Opori-osveshenia.ru

Опоры освещения
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Использование ОУ в качестве компаратора

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.

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:
Инверсия фазы

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.

Читайте так же:
Формула сопротивления для последовательного соединения

Разница между дифференциальным операционным усилителем и компаратором

В чем разница между дифференциальным операционным усилителем и компаратором? Я знаю, что компаратор может дать мне только два значения (значения предложения).

Дифференциальный операционный усилитель усиливает разницу между входами . но разве компаратор не должен делать то же самое? Какая конкретная разница?

В первом приближении разницы нет. Аналогичный вопрос может быть «в чем разница между двигателем постоянного тока и генератором?» Любой из них будет работать в любом качестве, но каждый оптимизирован для максимизации определенных качеств за счет других в соответствии с предполагаемым применением.

Давайте сравним внутреннюю схему для общего операционного усилителя TL072 и общего компаратора LM339 :

TL072

TL072 электрическая схема

LM339

LM339 электрическая схема

    вход
  1. очень высокий коэффициент усиления

TL072 использует JFET для ввода. Это связано с тем, что JFET обеспечивают очень высокий входной импеданс, что желательно для операционного усилителя. Большая часть анализа операционных усилителей предполагает, что токи смещения (токи, проходящие через входы) равны нулю, но это верно только в той степени, в которой входной импеданс бесконечен. Для компаратора требуется высокий входной импеданс, чтобы избежать чрезмерной загрузки источника, но не так важно, чтобы входной импеданс был очень высоким.

LM339 имеет выход с открытым коллектором . Для компаратора это хорошо, потому что он позволяет ему взаимодействовать с любым количеством выходных напряжений через подтягивающий резистор или тривиально реализовать проводную или шину. Вы не захотите этого для операционного усилителя, потому что обычно вы хотите, чтобы операционный усилитель был так же хорош в источнике тока, как и в случае его подавления, чтобы ваш выходной сигнал был симметричным. Обратите внимание на выход двухтактной пары NPN-PNP TL072.

LM339 может выдавать выходной сигнал до 0,2 В или до благодаря выходу с открытым коллектором. TL072 определяет размах выходного напряжения когда когда нагрузка меньше 2 . В с с ± 10 В В с с знак равно 15 В 2 К Ω

Опытный разработчик ИС, вероятно, мог бы указать на большее количество различий, кроме одной схемы. Я не из тех, но я вижу различия в таблицах. Например, я не вижу коэффициента подавления синфазного сигнала или источника питания, гармонических искажений или коэффициента шума, указанных для LM339. Их можно было бы измерить для компаратора, и вы найдете их в каждой спецификации операционного усилителя, но для приложения компаратора эти параметры не особенно актуальны, поэтому они не указаны, и, если бы они были, скорее всего, были бы очень бедные.

Читайте так же:
Длинная шина для бензопилы

Таким образом, в любом случае вы можете использовать операционный усилитель в качестве компаратора или компаратор в качестве операционного усилителя, если ваши требования не очень требовательны. Учитывая разницу в том, как указаны детали, может быть невозможно узнать из спецификаций, как они будут работать.

Они одинаковы, если вы используете дифференциальный усилитель в режиме насыщения . тогда он выполняет функцию компаратора.

Но в основном Дифференциальный Усилитель — это Усилитель, который переносит его в ANALOG DOMAIN.

Компаратор дает сравнение входного напряжения с эталонным напряжением и выдает либо напряжение Vdd, либо Vss , это двоичное поведение переносит его в ЦИФРОВОЙ ДОМЕН .

TI Application Report Операционные усилители и компараторы — не путайте их! 1 дает информативное сравнение операционных усилителей и компараторов. Суммируя пункты, выделенные в отчете:

Выходы компараторов иногда представляют собой открытый коллектор / сток для цифровой работы. Выходы нескольких компараторов могут быть связаны друг с другом для формирования логического элемента NAND:введите описание изображения здесь

Однако выход операционного усилителя всегда аналоговый, предназначенный для линейной работы.

Компараторы обычно работают с разомкнутым контуром, тогда как операционные усилители обычно работают с замкнутым контуром. Компаратор может быть использован с замкнутым контуром , чтобы добавить гистерезис, хотя:введите описание изображения здесь

Операционный усилитель, предназначенный для работы в замкнутом контуре, оптимизирован для применения в замкнутом контуре. Результаты при использовании операционного усилителя без обратной связи непредсказуемы. Ни один производитель полупроводников, включая Texas Instruments, не может и не будет гарантировать работу операционного усилителя, используемого в разомкнутом контуре. Транзисторы с аналоговым выходом, используемые в операционных усилителях, предназначены для вывода аналоговых сигналов и поэтому имеют большие линейные области. Транзисторы проведут чрезмерное количество времени в линейной области до насыщения, что увеличит время нарастания и спада.

.

Дизайн выходного каскада операционного усилителя — плохая новость для дизайнера, которому нужен компаратор с быстрым временем отклика. Транзисторы, используемые для выходных каскадов ОУ, не являются переключающими транзисторами. Это линейные устройства, предназначенные для точного вывода аналоговых сигналов. При насыщении они могут не только потреблять больше энергии, чем ожидалось, но они также могут зависать. Время восстановления может быть очень непредсказуемым. Одна партия устройств может восстановиться за микросекунды, другая — за 10 миллисекунд. Время восстановления не указано, поскольку оно не может быть проверено. В зависимости от устройства, оно может вообще не восстановиться. Ускоренное разрушение выходных транзисторов является явной возможностью в некоторых устройствах типа «железная дорога».

«Операционный усилитель и компараторы — не путайте их!», Брюс Картер, стр. 7-8

В целом, операционные усилители рекомендуются для линейной работы и компараторы для сравнения напряжения. Это можно использовать определенные операционные усилители как компараторы с конфигурацией открытым контура, но производительность в таком режиме в будет плохой и / или непредсказуемый по сравнению с компаратором. И некоторые операционные усилители могут быть разрушены при использовании в такой конфигурации.

Читайте так же:
Краскопульт для мелких работ

Компаратор из операционного усилителя

Мы рассмотрели работу транзисторного ключа и убедились, что схема с ОЭ в ключевом режиме обладает характерными особенностями. Мы выявим аналогичные особенности ОУ, если рассмотрим его работу в нелинейном режиме (рис. 3.8, а).

Рис. 3.8. ОУ как компаратор: а — схема; б — передаточная характеристика

На рис. 3.8, б приведена передаточная характеристика ОУ. В гл. 2 мы ограничились рассмотрением только линейного участка АОВ, когда . При выходное напряжение ОУ ограничено значением ты. Это ограничение напряжения вызвано тем, что при больших сигналах транзисторы выходных каскадов ОУ работают в ключевом режиме, при этом предельно достижимое выходное напряжение немного меньше ЭДС источника питания (см. рис. 3.8, а). Таким образом, передаточная характеристика ОУ содержит участок положительного насыщения и отрицательного насыщения

Поскольку ОУ очень велик, то напряжение весьма мало. В идеальном ОУ . В реальных ИМС не более нескольких милливольт (в § 2.9 мы уже сделали важный вывод, что на линейном участке ). Таким образом, можно считать, что при , а при . Значит, выходное напряжение ОУ при зависит от того, какое из входных напряжений больше, и ОУ является схемой сравнения напряжений (компаратором).

Компараторы являются одним из основных элементов импульсных схем, мы будем неоднократно с ними встречаться в дальнейшем.

На рис. 3.9 показаны входные напряжения компаратора, причем принято, что — синусоидальное напряжение, а — постоянное. Компаратор переключается в моменты равенства ивул — , и выходное напряжение имеет форму прямоугольных импульсов (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Напряжения на входе и выходе компаратора

Рис. 3.10. Схема компаратора с положительной обратной связью. Передаточная характеристика компаратора с положительной обратной связью

Ширина этих импульсов при заданной амплитуде синусоиды зависит от величины . Таким образом, мы убедились, что простейший компаратор может служить преобразователем синусоидального напряжения в прямоугольное. В этой же схеме осуществляется преобразование напряжения в длительность импульса .

Читайте так же:
Что делает транзистор простыми словами

Наряду с простейшей схемой компаратора (см. рис. 3.8, а) находит широкое применение схема компаратора с ПОС (рис. ), называемая также пороговым элементом или триггером Шмитта. Начертание этой схемы напоминает схему рис. 2.18, а, но здесь применена ПОС через цепочку , а входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ.

На рис. построена передаточная характеристика этого компаратора. Объясним ее ход. При значительном отрицательном напряжении на инвентирующем входе ОУ . Напряжение на прямом входе ОУ вызвано воздействием . Найдем его методом суперпозиции, учитывая, что для обоих напряжений цепочка выполняет роль делителя:

Компаратор будет в режиме насыщения при . При произойдет переключение компаратора. Остановимся на этом процессе подробнее.

При выходное напряжение ОУ начнет уменьшаться. Отрицательное приращение Аивык по цепочке ПОС поступит на прямой вход ОУ, и появится отрицательное . ОУ усилит это приращение, и на выходе появится , которое вновь вызовет изменение напряжения на прямом входе ОУ . Процесс будет развиваться лавинообразно и завершится, когда достигает значения . Таким образом, ПОС ускоряет процесс переключения компаратора. Такой ускоренный ход переключения какого-либо устройства под действием ПОС носит название регенеративного процесса.

Отрицательное насыщение ОУ будет сохраняться при При уменьшении до значения произойдет новое переключение компаратора, процесс опять будет развиваться регенеративно и выходное напряжение мгновенно достигнет значения . Таким образом, передаточная характеристика компаратора рис. 3.10, а имеет гистерезисньзй характер и переключение компаратора при увеличении и уменьшении происходит при разных напряжениях Ширина петли гистерезиса увеличивается с увеличением отношения .

Мы установили, что введение ПОС в ключевые схемы позволяет значительно ускорить процессы переключения устройств. Однако регенеративные схемы обладают и характерным недостатком: вблизи порога срабатывания их помехоустойчивость мала. Весьма малая помеха может вызвать приращение , которое приведет к возникновению регенеративного процесса переключения. Повышение помехоустойчивости импульсных устройств, содержащих регенеративные узлы, нередко представляет собой трудную техническую задачу.

9.1. Компараторы

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

Читайте так же:
Дифференциальный автомат и узо отличия

Поэтому можно считать.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector