойчивой работы ОУ фазовая коррекция означает, что такой компаратор будет очень медленным, но если особых требований к быстродействию не предъявляется, может быть достаточно и операционного усилителя. Иногда такой подход вполне приемлем, но в некоторых случаях он непригоден.

Работа компаратора

Один из способов разобраться с работой компаратора – изучить базовую конфигурацию ОУ, показанную на Рисунке 1а. Усилитель имеет очень большой коэффициент усиления без обратной связи (A_OL >> 1000). То, что он усиливает, – это разность между двумя входами V₁ и V₂. Выходное напряжение равно

Из-за высокого коэффициента усиления для положительного или отрицательного насыщения выхода большого входного дифференциального сигнала (V₂ – V₁) не требуется. Например, при напряжении источника питания ±5 В и коэффициенте усиления без обратной связи, равном 100,000, выходное напряжение достигнет шины питания при дифференциальном входном сигнале с уровнем 5/100,000 = 50 мкВ или выше. Передаточная характеристика вход-выход изображена на Рисунке 1б.

Истинный компаратор работает от одного источника питания, как правило, того же, который используется для цифровой логики. Выход через подтягивающий резистор подключен к шине питания (Рисунок 2а). На входы компаратора поданы опорное напряжение V_REF и сигнал V_IN, уровень которого сравнивается с опорным уровнем. В качестве опорного и сигнального может использоваться любой из двух выходов компаратора. Обычно опорное напряжение постоянно, а входной сигнал изменяется. Компаратор может включаться в двух основных конфигурациях:

• Инвертирующая:
  V_IN подключается к инвертирующему входу усилителя (–), а V_REF – к неинвертирующему (+) входу (Рисунок 2). Если V_IN > V_REF, уровень выходного напряжения низкий. Если V_IN < V_REF, уровень выходного напряжения высокий.
• Неинвертирующая:
  (Подключение входов противоположное изображенному на Рисунке 2). V_IN подключается к неинвертирующему входу усилителя (+), а V_REF – к инвертирующему (–). Если V_IN > V_REF, уровень выходного напряжения высокий. Если V_IN < V_REF, уровень выходного напряжения низкий.

На Рисунке 2 показана инвертирующая схема с фиксированным постоянным опорным напряжением и сигналом треугольной формы (Рисунок 2в). Пока входное напряжение ниже порога, уровень выхода остается высоким (см. передаточную характеристику на Рисунке 2б). Когда входной сигнал превысит порог, выход переключится в низкое состояние. Затем во время спада входного сигнала уровень выхода вновь станет высоким.

Одной из часто возникающих проблем является шум или многократные кратковременные переключения выхода вблизи пороговых уровней компаратора. Этот так называемый «дребезг» возникает при медленном изменении входного сигнала и может стать причиной неправильной работы приложения. Это будет происходить даже при очень чистых входных сигналах, поскольку компараторы, как и ОУ, имеют собственные шумы. К такому же эффекту иногда приводят помехи, возникающие при больших скачках выходного напряжения, которые могут проникать обратно на вход через шины питания или другие цепи.

Единственным способом решения этой проблемы может быть использование гистерезиса [2] (Рисунок 3). Опорное напряжение подается через два резистора, обеспечивающих регенеративную, или положительную обратную связь, которая увеличивает скорость переключения и практически полностью исключает дребезг.

Гистерезис устанавливает напряжения верхнего (V_U) и нижнего (V_L) порогов переключения вокруг опорного уровня. Небольшое окно, или мертвая зона, обеспечивает свободное от дребезга чистое переключение выхода. Резисторы R₁ и R₂ задают пороговые напряжения, уровни которых могут быть рассчитаны с помощью следующих выражений:

Узнайте больше

Если вы хотите больше узнать о специфике использования операционных усилителей в качестве компараторов, обратите внимание на учебные курсы Texas Instruments. Урок 14 [3] посвящен принципам работы компаратора и описанию его ключевых характеристик по постоянному и переменному току. Рассказано, как добавить гистерезис для защиты компаратора от входных шумов, а также приведены аргументы «за» и «против» использования ОУ в качестве компараторов.

5.Компаратор на оу

При построении импульсных устройств электронной техники широкое применение нашли операционные усилители (ОУ). В таких устройствах, в отличие от аналоговых устройств, ОУ в основном работает в режиме насыщения, и выходное напряжение может принимать одно из двух значений: либо +Uвых max либо –Uвых max. В связи с высоким значением коэффициента усиления в линейном режиме переход ОУ из режима насыщения с выходным напряжением +Uвых max в режим с напряжением –Uвых max и наоборот, при изменении входного напряжения происходит практически «скачком».

Такой ход передаточной характеристики ОУ, а также зависимость ее смещения от величины напряжения, подаваемого на один из его входов, позволяет использовать этот элемент в качестве устройства сравнения измеряемого напряжения аналогового сигнала с опорным напряжением, которое называется компаратором. Критерием сравнения двух уровней напряжения является полярность напряжения на выходеОУ.

Рисунок 5.1. Компаратор при подаче опорного напряжения

положительной полярности на неинвертирующий вход ОУ:

а – схема компаратора, б – его передаточная характеристика

Простейшая схема компаратора на ОУ приведена на рис. 5.1,а. Опорное напряжение, величина которого постоянна, подается на один из входов ОУ, а измеряемое – на другой. Пусть измеряемое напряжение изменяется во времени. Тогда при достижении этим напряжением уровня опорного произойдет изменение полярности выходного напряжения. Например, опорное напряжение Uположительной полярности подается на неинвертирующий вход ОУ, а измеряемое u— на инвертирующий вход, как показано на рис. 5.1,а. Тогда при u< Uна выходе ОУ напряжение будет положительное, а при u> U— отрицательным (см. рис. 5.1,б). Видно, что изменение полярности выходного напряжения происходит тогда, когда входное напряжение проходит значение U.

Если в схеме компаратора измеряемое напряжение подавать на неинвертирующий вход ОУ, а опорное – на инвертирующий, как показано на рис. 5.2,а, то произойдет изменение передаточной характеристики: при u< Uна выходе напряжение будет отрицательным, а при u> U— положительным (см. рис. 5.2,б).

Рисунок 5.2. Компаратор при подаче опорного напряжения

положительной полярности на инвертирующий вход ОУ:

а – схема компаратора, б – его передаточная характеристика

Компаратор на ОУ используется в системах автоматического регулирования и защиты в качестве элемента измерительного органа, вырабатывающего выходной сигнал при достижении контролируемым напряжением определенного значения. По выходному сигналу затем происходит срабатывание исполнительного органа системы автоматического управления или защиты, осуществляющей изменение режима работы соответствующей аппаратуры или ее отключение.

Компараторы также применяются для преобразования сигналов. В качестве примера на рис. 5.3 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие преобразование синусоидального напряжения в ряд прямоугольных импульсов с использованием компаратора, схема которого приведена на рис. 5.1,а. Импульс положительной полярности в данном случае вырабатывается, когда мгновенное значение синусоидального напряжения превосходит опорное U. Длительность импульса может изменяться изменением величины опорного напряжения.

Рисунок 5.3. Временные диаграммы, иллюстрирующие преобразование

синусоидального напряжения в ряд прямоугольных импульсов

с использованием компаратора

Особенность работы ОУ как компаратора заключается в резком изменении полярности выходного напряжения при изменении уровня входного сигнала. Сам процесс такого изменения получил наименование «опрокидывания». Из проведенного анализа следует, что условием опрокидывания ОУ, а, следовательно, и схемы, в которой он используется, является равенство напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах ОУ. Данное условие реализуется в импульсных устройствах на ОУ.

Операционный усилитель для чайников

Для тех кто впервые на моем блоге и не совсем понимает что здесь происходит спешу напомнить, меня зовут Владимир Васильев и на этих страницах я делюсь со своими читателями сакральными знаниями из области электроники и не только электроники. Так что может быть и вы здесь найдете для себя что-то полезное, по крайней мере я на это надеюсь. Обязательно подпишитесь, тогда вы ничего не пропустите.

А сегодня речь пойдет о таком электронном устройстве как операционный усилитель. Эти усилители применяются повсеместно, везде где требуется усилить сигнал по мощности найдется работенка для операционника.

Особенно распространено применение операционных усилителей в аудиотехнике. Каждый аудиофилл стремится усилить звучание своих музыкальных колонок и поэтому старается прикрутить усилитель по мощнее. Вот здесь мы и сталкиваемся с операционными усилителями, ведь многие аудиосистемы просто нашпигованы ими. Благодаря свойству операционного усилителя усиливать сигнал по мощности мы ощущаем более мощное давление на свои барабанные перепонки когда слушаем композиции на своих аудио колонках. Вот так вот в быту мы оцениваем качество работы операционного усилителя на слух.

В э той статье на слух мы оценивать ничего не будем но постараемся рассмотреть все детально и разложим все по полочкам чтобы стало понятно даже самому самоварному чайнику .

Что такое операционный усилитель ?

Операционные усилители представляют собой микросхемы которые могут выглядеть по-разному.

Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. Слева операционный усилитель К544УД2АР в пластмассовом DIP корпусе а справа изображен операционник в металлическом корпусе.

По началу, до знакомства с операционниками, микросхемы в таких металлических корпусах я постоянно путал с транзисторами. Думал что это такие хитромудрые многоэмиттерные транзисторы ��

Условное графическое обозначение (УГО)

Условное обозначение операционного усилителя выглядит следующим образом.

Итак операционный усилитель (ОУ) имеет два входа и один выход. Также имеются выводы для подключения питания но на условных графических обозначениях их обычно не указывают.

Для такого усилителя есть два правила которые помогут понять принцип работы:

1. Выход операционника стремится к тому, чтобы разность напряжений на его входах была равна нулю
2. Входы операционного усилителя ток не потребляют

Вход 1 обозначается знаком «+» и называется неинвертирующим а вход 2 обозначается как «-» и является инвертирующим.

Входы операционника обладают высоким входным сопротивлением или иначе говорят высоким импедансом.

Это говорит о том, что входы операционного усилителя ток почти не потребляют (буквально какие-то наноамперы). Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и в зависимости от этого выдает сигнал на выходе усиливая его.

Коэффициент усиления операционного усилителя имеет просто огромное значение, может достигать миллиона, а это очень большое значение! Значит это то, что если мы ко входу приложим небольшое напряжение, хотябы 1 мВ, то на выходе получим сразу максимум, напряжение почти равное напряжению источника питания ОУ. Из-за этого свойства операционники практически никогда не используют без обратной связи (ОС). Действительно какой смысл во входном сигнале если на выходе мы всегда получим максимальное напряжение, но об этом поговорим чуть позже.

Входы ОУ работают так, что если величина на неинвертирующем входе окажется больше чем на инвертирующем, то на выходе будет максимальное положительное значение +15В. Если на инвертирующем входе величина напряжения окажется более положительной то на выходе будем наблюдать максимум отрицательной величины, где-то -15В.

Действительно операционный усилитель может выдавать значения напряжений как положительной так и отрицательной полярности. У новичка может возникнуть вопрос о том как же такое возможно? Но такое действительно возможно и это связано с применением источника питания с расщепленным напряжением, так называемым двуполярным питанием. Давайте рассмотрим питание операционника чуток подробнее.

Правильное питание ОУ

Наверное не будет секретом, что для того, чтобы операционник работал, его нужно запитать, т.е. подключить его к источнику питания. Но есть интересный момент, как мы убедились чуток ранее операционный усилитель может выдавать на выход напряжения как положительной так и отрицательной полярности. Как такое может быть?

А такое быть может! Это связано с применением двуполярного источника питания, конечно возможно использование и однополярного источника но в этом случае возможности операционного усилителя будут ограничены.

Вообще в работе с источниками питания многое зависит от того что мы взяли за точку отсчета т.е. за 0 (ноль). Давайте с этим разберемся.

Пример на батарейках

Обычно примеры проще всего приводить на пальцах но в электронике думаю подойдут и пальчиковые батарейки ��

Допустим у нас есть обычная пальчиковая батарейка (батарейка типа АА). У нее есть два полюса плюсовой и минусовой. Когда минусовой полюс мы принимаем за ноль, считаем нулевой точкой отсчета то соответственно плюсовой полюс батарейки будет у нас показывать + 5В (значение с плюсом).

Это мы можем увидеть с помощью мультиметра (кстати статья про мультиметры в помощь), достаточно подключить минусовой черный щуп к минусу батарейки а красный щуп к плюсу и вуаля. Здесь все просто и логично.

Теперь немножко усложним задачу и возьмем точно такую же вторую батарейку. Подключим батарейки последовательно и рассмотрим как меняются показания измерительных приборов (мультиметров или вольтметров) в зависимости от различных точек приложения щупов.

Если мы за ноль приняли минусовой полюс крайней батарейки а измеряющий щуп подключим к плюсу батарейки то мультиметр нам покажет значение в +10 В.

Если за точку отсчета будет принят положительный полюс батарейки а измеряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет -10 В.

Но если за точку отсчета будет принята точка между двумя батарейками то в результате мы сможем плучить простой источник двуполярного питания. И вы можете в этом убедиться, мультиметр нам подтвердит что так оно и есть. У нас в наличии будет напряжение как положительной полярности +5В так и напряжение отрицательной полярности -5В.

Схемы источников двуполярного питания

Примеры на батарейках я привел для примера, чтобы было более понятно. Теперь давайте рассмотрим несколько примеров простых схем источников расщепленного питания которые можно применять в своих радиолюбительских конструкциях.

Схема с трансформатором, с отводом от «средней» точки

И первая схема источника питания для ОУ перед вами. Она достаточно простая но я немножко поясню принцип ее работы.

Схема питается от привычной нам домашней сети поэтому нет ничего удивительного что на первичную обмотку трансформатора приходит переменный ток в 220В. Затем трансформатор преобразует переменный ток 220В в такой же переменный но уже в 30В. Вот такую вот нам захотелось произвести трансформацию.

Да на вторичной обмотке будет переменное напряжение в 30В но обратите внимание на отвод от средней точки вторичной обмотки. На вторичной обмотке сделано ответвление, причем количество витков до этого ответвления равно числу витков после ответвления.

Благодаря этому ответвлению мы можем получить на выходе вторичной обмотки переменное напряжение как в 30 В так и переменку в 15В. Это знание мы берем на вооружение.

Далее нам нужно переменку выпрямить и превратить в постоянку поэтому диодный мост нам в помощь. Диодный мост с этой задачей справился и на выходе мы получили не очень стабильную постоянку в 30В. Это напряжение будет нам показывать мультиметр если мы подключим шупы к выходу диодного моста, но нам нужно помнить про ответвление на вторичной обмотке.

Это ответвление мы ведем далее и подключаем между электролитическими конденсаторами и затем между следующией парой высокочастотных кондерчиков. Чего мы этим добились?

Мы добились нулевой точки отсчета между полюсами потенциалов положительной и отрицательной полярности. В результате на выходе мы имеем достаточно стабильное напряжение как +15В так и -15В. Эту схему конечно можно еще более улучшить если добавить стабилитроны или интегральные стабилизаторы но тем не менее приведенная схема уже вполне может справиться с задачей питания операционных усилителей.

Схема с двумя диодными мостами

Эта схема на мой взгляд проще, проще в том ключе, что нет необходимости искать трансформатор с ответвлением от середины или формировать вторичную обмотку самостоятельно. Но здесь придется раскошелиться на второй диодный мост.

Диодные мосты включены так, что положительный потенциал формируется с катодов диодиков первого моста, а отрицательный потенциал выходит с анодов диодов второго моста. Здесь нулевая точка отсчета выводится между двумя мостами. Упомяну также, что здесь используются разделительные конденсаторы, они оберегают один диодный мост от воздействий со стороны второго.

Эта схема также легко подвергается различным улучшениям, но самое главное она решает основную задачу — с помощью нее можно запитать операционный усилитель.

Обратная связь ОУ

Как я уже упоминал операционные усилители почти всегда используют с обратной связью (ОС). Но что представляет собой обратная связь и для чего она нужна? Попробуем с этим разобраться.

С обратной связью мы сталкиваемся постоянно: когда хотим налить в кружку чая или даже сходить в туалет по малой нужде �� Когда человек управляет автомобилем или велосипедом то здесь также работает обратная связь. Ведь для того, чтобы ехать легко и непринужденно мы вынуждены постоянно контролировать управление в зависимости от различных факторов: ситуации на дороге, технического состояния средства передвижения и так далее.

Если на дороге стало скользко ? Ага мы среагировали, сделали коррекцию и дальше двигаемся более осторожно.

В операционном усилителе все происходит подобным образом.

Без обратной связи при подаче на вход определенного сигнала на выходе мы всегда получим одно и тоже значение напряжения. Оно будет близко напряжению питания (так как коэффициент усиления очень большой). Мы не контролируем выходной сигнал. Но если часть сигнала с выхода мы отправим обратно на вход то что это даст?

Мы сможем контролировать выходное напряжение. Это управление будет на столько эффективным, что можно просто забыть про коэффициент усиления, операционник станет послушным и предсказуемым потому что его поведение будет зависеть лишь от обратной связи. Далее я расскажу как можно эффективно управлять выходным сигналом и как его контролировать, но для этого нам нужно знать некоторые детали.

Положительная обратная связь, отрицательная обратная связь

Да, в операционных усилителях применяют обратную связь и очень широко. Но обратная связь может быть как положительной так и отрицательной. Надо бы разобраться в чем суть.

Положительная обратная связь это когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход причем она (часть выходного) суммируется с входным.

Положительная обратная связь в операционниках применяется не так широко как отрицательная. Более того положительная обратная связь чаще бывает нежелательным побочным явлением некоторых схем и положительной связи стараются избегать. Она является нежелательной потому, что эта связь может усиливать искажения в схеме и в итоге привести к нестабильности.

С другой стороны положительная обратная связь не уменьшает коэффициент усиления операционного усилителя что бывает полезно. А нестабильность также находит свое применение в компараторах, которые используют в АЦП (Аналого-цифровых преобразователях).

Отрицательная обратная связь это такая связь когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход но при этом она вычитается из входного

А вот отрицательная обратная связь просто создана для операционных усилителей. Несмотря на то, что она способствует некоторому ослаблению коэффициента усиления, она приносит в схему стабильность и управляемость. В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью.

При использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель приобретает одно очень полезное свойство. Операционник контролирует состояния своих входов и стремится к тому, потенциалы на его входах были равны. ОУ подстраивает свое выходное напряжение так, чтобы результирующий входной потенциал (разность Вх.1 и Вх.2) был нулевым.

Подавляющая часть схем на операционниках строится с применением отрицательной обратной связи! Так что для того чтобы разобраться как работает отрицательная связь нам нужно рассмотреть схемы включения ОУ.

Схемы включения операционных усилителей

Схемы включения операционных усилителей могут быть весьма разнообразны поэтому мне врятля удастся рассказать о каждой но я постараюсь рассмотреть основные.

Компаратор на ОУ

Формулы для компараторной схемы будут следующие:

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логической единице.

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логическому нулю.

Схема компаратора обладает высоким входным сопротивлением (импедансом) и низким выходным.

Рассмотрим для начала вот такую схему включения операционника в режиме компаратора. Эта схема включения лишена обратной связи. Такие схемы применяются в цифровой схемотехнике когда нужно оценить сигналы на входе, выяснить какой больше и выдать результат в цифровой форме. В итоге на выходе будет логическая 1 или логический ноль (к примеру 5В это 1 а 0В это ноль).

Допустим напряжение стабилизации стабилитрона 5В, на вход один мы приложили 3В а к входу 2 мы приложили 1В. Далее в компараторе происходит следующее, напряжение на прямом входе 1 используется как есть (просто потому что это неинвертирующий вход) а напряжение на инверсном входе 2 инвертируется. В результате где было 3В так и остается 3В а где был 1В будет -1В.

В результате 3В-1В =2В, но благодаря коэффициенту усиления операционника на выход пойдет напряжение равное напряжению источника питания, т.е. порядка 15В. Но стабилитрон отработает и на выход пойдет 5В что соответствует логической единице.

Теперь представили, что на вход 2 мы кинули 3В а на вход 1 приложили 1В. Операционник все это прожует, прямой вход оставит без изменений, а инверсный (инвертирующий) изменит на противоположный из 3В сделает -3В.

В результате 1В-3В=-2В, но согласно логике работы на выход пойдет минус источника питания т.е. -15В. Но у нас стоит стабилитрон и он это не пропустит и на выходе у нас будет величина близкая нулю. Это и будет логический ноль для цифровой схемы.

Триггер Шмитта на ОУ

Чуть ранее мы рассматривали такую схему включения ОУ как компаратор. В компараторе сравниваются два напряжения на входе и выдается результат на выходе. Но чтобы сравнивать входное напряжение с нулем нужно воспользоваться схемой представленной чуть выше.

Здесь сигнал подается на инвертирующий вход а прямой вход посажен на землю, на ноль.

Если на входе у нас напряжение больше нуля то на выходе будем иметь -15В. Если напряжение меньше нуля то на выходе будет+15В.

Но что случится если мы захотим подать напряжение равное нулю? Такое напряжение никогда не получится сделать, ведь идеального нуля не бывает и сигнал на входе хоть на доли микровольт но обязательно будет меняться в ту или другую сторону. В результате на выходе будут полный хаос, выходное напряжение будет многократно скакать максимума до минимума что на практике совершенно не удобно.

Для избавления от подобного хаоса вводит гистерезист — это некий зазор в пределах которого сигнал на выходе не будет меняться.

Этот зазор позволяет реализовать данная схема посредством положительной обратной связи.

Представим, что на вход мы подали 5В , на выходе в первое мгновение получится сигнал напряжением в -15В. Далее начинает отрабатывать положительная обратная связь. Обратная связь образует делитель напряжения в результате чего на прямом входе операционника появится напряжение -1,36В.

На инверсном входе у нас сигнал более положительный поэтому операционный усилитель отработает следующим образом. Внутри него сигнал в 5В инвертируется и становится -5В, далее два сигнала складываются и получается отрицательное значение. Отрицательное значение благодаря коэффициенту усиления станет -15В. Сигнал на выходе не изменится пока сигнал на входе не опустится менее -1,36В.

Пусть сигнал на входе изменился и стал -2В. В нутрях это -2В инвертируется и станет +2В, а -1,36В как был так и останется. Далее все это складывается и получается положительное значение которое на выходе превратится в +15В. На прямом входе значение -1,36В благодаря обратной связи превратится в +1,36В. Теперь чтобы изменить значение на выходе на противоположное нужно подать сигнал более 1,36В.

Таким образом у нас появилась зона с нулевой чувствительностью с диапазоном от -1,36В до +1,36В. Такая зона нечувствительности носит название гистерезис.

Повторитель

Наиболее простой обладатель отрицательной обратной связи это повторитель.

Повторитель выдает на выходе то напряжение, которое было подано на его вход. Казалось бы для чего это нужно ведь от этого ничего не меняется. Но в этом есть смысл, ведь вспомним свойство операционника, он обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным. В схемах повторители выступают в роли буфера, который оберегает от перегрузок хилые выходы.

Чтобы понять как он работает отмотаете чуток назад, там где мы обсуждали отрицательную обратную связь. Там я упоминал, что в случае с отрицательной обратной связью операционник всеми возможными способами стремится к равному потенциалу по своим входам. Для этого он подстраивает напряжение на своем выходе так, чтобы разность потенциалов на его входах равнялась нулю.

Так допустим на входе у нас 1В. Чтобы потенциалы на входах были раны на инвертирующем входе должен быть также 1В. На то он и повторитель.

Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя очень похожа на схему повторителя, только здесь обратная связь представлена делителем напряжения и посажена на землю.

Посмотрим как все это работает. Допустим на вход подано 5В, резистор R1 = 10Ом, резистор R2 = 10Ом. Чтобы напряжение на входах были равны, операционник вынужден поднять напряжение на выходе так, чтобы потенциал на инверсном входе сравнялся с прямым. В данном случае делитель напряжения делит пополам, получается, что напряжение на выходе должно быть в два раза больше напряжения на входе.

Вообще чтобы применять эту схему включения даже не нужно ничего ворошить в голове, достаточно воспользоваться формулой, где достаточно узнать коэффициент К.

Инвертирующий усилитель

И сейчас мы рассмотрим работу такой схемы включения как инвертирующий усилитель. Для инвертирующего усилителя есть такие формулы:

Инвертирующий усилитель позволяет усиливать сигнал одновременно инвертируя (меняя знак ) его . Причем коэффициент усиления мы можем задать любой. Этот коэффициент усиления мы формируем посредством отрицательной обратной связи, которая представляет собой делитель напряжения.

Теперь попробуем его в работе, допустим на входе у нас сигнал в 1В, резистор R2 = 100Ом, резистор R1 = 10Ом. Сигнал со входа идет через R1, затем R2 и на выход. Допустим сигнал на выходе невероятным образом стал 0В. Рассчитаем делитель напряжения.

1В/110=Х/100, отсюда Х = 0,91В

Получается что в точке А потенциал равен 0,91В, но это противоречит правилу операционного усилителя. Ведь операционник стремится уравнять потенциалы на своих входах. Поэтому потенциал в точке А будет равен нулю и равен потенциалу в точке B.

Как сделать так чтобы на входе был 1В а в точке А был 0В?

Для этого нужно уменьшать напряжение на выходе. И в результате мы получаем

К сожалению инвертирующий усилитель обладает одним явным недостатком — низким входным сопротивлением, которое равняется резистору R1.

Сумматор инвертирующий

А эта схема включения позволяет складывать множество входных напряжений. Причем напряжения могут быть как положительными так и отрицательными. По истине на операционниках можно строить аналоговые компьютеры. Так чтож давайте разбираться.

Основой сумматора служит все тот же инвертирующий усилитель только с одним отличием, вместо одного входа он может иметь этих входов сколько угодно. Вспомним формулку и инвертирующего усилка.Потенциал точки Х будет равен нулю поэтому сумма токов входящих с каждого входа будет выглядеть вот так:Если нашей целью является чистое сложение входных напряжений то все резисторы в этой схеме выбираются одного номинала. Это приводит также что коэффициент усиления для каждого входа будет равен 1. Тогда формула для инвертирующего усилителя принимает вид:

Ну чтож, я думаю что с работой сумматора и других схем включения на операционниках разобраться не трудно. Достаточно немножко попрактиковаться и попробовать собрать эти схемы и посмотреть что происходит с входными и выходными сигналами.

А я на этом пожалуй остановлюсь ведь в работе с операционными усилителями применяются очень много различных схем включения, это различные преобразователи ток-напряжение, сумматоры, интеграторы и логарифмирующие усилители и все их рассматривать можно очень долго.

Если вас заинтересовали другие схемы включения и хотите с ними разобраться то советую полистать книжку П.Хоровица и У.Хилла, все обязательно встанет на свои места.

А на этом я буду завершать, тем более статья получилась достаточно объемной и после написания ее нужно чутка подшлифовать и навести марафет.

Друзья, не забывайте подписываться на обновления блога, ведь чем больше читателей подписано на обновления тем больше я понимаю что делаю что-то важное и полезное и это чертовски мотивирует на новые статьи и материалы.

Кстати друзья, у меня возникла одна классная идея и мне очень важно слышать ваше мнение. Я подумываю выпустить обучающий материал по операционным усилителям, этот материал будет в виде обычной pdf книжки или видеокурса, еще не решил. Мне кажется что несмотря на большое обилие информации в интернете и в литературе все=таки не хватает наглядной практической информации, такой, которую сможет понять каждый.

Так вот, напишите пожалуйста в комментариях какую информацию вы хотели бы видеть в этом обучающем материале чтобы я мог выдавать не просто полезную информацию а информацию которая действительно востребована.

А на этом у меня все, поэтому я желаю вам удачи, успехов и прекрасного настроения, даже не смотря на то что за окном зима!

Компаратор. Описание и применение. Часть 1

Эта статья содержит основную информацию о работе компараторов напряжения построенных на интегральных микросхемах и может быть использована в качестве справочного материала для построения различных схем.

В электронике, компаратор представляет собой устройство, которое сравнивает между собой два электрических сигнала и выводит цифровой сигнал, указывающий на увеличение одного входного сигнала над другим. Компаратор имеет два аналоговых входа и один цифровой выход.

Компаратор, как правило, построен на дифференциальном усилителе с высоким коэффициентом усиления. Компараторы широко используются в устройствах, которые измеряют и оцифровывают аналоговые сигналы, например, в аналого-цифровых преобразователях (АЦП)

Примеры работы компаратора приведены на основе микросхемы LM339 (счетверенный компаратора напряжений) и LM393 (сдвоенный компаратор напряжения). Эти две микросхемы по своему функционалу идентичны. Компаратор напряжения LM311 так же может быть использован в данных примерах, но он имеет ряд функциональных особенностей.

Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Как правило, выход компаратора напряжения представляет собой выход с открытым коллектором.

Выход открытый коллектор имеет отрицательную полярность. Это означает, что на этом выходе не бывает положительного сигнала и нагрузка должна подключаться между этим выходом и источника питания.

В некоторых схемах к выходу компаратора подключают нагрузочный (подтягивающий) резистор для того, чтобы обеспечить сигнал высокого уровня поступающего на вход следующего элемента схемы.

Операционные усилители (ОУ), такие как LM324, LM358 и LM741 обычно не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжения из-за их биполярных выходов. Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компараторов напряжения, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор для того чтобы создать выход с открытым коллектором.

Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:

Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет ниже, чем напряжение на входе (-). И соответственно ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет выше, чем напряжение на входе (-).

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Принципиальная схема «компаратор напряжения» эквивалентна работе операционного усилителя, например, LM358 или LM324, имеющим на выходе два транзистора типа NPN (см. выше). Таким образом, можно сделать все 4 выхода ОУ (LM339) с открытым коллектором. Каждый такой выход может выдерживать ток нагрузки 15 мА и напряжение до 50 вольт.

Выход включается или выключается в зависимости от относительных напряжений на плюсовом (+) и минусовом (-) входах компаратора. Входы компаратора крайне чувствительны и разница напряжения между ними всего лишь в несколько милливольт приводит к переключению его выхода.

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

Компараторы напряжения LM339, LM393 и LM311могут работать с одно- или двухполярным источником питания до 32 вольт максимум.

При работе с двухполярным питанием, режим сравнения напряжения остается таким же, за исключением того, что для большинства схем эмиттер выходного транзистора подключается к отрицательной шине питания, а не к общей цепи. Исключением из этого правила является операционный усилитель LM311, имеющий изолированный эмиттер, который можно подключить как к минусу однополярного источника питания, так или к общему проводу двухполярного.

При работе с двухполярным источником питания, входное напряжение может быть выше или ниже относительно общего провода блока питания. Кроме того, один из входов компаратора может быть подключен к общему проводу, таким образом создается детектор «пересечение нуля».

Описание работы компаратора

Следующий рисунок показывает простейшую конфигурацию для компаратора напряжения, а так же графическое изображение режима его работы. В этой схеме опорное напряжение составляет половину напряжения питания, а входное напряжение может меняться от нуля до напряжения питания. В теории опорное и входное напряжение могут иметь значение от нуля и до напряжения источника питания, но есть реальные ограничения, зависящие от конкретно используемого компаратора.

Сигнал на выходе:

1. Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс (+) ниже, чем напряжение на входе минус (-).
2. Ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс выше, чем напряжение на входе минус.

Входное напряжение смещения компаратора

Компараторы не являются совершенными устройствами, и их работа может иметь недостаток от последствий такого параметра, как входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения для многих компараторов может составлять всего несколько милливольт и в большинстве схем может быть проигнорировано.

В основном проблема, связанная с входным напряжением смещения возникает, когда входное напряжение изменяется очень медленно. Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не полностью открывается или закрывается, когда входное напряжение находится недалеко от опорного напряжения.

Следующая диаграмма иллюстрирует эффект смещения входного напряжения возникающий в результате медленного изменения входного напряжения. Этот эффект возрастает при увеличении выходного тока транзистора. Поэтому, для уменьшения этого эффекта, необходимо обеспечить максимальное сопротивление резистора R4.

Последствия входного напряжения смещения можно уменьшить, добавив в схему гистерезис. Это приведет к тому, что опорное напряжение будет меняться, когда выход компаратора переходит на высокий или низкий уровень.

Входное напряжение смещения и гистерезис

Для большинства схем построенных на компараторах, величина гистерезиса является разностью напряжений входного сигнала, при котором выход компаратора либо полностью включен или полностью выключен. Гистерезис в компараторах, как правило, нежелателен, но он может потребоваться, когда необходимо уменьшить чувствительность к шуму или при медленном изменении входного сигнала.

Внешний гистерезис использует положительную обратную связь (ПОС) с выхода на неинвертирующий вход компаратора. В результате полученный триггер Шмитта обеспечивает дополнительную помехоустойчивость и более чистый выходной сигнал.

Эффект от использования гистерезиса в том, что при постепенном изменении входного напряжения, а опорное напряжение будет быстро изменяться в противоположном направлении. Это обеспечивает чистое переключение выхода компаратора.

Механический аналог гистерезиса может быть обнаружен в разнообразных тумблерах. Как только рукоятка тумблера перемещается мимо центральной точки, пружина в тумблере переводит контакты реле в гарантированное положение (открытое или закрытое).

Гистерезис является неотъемлемой частью большинства компараторов составляющая всего несколько милливольт и он обычно влияет только на схемы, где входное напряжение поднимается или падает очень медленно или имеет скачки напряжения, известные как «шум»…

Похожие записи:

4 комментария

Спасибо огромнейшее! Для меня как новичка, написано более чем доступно.

Первую половину статьи необходимо поместить за второй, чтоб не отпугнуть новичков » непонятными» структурными схемами компаратора, а то заходишь на сайт, с целью в доступном изложении узнать о компараторах, а тут формулы научные термины (хоть словарь Даля применяй). Прочитав пару строк и поняв, что начинает плавится мозг, закрываешь и ищешь другой…, а тут все изложено в доступной форме не только для «_АКАМЕДИКОВ!» благодарность автору.

«Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не полностью открывается или закрывается, когда входное напряжение находится недалеко от опорного напряжения.»

Это не так. Напряжение смещения является причиной того, что при замкнутых между собой прямом и инверсном входах через плечи входного дифференциального каскада протекают разные токи, хотя в идеале должны быть одинаковые. Напряжение смещения по определению представляет собой такую разность напряжений на входах, при которой токи в этих плечах становятся равными. Даже если вам попадется экземпляр компаратора у которого чисто случайно напряжение смещения окажется равным 0, то это никак не избавит его от того «что выходной транзистор не полностью открывается» при малых дифференциальных входных напряжениях. Причиной этого является не напряжение смещения, а конечный коэффициент усиления схемы. В некоторых компараторах для борьбы с логической неопределенностью на выходе вводят внутреннюю ПОС для образования гистерезиса, но не в обсуждаемых здесь микросхемах.

А вот выдержка из datasheet от TI на LM339:
«Overdrive voltage is the differential voltage produced between the positive and negative inputs of the comparator over the offset voltage. To make an accurate comparison, the overdrive voltage (V OD ) must be higher than the input offset voltage (V IO ). Overdrive voltage can also determine the response time of the comparator, with the response time decreasing with increasing overdrive.»

Отсюда видно что для гарантированно правильного срабатывания компаратора входной импульс должен иметь перепад больше (достаточно 1 мВ превышения, поскольку типичный коэффициент усиления для этих микросхем по напряжению порядка 50 В/мВ) чем напряжение смещения (которое гарантируется справочными данными не больше 9мВ, а для версии «A» не более 4мВ) т. к. из входного импульса как-бы вычитается напряжение смещения и дальше схема усиливает именно эту разность, а значит входной импульс будет однозначно определять выходной сигнал только если он по модулю превышает смещение. И еще при этом чем больше перепад тем быстрее появится отклик на выходе. Для входных импульсов 5мВ и 100мВ разница в задержке выходного сигнала может составлять 1/0,5мкс для положительного/отрицательного фронта.

Если пишете что с однополярным источником питания, то почему вводите в заблуждение и указываете неправильную маркировку? + — это двуполярное питание. Если питание однополярное то нужно писать + и значок земли.