Как работает компаратор на операционном усилителе
Перейти к содержимому

Как работает компаратор на операционном усилителе

  • автор:

Введение

Простая схема триггера Шмитта на операционом усилителе имеет симметричные пороговые напряжения относительно нулевой точки и требует для своей работы двуполярное питание. Симметричные пороги ограничивают возможности применения схемы, а двуполярное питание подразумевает использование соответствующего источника, что неудобно, если схема триггера используется совместно с микроконтроллером, напряжение питания которого обычно 5 или 3,3 Вольта.

Существует еще одна схема триггера Шмитта на операционном усилителе, в которой используется однополярное питание и можно задавать отличающиеся друг от друга пороговые напряжения. О расчете такой схемы и пойдет речь в этой статье.

Расчет компаратора

Рассматриваемая схема имеет два устойчивых состояния — когда на выходе операционного усилителя нулевое напряжение и когда на выходе положительное напряжение насыщения (+Usat). Нам нужно разобраться, как рассчитать номиналы резисторов R1, R2 и R3 для произвольно задаваемых верхнего и нижнего порогов.

Принимая во внимание упрощения, используемые при анализе схем на операционных усилителях (бесконечное входное сопротивление и, соответственно, нулевые входные токи, нулевое выходное сопротивление , бесконечный коэффициент усиления без обратной связи, бесконечная полоса пропускания), мы можем перерисовать схему триггера Шмитта, заменив операционный усилитель источником напряжения.

U1 — источник питания операционного усилителя.
U2 — источник напряжения, имитирующий выход операционного усилителя.
Напряжение между точками A и B — это входное напряжение операционного усилителя.

Если воспользоваться методом узловых потенциалов, то можно определить значение этого напряжения. Оно будет равно:

Uab = (U1*g1 + U2*g3)/(g1 + g2 + g3)

где g1, g2, g3 — проводимости ветвей цепи. Проводимость — это величина обратная сопротивлению g = 1/R, если ты не знал или забыл. Измеряется в сименсах.

Подробное рассмотрение метода узловых потенциалов выходит за рамки этой статьи, поэтому просто прими это выражение на веру.

Используя приведеное выше выражение, запишем уравнения, определяющие пороги триггера Шмитта.
при U2 = 0
Uab = Ult = U1*g1 /(g1 + g2 + g3)
при U2 = +Usat
Uab = Uht = (U1*g1 + Usat*g3)/(g1 + g2 + g3)

Ult, Uht — нижнее и верхнее пороговые напряжения. Эти значения мы задаем. U1 и Usat — напряжение питания и насыщения соответственно.

Все, что теперь от нас требуется — решить эту систему из двух уравнений, задав значение одного из резисторов, например R3. Выполнить эти вычисления вручную несложно, но довольно муторно. Нужно выразить из первого уравнения g1, подставить это выражение во второе, выразить g2 через g3, а затем последовательно вычислить значения резисторов.

Лично я предпочитаю использовать для расчета компаратора Маткад. Он позволяет изменять любые параметры схемы и тут же получать ответ. Это удобно, когда требуется подобрать значения резисторов соответствующих номинальному ряду, например Е24.

Ниже приведен пример расчета компаратора на операционном усилителе.

Фактическое значение задается только для резистора R3, для резисторов R1 и R2 задаются только начальные значения. Сам маткадовский файл для расчета приведен в конце статьи.

Несколько слов по поводу выбора номиналов резисторов.

Номиналы резисторов должны быть достаточно большими, чтобы не нагружать источник питания и выход операционного усилителя и достаточно маленькими, чтобы входное сопротивление реального операционного усилителя оказывало как можно меньшее влияние на наши расчеты. В схемах, которые мне доводилось применять, я обычно задавал сопротивление обратной связи от 10 до 100 кОм. Получаемые расчетные значения двух других резисторов были ~от 10 кОм до 2 МОм.

Также не следует забывать, что все резисторы имеют разброс номинала и это в какой-то мере будет влиять на реальные значения пороговых напряжений.

Ну вот собственно и все, что я хотел поведать по этой теме. Надеюсь материал пригодится начинающим электронщикам.

Файлы

Related items

  • Как управлять вентилятором
  • Источник опорного напряжения TL431
  • Стабилитрон
  • Метод наложения
  • Генератор синусоидального сигнала на основе сдвигового регистра
Comments

# JoJo 2011-09-01 07:33

Можно в эту схему добавить регулировку порогов? Например, заменить какой нибудь резистор на потенциометр.

# Pashgan 2011-09-01 18:13

К сожалению нет. Зависимость Uпорога от R будет нелинейной. Кроме того, изменение резистора будет вызывать сдвиг обоих порогов.

# plv 2011-10-01 21:45

Что то по твоим расчетам у меня ничего не получается посчитать. нужна помощь. Напиши мне plv2007@bk.ru. Заранее спасибо.

# si-len-a 2012-03-01 19:30

Здравствуйте.Ск ажите,я правильно понимаю,если на вход UIN2 подать пульсирующий сигнал -1,5в.(светодио д),то на выходе UOUT будет постоянный сигнал?

# nordis 2012-12-19 14:35

Интересненько. Я только не пойму, почему подстроечный резистор нельзя включить последовательно резистору R1. Кроме него по моему можно и терморезистор. А для подстройки параметров переменный резистор +, -, Uin2. У меня так работает схема термоконтроля на ОУ LM324

# Pashgan 2012-12-19 20:33

Я не говорил, что нельзя. Можно, только не получится линейно регулировать им порог срабатывания схемы.

# sisrar 2013-01-21 10:35

Привет!
У меня при введении номиналов резисторов и напряжений из твоего примера, значения напряжений порогов получились 2,4444В и 2,5333В, у тебя же 1В и 2В. Помоги, плис, что не так?

# Pashgan 2013-01-21 10:53

В расчете используются напряжение питания и положительное напряжение насыщения ОУ. У тебя они такие же или отличаются? И как ты проверяешь?

# sisrar 2013-01-22 06:17

Спасибо Pashgan, что оперативно ответил мне на почту и объяснил в чем проблема. Теперь все получилось. С толку сбивали значения сопротивлений R1 и R2 равные 1 кОм, указанные вначале расчета. На них обращать внимания не надо, т.к. сопротивления R1 и R2 и нужно найти. Я бы стер R1 и R2 равные 1 кОм из примера и добавил бы в текст выведенные уровнения для:
R1 = U1 * R3 * (Uht / Ult — 1) / Usat;
R2 = R1 / (U1 / Ult — R1 / R3 — 1).

# Даниил 2013-03-04 09:49

Спасибо, очень подробно написано! У меня только есть 2 вопроса.
1) Какие максимальные частоты можно использовать таким компаратором? Или это зависит от ОУ? сколько может съесть он, столько же и компаратор?
2) Можно ли, чтобы уровни сигнала были 0 и 5В? Предполагаю на вход такого компаратора подать синус, в пиках которого будет 0 и 5В, а выход хочу подключить к D-триггеру, чтобы частоту поделить. И вот думаю, будет ли корректно работать схема счетчика, если на нее будет приходить не от 0 до 5В, а от 0 до 4В, как посчитано тут?

# Pashgan 2013-03-04 12:30

1) Точно не могу сказать, не знаю. Да, это зависит от ОУ, но скорострельност ь полученного компаратора будет однозначно меншье, чем, например, усилительной схемы на ОУ. Потому что операционному усилителю требуется время, чтобы выйти из насыщения. Для обработки скоростных сигналов лучше взять микросхему компаратора.
2) Нужно смотреть какой усилитель. В описании обычно оговаривается диапазон входных напряжений. Lm358 в максимуме позволяет это делать, а в номинальном режиме входное напряжение должно быть меньше напряжения питания на 1.5-2 вольта. Если поставить ограничительные диоды, то в принципе можно. Насчет выходного напряжения — нужно взять описание на счетчик и посмотреть минимальный уровень логической единицы для него.

# Даниил 2013-03-04 13:16
Quoting Pashgan:
Для обработки скоростных сигналов лучше взять микросхему компаратора.

А ведь есть уже готовый триггер Шмитта уже зашитый в корпус (например DIP14). Я так понимаю, что там уже не надо ничего расчитывать? Просто взять описание, посмотреть уровни напряжений и подобрать свой?

# Pashgan 2013-03-04 20:27

Расчет точно такой же, как и с операционным усилителем. Только компаратор дает на выходе полный размах сигнала — от нуля до U питания. У него на выходе открытый коллектор транзистора, который через резистор подтягивают к плюсу питания.

# Ра 2013-09-09 20:13

Статья хорошая, по подсчетам все в принципе получилось, есть только один вопрос:
Схема Триггера Шмитта, изображенная в самом начале это какой то вариант с разными задаваемыми порогами, или Мультивибратор?
Обозначения смущают что то.

Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ).

Прежде чем начнём разбираться с компаратором, давайте вспомним, что такое операционный усилитель(ОУ). Операционный усилитель имеет пять выводов и на схемах обозначается треугольником, как показано на рисунке ниже.

Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ).

  • два вывода для подключения питания, плюс и минус напряжения питания;
  • два входа, один неинвертирующий, обозначенный V+ и один инвертирующий, обозначенный V-;
  • один выход, обозначенный Vвых;

Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ).

На рисунке выше видно, что если напряжение на неинвертирующем входе больше чем на инвертирующем, то на выходе будет плюс напряжение питания.

Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ).

Если, наоборот, напряжение на инвертирующем входе будет больше чем на неинвертирующем, то на выходе будет минус напряжение питания.
По сути мы рассмотрели как работает компаратор. Компаратор от английского слова compare – сравнить, то есть он сравнивает два напряжения и в зависимости от того на каком из входов оно выше, устанавливает на выходе плюс или минус напряжения питания. Также, можно сказать, что компараторэто схема включения ОУ без отрицательной обратной связи, обладающая большим коэффициентом усиления. Под отрицательной обратной связью понимают, соединение инвертирующего входа с выходом, напрямую или через электронный компонент, например, резистор, кондесатор или диод.

Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ).

Для демонстрации, того как работает компаратор рассмотрим схему, изображённую ниже.

Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ).

В этой схеме с помощью делителя, резисторами 10К и 100К, устанавливается на инвертирующем входе напряжение 0,45V, его ещё называют опорным. Пока напряжение на неинвертирующем входе меньше 0,45V, на выходе будет 0V и светодиод не загорится, как только напряжение на неинвертирующем входе превысит это значение, на выходе станет 5V и светодиод загорится. Таким образом, вращая потенциометр, мы можем зажигать и гасить светодиод. Схема непрактичная, но наглядная.
В одной из статей описывается как работает пиковый детектор, там как раз можно увидеть ОУ включённый как компаратор. Для увеличения можно кликнуть по фото.

Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ).

Давайте немного упростим схему.

Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ).

И подключим осциллограф к входам компаратора. Первый канал — неинвертирующий вход, второй — инвертирующий.

Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ).

Во время хлопков в ладоши возникают всплески, если при этом амплитуда всплесков( жёлтые ) превышает опорное напряжение( бирюзовый ), на выходе появляется плюс напряжения питания, иначе минус.
В этом случае в качестве датчика у нас выступает микрофон, также в качестве датчика может выступать фотодиод, для включения света при низком уровне освещенности, а его мы задаем опорным напряжением.
Ранее, мы договорились, что компаратор — это схема включения ОУ без отрицательной обратной связи. Но кроме отрицательной обратной связи существует, ещё положительная обратная связь.

Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ).

Схема, изображенная выше, называется инвертирующий триггер Шмитта, по сути это тот же компаратор, только с положительной обратной связью. Принцип его работы заключается в следующем, помните на осциллограмме когда жёлтые линии пересекали бирюзовую, изменялось напряжение на выходе. Так вот здесь линий, которые можно пересечь две, при превышении верхней линии на выходе появляется минус напряжения питания, если значение опустится ниже нижней линии —плюс, а в промежутке между линиями система сохраняет своё состояние.

Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ).

Так же существует неинвертирующий триггер Шмитта, он изображен на схеме ниже.

Как работает компаратор на операционном усилителе(ОУ).

Логичным вопросом будет, почему того же Отто Герберт Шмитт не устроил обычный компаратор и он изобрел свой. Ответ прост, если на вход компаратора без положительной обратной связи подать зашумленный сигнал, это вызовет множество ложных срабатываний, для того чтобы избежать этого был придуман триггер Шмитта, у которого два порога переключения.
Правда и у него тоже есть, что доработать. Хотелось бы избавиться от двуполярного питания и так как пороги срабатывания задаются с помощью делителя, то они симметричны относительно нуля, а хотелось бы выбирать их произвольно.
Пожалуй это всё, что хотелось рассказать про компараторы на ОУ, если появилось желание разобраться более подробно, добро пожаловать сюда.

Использование ОУ в качестве компаратора

Компаратор — это устройство, которое подает на свой выход сигнал равный разнице между двумя входными сигналами, умноженной на очень большой коэффициент. Тоже-самое делает и операционный усилитель. Разница лишь в том, что компаратор работает без обратной связи и выдает логический уровень, а ОУ предназначен для работы с обратной связью и выдает аналоговый сигнал.

Недавно, думал над проектом в котором уже использовались ОУ и, нужны были компараторы. Естественно, появился соблазн использовать ОУ в качестве компараторов. Но можно ли так делать?

ОУ в качестве компаратора

Если кратко, то лучше — не нужно, если длинно, то вот почему:

Скорость

ОУ рассчитаны для работы с маленькой разницей между входными сигналами. При большой разнице, транзисторы где-то в недрах микросхемы могут насыщаться и от этого скорость может упасть на порядки. Тоесть, если у нас есть 10МГц ОУ, это совсем не значит что из него получится компаратор с временем реакции в 100нс. Получается такая парадоксальная ситуация — разница между напряжениями входов увеличивается, а время реакции компаратора уменьшается.

Конечно, не все ОУ насыщаются и это нужно проверять, если вам нужна скорость.

Входные цепи

Опять-же, из-за того, что ОУ рассчитывают для работы с маленькой разницей входных напряжений, входные цепи могут повести себя совсем не так как вы думаете. К примеру, там могут стоять защитные диоды, которые просто замкнут входы друг на друга.

Защитные диоды

На такую проблему я нарвался, когда пытался использовать LVDS-приемники spartan3 в качестве компараторов.

Инверсия фазы

Кроме того, у ОУ есть такое явление, как инверсия фазы. Когда внутренние цепи входят в насыщение, выходной сигнал внезапно меняет фазу и получается вот такая картина:

Практически все современные ОУ не страдают такой болезнью, но лучше проверить это на макетке, если вы, все-таки, собираетесь использовать ОУ в качестве компаратора. Производители обычно не пишут о том, что ОУ страдает инверсией фазы, зато, с радостью, сообщают если инверсии фазы нет.

Выходное напряжение

Компараторы часто рассчитываются для работы с определенным логическим стандартом, а вот ОУ — нет. И есть шанс не попасть в логические уровни. Не забывайте, что размах напряжений на выходе ОУ ограничен и неплохо бы проверить — совместим ли он с вашей логикой. Конечно, это не касается rail-to-rail ОУ.

Ограничение размаха напряжения

Если напряжение питания ОУ больше чем логические напряжения, придется строить согласователь уровней и вот тут вся экономия на покупке отдельного компаратора, скорее-всего, пропадет.

Вывод

А вывод очень прост — постарайтесь не использовать ОУ в качестве компараторов если это возможно. В большинстве случаев, это принесет больше проблем, чем выгоды. Но, если вы все-таки решились, тщательно изучите даташит на ваш ОУ и протестируйте его на макете перед тем, как делать окончательное решение.

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.

Сравнительное тестирование аккумуляторов EVE Energy и Samsung типоразмера 18650

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 (AOL >> 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.

Рисунок 1. Операционный усилитель в инвертирующем включении (а)
и его передаточная характеристика вход-выход (б).

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

Рисунок 2. Типичное включение инвертирующего компаратора (а),
его передаточная характеристика (б), а также сигналы
на входе и выходе (в).

Шумы

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.

Рисунок 3. Гистерезис в компараторе (а) позволяет устранить дребезг
при переключениях выхода (б).

Гистерезис устанавливает напряжения верхнего (VU) и нижнего (VL) 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.

Ссылки

  1. Op Amps used as Comparators – is it okay?
  2. Comparators – what’s all the chatter?
  3. TI Precision Labs — Op Amps: Comparator Applications 1

Electronic Design

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *