/ / Op-amp Comparator og Op-amp Comparator Circuit

Op-amp Comparator og Op-amp Comparator Circuit

Operasjonsforsterkere

De Op-amp komparator sammenligner ett analogt spenningsnivå med et annet analogt spenningsnivå, eller noen forhåndsinnstilte referansespenning, VREF og produserer et utgangssignal basert på dettespenningssammenligning. Med andre ord sammenligner forsterkerens komparator størrelsen på to spenningsinnganger og bestemmer hvilken som er den største av de to.

Vi har sett i tidligere opplæringsprogrammer atOperasjonsforsterker kan brukes med negativ tilbakemelding for å kontrollere størrelsen på utgangssignalet i den lineære regionen som utfører en rekke forskjellige funksjoner. Vi har også sett at standard operasjonsforsterker kjennetegnes av sin åpningsløpsøkning AO og at utgangsspenningen er gitt av uttrykket: VUTE = AO(V + - V-) hvor V + og V- svarer til spenningene ved henholdsvis de ikke-inverterende og inverterende terminaler.

Spenningskomparatorer På den annen side bruker du enten positiv tilbakemeldingeller ingen tilbakemelding (åpen sløyfe modus) for å bytte utgang mellom to mettede tilstande, fordi i forsterkingsmodus er forsterkerne spenningsøkning i utgangspunktet lik AVO. Da på grunn av denne høye åpne sløyfe gevinst, denUtgangen fra komparatoren svinger enten helt til sin positive forsyningsskinne, + Vcc eller helt til sin negative forsyningsskinne, -Vcc ved påføring av varierende inngangssignal som overgår noen forhåndsinnstilt terskelverdi.

Open-loop opp-amp komparatoren er en analog krets som opererer i sin ikke-lineære region som endringer i de to analoge inngangene, V + og V- gjør at den oppfører seg som en digital bistabilt Enheten som utløser fører til at den har tomulige utgangsstater, + Vcc eller -Vcc. Da kan vi si at spenningskomparatoren er i hovedsak en 1-bit analog til digital omformer, da inngangssignalet er analogt, men utgangen opptrer digitalt.

Vurder den grunnleggende op-amp spenning komparator krets nedenfor.

Op-amp-komparatorkrets

op-amp komparator krets

Med henvisning til opp-amp-komparatorkretsen over, kan vi først anta at VI er mindre enn DC spenningsnivået ved VREF, (VI <VREF ). Da den ikke-inverterende (positive) inngangen til komparatoren er mindre enn den inverterende (negative) inngangen, vil utgangen være LOW og ved den negative forsyningsspenningen, -Vcc resulterer i en negativ metning av utgangen.

Hvis vi nå øker inngangsspenningen, vil VI slik at verdien sin er større enn referansespenningen VREF På inverteringsinngangen bytter utgangsspenningen høyt mot positiv forsyningsspenning, + Vcc som resulterer i en positiv metning av utgangen. Hvis vi reduserer igjen inngangsspenningen VI, slik at den er litt mindre enn referansespenningen, bytter opp-amp-utgangen tilbake til den negative metningsspenningen som virker som en terskelvarsler.

Da kan vi se at op ampspennings komparatoren er en enhet hvis utgang er avhengig av verdien av inngangsspenningen, VI med hensyn til noe likspenningsnivå somutgangen er høy når spenningen på den ikke-inverterende inngangen er større enn spenningen på inverteringsinngangen og LOW når den ikke-inverterende inngangen er mindre enn den inverterende inngangsspenningen. Denne tilstanden er sant uansett om inngangssignalet er koblet til inverterings- eller ikke-inverteringsinngangen til komparatoren.

Vi kan også se at verdien av utgangenspenningen er helt avhengig av strømforsyningens strømforsyning. I teorien på grunn av op-ampere kan høy åpen-loop gain størrelsen på sin utgangsspenning være uendelig i begge retninger, (± ∞). Men praktisk talt, og av åpenbare årsaker, er det begrenset av op-ampsene, som gir VUTE = + Vcc eller VUTE = -Vcc.

Vi sa før den grunnleggende op-amp komparatorenproduserer en positiv eller negativ spenningsutgang ved å sammenligne inngangspenningen mot noen forhåndsinnstilte DC referansespenning. Generelt brukes en resistiv spenningsdeler for å sette inngangsreferansespenningen til en komparator, men en batterikilde, zenerdiode eller potensiometer for en variabel referansespenning kan alle brukes som vist.

Sammenligningsreferansespenninger

komparatorreferansespenninger

I teorien kan komparatorene referansespenningsettes til hvor som helst mellom 0v og forsyningsspenningen, men det er praktiske begrensninger på det aktuelle spenningsområdet, avhengig av at op-amp-komparatoren er en enhet som brukes.

Positive og Negative Voltage Comparators

En grunnleggende op-amp komparator krets kan brukes tiloppdage enten en positiv eller en negativ innspenning, avhengig av hvilken inngang av operasjonsforsterkeren vi kobler til den faste referansespenningskilden og inngangsspenningen også. I eksemplene ovenfor har vi brukt inverteringsinngangen for å sette referansespenningen med inngangsspenningen koblet til den ikke-inverterende inngangen.

Men også vi kunne koble inngangene tilkomparator omvendt vende utgangssignalet til det som er vist ovenfor. Deretter kan en op-amp komparator konfigureres til å fungere i det som kalles en inverterende eller en ikke-inverterende konfigurasjon.

Positiv spenningskomparator

Den grunnleggende konfigurasjonen for den positive spenningskomparatoren, også kjent som en inverterende komparatorkrets, oppdager når inngangssignalet VI er over eller mer positiv enn referansespenningen, VREF produserer en utgang på VUTE som er høy som vist.

Ikke-inverterende komparatorkrets

ikke-inverterende OP-amp komparator krets

I denne ikke-inverterende konfigurasjonen,referansespenning er koblet til inverteringsinngangen til driftsforsterkeren med inngangssignalet koblet til den ikke-inverterende inngangen. For å holde det enkelt, har vi antatt at de to motstandene som danner det potensielle delingsnettverket er like og: R1 = R2 = R. Dette vil gi en fast referansespenning som er halvparten av forsyningsspenningen, det vil si Vcc / 2, mens inngangsspenningen varierer fra null til forsyningsspenningen.

Når VI er større enn VREF, vil opp-amp-komparatoreffekten mette mot den positive tilførselsskinnen, Vcc. Når VI er mindre enn VREF OP-amp-komparatorene vil endre tilstanden og mette på den negative forsyningsskinnen, 0v som vist.

Negativ spenningskomparator

Den grunnleggende konfigurasjonen for negativ spenningskomparatoren, også kjent som en inverterende komparatorkrets, oppdager når inngangssignalet, VI er under eller mer negativ enn referansespenningen, VREF produserer en utgang på VUTE som er høy som vist.

Inverterende komparatorkrets

inverterende op-amp komparator krets

I omvendt konfigurasjon, som ermotsatt av den positive konfigurasjonen over, er referansespenningen koblet til den ikke-inverterende inngangen til operasjonsforsterkeren mens inngangssignalet er koblet til inverteringsinngangen. Så når VI er mindre enn VREF OP-amp-komparatoreffekten vil mette mot den positive tilførselsskinnen, Vcc.

På samme måte er omvendt sant, når VI er større enn VREF, vil opp-amp-komparatoreffekten endre tilstand og mette mot den negative forsyningsskinnen, 0v.

Deretter avhengig av hvilke op-amp-innganger vi brukerfor signalet og referansespenningen kan vi produsere en inverterende eller ikke-inverterende utgang. Vi kan ta denne ideen om å oppdage enten et negativt eller positivt gåsignal ett skritt videre ved å kombinere de to op-amp-komparatorkretsene over for å frembringe en vinduskomparatorkrets.

Vindukomparator

EN Vindukomparator er i utgangspunktet den inverterende og de ikke-inverterende komparatorene ovenfor kombinert i et enkelt komparatortrinn. Vinduets komparator oppdager inngangsspenningsnivåer som er innenfor et bestemt bånd eller vindu av spenninger, i stedet for å indikere om en spenning er større eller mindre enn noen forhåndsinnstilt eller fastspenningsreferansepunkt.

Denne gangen, i stedet for å ha bare en referansespenningsverdien, vil en vinduskomparator ha to referansespenninger implementert av et par spenningskomparatorer. En som utløser en op-amp-komparator på deteksjon av noen øvre spenningsgrense, VREF (øvre) og en som utløser en op-amp komparator på deteksjon av et lavere spenningsnivå, VREF (lavere). Deretter kalles spenningsnivået mellom disse to øvre og nedre referansespenningene "vinduet", derav navnet.

Bruke ideen vår over en spenningsdelernettverk, hvis vi nå bruker tre likeverdige motstander slik at R1 = R2 = R3 = R kan vi lage en veldig enkel vindus komparator krets som vist. Også som motstandsverdiene er alle like, vil spenningsfallet over hver motstand også være lik ved en tredjedel av forsyningsspenningen, 1 / 3Vcc. Så i dette enkle eksempelet kan vi sette den øvre referansespenningen til 2 / 3Vcc og den nedre referansespenningen til 1 / 3Vcc. Vurder vinduet komparator krets nedenfor.

Window Comparator Circuit

vindu komparator krets

Når VI er under det lavere spenningsnivået, VREF (lavere) som tilsvarer 1 / 3Vcc, vil utgangen være LOW. Når VI overstiger dette 1 / 3Vcc lavere spenningsnivå, oppdager den første op-amp komparatoren dette og bytter utgangen HIGH til Vcc.

Som VI fortsetter å øke den passerer det øvre spenningsnivået, VREF (øvre) ved 2 / 3Vcc og den andre opp-amp-komparatoren oppdager dette og bytter utgangen tilbake LOW. Da er forskjellen mellom VREF (øvre) og VREF (lavere) (som er 2 / 3Vccc - 1 / 3Vcc i dette eksempelet) skaper brytervinduet for det positive gåsignalet.

La oss nå anta at VI er med sin maksimale verdi og lik Vcc. Som VI reduserer at den passerer det øvre spenningsnivået VREF (øvre) av den andre op-amp-komparatoren som bytter utgangen HIGH. Som VI fortsetter å redusere den passerer lavere spenningsnivå, VREF (lavere) av den første op-amp komparatoren igjen bytte utgangen LOW.

Da er forskjellen mellom VREF (øvre) og VREF (lavere) lager vinduet for det negative signalet. Så vi kan se at som VI passerer over eller passerer under de øvre og nedre referanse nivåene satt av de to opp-amp komparatorene, utgangssignalet VUTE vil være høy eller lav.

I dette enkle eksempelet har vi satt den øvre turennivå ved 2 / 3Vcc og lavere turtall ved 1 / 3Vcc (fordi vi brukte tre likeverdige motstander), men kan være noen verdier vi velger ved å justere inngangsterskelene. Som et resultat kan vindubredden tilpasses for et gitt program.

Hvis vi brukte en dobbel strømforsyning og satt de øvre og nedre turnivåene til å si ± 10 volt og VI var en sinusformet bølgeform, da kunne vi bruke dettevindu komparator krets som en null kryssing detektor av sinus bølge som ville produsere en utgang, høy eller lav hver gang sinus bølge krysset null volt linje fra positiv til negativ eller negativ til positiv.

Vi kan ta denne ideen om å oppdage spenningsnivåervidere ved å koble en rekke forskjellige op-amp-komparatorer sammen med dem alle ved hjelp av et felles inngangssignal, men med hver komparator bruker en annen referansespenning satt av vårt nå kjente spenningsdelernett over hele forsyningen. Tenk på spenningsnivåetektorkretsen nedenfor.

Komparator spenningsnivå detektor

spenningsnivå detektor

Som ovenfor gir spenningsdelingsnettverket ensett med referansespenninger for de enkelte opp-amp komparatorkretsene. For å produsere de fire referansespenningene vil det trenge fem motstander. Koblingen i bunnparet motstander vil produsere en referansespenning som er en femtedel av forsyningsspenningen, 1 / 5Vcc ved bruk av likeverdige motstander. Det andre paret 2 / 5Vcc, et tredje par 3 / 5Vcc og så videre, med disse referansespenningene øker med en fast mengde en femtedel (1/5) mot 5 / 5Vcc som faktisk er Vcc.

Når den vanlige inngangspenningen øker, vil utgangen fra hver op-amp-komparatorkretsbryter begynne med den nedre komparatoren, A4 og oppover mot A1 ettersom innspenningen øker. Så ved å sette verdiene til motstandene i spenningsdelernettverket, kan komparatørene konfigureres for å oppdage spenningsnivå. Et godt eksempel på bruk av spenningsnivå deteksjon og indikasjon ville være for en batterilevet monitor.

Også ved å øke antall op-ampkomparatorer i settet, kan flere triggerpunkter opprettes. Så hvis vi for eksempel hadde åtte OP-amp-komparatorer i kjeden og matet output fra hver komparator til en 8-til-3-linje Digital Encoder, kunne vi lage en veldig enkel analog-til-digital-omformer (ADC) som ville konvertere det analoge inngangssignalet til en 3-bit binær kode (0-til-7).

Op-amp-komparator med positiv tilbakemelding

Vi har sett her at operasjonsforsterkere kanKonfigureres til å fungere som komparatorer i åpen-sløyfe-modus, og dette er greit hvis inngangssignalet varierer raskt eller ikke er for mye støy. Men hvis inngangssignalet, VI er sakte å endre eller elektrisk støy er tilstede,så kan op-amp-komparatoren svinge om å bytte utgang frem og tilbake mellom de to metningstiltakene, + Vcc og -Vcc når inngangssignalet svinger rundt referansespenningen, VREF nivå. Én måte å overvinne dette problemet på og for å unngå at op-ampen kommer fra oscillerende er å gi positiv tilbakemelding rundt komparatoren.

Som navnet tilsier, positive tilbakemeldinger er en teknikk for å mate tilbake en del ellerbrøkdel av utgangssignalet som er i fase til den ikke-inverterende inngangen til op-ampen via en potensiell divider satt opp av to motstander, idet mengden av tilbakemelding er proporsjonal med forholdet deres.

Bruk av positiv tilbakemelding rundt en op amp-komparator betyr at når utgangen utløses til metning på et hvilket som helst nivå, må det være en signifikant endring i inngangssignalet VI før utgangen slår tilbake til det opprinnelige metningspunktet. Denne forskjellen mellom de to byttepunktene kalles hysterese produserer det som vanligvis kalles en Schmitt-utløserkrets. Vurder den inverterende komparatorkretsen nedenfor.

Inverterende Op-amp-komparator med hysterese

inverterende op amp komparator med hysterese

For den inverterende komparatorkrets over, VI brukes til den inverterende inngangen til op-amp. Motstandere R1 og R2 danner et spenningsdelernett over helekomparator som gir den positive tilbakemeldingen med en del av utgangsspenningen som opptrer ved den ikke-inverterende inngang. Mengden av tilbakemelding bestemmes av resistivforholdet mellom de to motstandene som brukes og som er gitt som:

Spenningsdelerlikning

spenningsdeler likning

Hvor: β (beta) kan brukes til å indikere tilbakemeldingsfraksjonen.

Når inngangssignalet er mindre enn referansespenningen, vil VI <VREF, vil utgangsspenningen være HIGH, VÅH og lik den positive metningsspenningen. Siden utgangen er høy og positiv, vil verdien av referansespenningen på den ikke-inverterende inngangen være omtrent lik: + β * Vcc kalt øvre turpunkt eller UTP.

Som inngangssignalet, VI øker det blir lik for denne øvre tippspenningen, VUTP nivå ved ikke-inverterende inngang. Dette fører til at komparatoreffektene endrer tilstanden blir LOW, VOL og lik den negative metningsspenningen som før.

Men forskjellen denne gangen er det et sekundturtallsspenningsverdien opprettes fordi en negativ spenning nå vises ved den ikke-inverterende inngangen som er lik: -β * Vcc som følge av den negative metningsspenningen ved utgangen. Deretter må inngangssignalet nå falle under dette andre spenningsnivået, kalt nedre turpunkt eller LTP for at spenningskomparatorene skal utgjøre om eller bytte tilbake til sin opprinnelige positive tilstand.

Så vi kan se at når utgangen endrer tilstand,Referansespenningen ved den ikke-inverterende inngangen endrer også oppretting av to forskjellige referansespenningsverdier og to forskjellige svitsjpunkter. En ringte nedre Øvre turpunkt (UTP) og den andre blir kalt Nedre turpunkt (LTP). Forskjellen mellom disse to turpoengene kalles hysterese.

Mengden hysterese bestemmes avtilbakemelding fraksjon, β av utgangsspenningen ført tilbake til ikke-inverterende inngang. Fordelen med positiv tilbakemelding er at den resulterende komparator Schmitt-utløserkretsen er immun mot uregelmessig utløsing forårsaket av støy eller langsomt endring av inngangssignaler i hysteresebåndet som produserer et renere utgangssignal, da ut-amp-komparatorene utgang bare utløses en gang.

Så for positive utgangsspenninger, VREF = + β * Vcc, men for negative utgangsspenninger, VREF = -β * Vcc. Da kan vi si at mengden spenningshysterese vil bli gitt som:

op amp komparator hysterese

Vi kan også produsere en ikke-inverterende op-amp komparator krets med innebygd hysterese ved å endre inngang og referanse terminaler som vist:

Ikke-inverterende Op-amp-komparator med hysterese

ikke inverterende op amp komparator med hysterese

Vær oppmerksom på at pilene på hysteresediagrammet viser retningen for bytte på øvre og nedre turspunkter.

Sammenligningseksempel No1

En operasjonsforsterker skal brukes med positiv tilbakemelding for å produsere en Schmitt-utløserkrets. Hvis motstanden, R1 = 10kΩ og motstand, R2 = 90kΩ, hva vil være verdiene for de øvre og nedre bryterpunktene til referansespenningen og hysteresens bredde hvis op-ampen er koblet til en dual ± 10v strømforsyning.

Gitt: R1 = 10kΩ, R2 = 90kΩ. Strømforsyning + Vcc = 10v og -Vcc = 10v.

Tilbakemelding fraksjon:

op amp komparator tilbakemelding fraksjon

Øvre spenningsuttak, VUTP

øvre spenningspunkt

Nedre spenningsuttak, VLTP

lavspenningspunkt

Hysteresbredde:

op amp komparator hysterese bredde

Så referansespenningen VREF, bytter mellom + 1V og -1V som utgangmettet fra ett nivå til det andre. Forhåpentligvis kan vi se fra dette enkle eksempel at bredden på denne hysteresen, totalt 2 volt, kan gjøres større eller mindre ved ganske enkelt å justere spenningsdelerforholdet mellom tilbakemotstandsresistansene R1 og R2.

Spenningssammenliggeren

Selv om vi kan bruke operasjonsforsterkere sliksom 741 som en grunnleggende komparatorkrets, er problemet med dette at op-ampere bare er optimalisert for lineær drift. Det er her inngangsterminaler er på stort sett det samme spenningsnivået og dets utgangsfase er konstruert for å produsere en lineær utgangsspenning som ikke er mettet i lange perioder. Også standard operasjonsforsterkere er utformet for å brukes i lukkede applikasjoner med negativ tilbakemelding fra utgangen til dens inverterende inngang.

En dedikert spenningskomparator derimoter en ikke-lineær enhet som gjør det mulig for tung metning, på grunn av sin høye gevinst, når inngangssignalene varierer med en relativt liten mengde. Forskjellen mellom en opp-amp-komparator og en spenningskomparator er i utgangsfasen, da en standard opp-amp har et utgangstrinn som er optimalisert for lineær drift, mens utgangstrinnet til en spenningskomparator er optimalisert for kontinuerlig mettet drift som den er alltid ment å være nær en tilførselsskinne eller den andre og ikke i mellom.

Kommersielle komparatorer som LM311 singelenkomparator, LM339 quad komparator eller LM393 dual differensial komparator, er spenningskomparatorer som kommer i en standard IC pakke som opererer fra en enkelt eller dobbel forsyning. Disse dedikert spenningskomparatorer er utformet for det eneste formålet med å bytte utgang veldig raskt fra en mettet tilstand, den annen som transistorene som brukes for et spenningskompensatorutgangsstad, er generelt koblingstransistorer.

Siden spenningskomparatorer konverterer en lineær inngangsignal til et digitalt utgangssignal, blir de vanligvis brukt til å koble to forskjellige elektriske signaler med forskjellige forsynings- eller referansespenninger. Som et resultat er utgangstrinnet til spenningskomparatoren generelt konfigurert som en enkelt åpen kollektor (eller Drain) transistorbryter med åpne eller lukkede tilstander i stedet for de faktiske utgangsspenninger som vist.

Spenningssammensetningskrets

spenningskomparator krets

Her sender den åpne samleren ut av spenningenkomparatoren er koblet til en spenningskilde via en enkelt opptrekksmotstand (og en LED for indikasjon) som trekker enkeltutgangen høyt til strømforsyningen. Når utgangsspaken er HØY, skaper den en høyimpedansbane, derfor strømmer ingen strøm som VUTE = Vcc.

Når komparatoren endrer tilstand og utgangbryteren er LOW, det skaper en lav impedansbane til bakken og strømmen strømmer gjennom opptrekksmotstanden (og LED) som forårsaker spenningsfall over seg selv mens utgangen blir trukket til det lavere forsyningsnivået, malt i dette tilfellet.

Da kan vi se at det er veldig liteforskjell mellom det skjematiske symbolet på en op-amp-komparator og en spenningskomparator eller deres interne kretser. Hovedforskjellen er i utgangstrinnet med åpen kollektor eller drenekonfigurasjon er nyttig for kjøreledere, lamper, etc. Ved å kjøre en transistor fra utgangen tillater det en større svitsjestrømkapasitet enn komparatorens utgang alene.

Op-amp-komparatoroppsummering

I denne veiledningen om Op-amp-komparator vi har sett at en komparatorkrets er i utgangspunktet en operasjonsforsterker uten tilbakemelding, det vil si at op-ampen brukes i sin åpen-loop-konfigurasjon, og når inngangsspenningen VI overstiger en forhåndsinnstilt referansespenning, VREF, endringene endrer tilstanden.

På grunn av den svært høye åpningsløpet avoperasjonsforsterker, bruker den med positiv tilbakemelding eller til og med uten tilbakemelding i det hele tatt fører til at utmatningen tilsettes til sin forsyningsskinne som produserer en av to forskjellige utgangsspenninger, avhengig av de relative verdiene for de to innganger. Denne bistabile oppførselen er ikke-lineær og danner grunnlaget for op-amp-komparatoren og Schmitt-utløserkretsene.

Utgangsfasen av dedikerte komparatorer, sliksom den enkle LM311, er dual LM393 eller quad LM339 designet for å operere i sine metningsområder som tillater at disse spenningskomparatorkretsene blir mye brukt i analog-til-digital-konverteringsapplikasjoner og for ulike typer spenningsnivåoppdagelseskretser.

Den uberegnelige bytteegenskapen til en åpen sløyfekomparator kan enkelt overvinnes ved å legge til positiv tilbakemelding mellom utgang og inngang på komparatoren. Med positiv tilbakemelding har kretsen hysterese med utgangsswitchen som forekommer mellom to forskjellige bryterpunkter, UTP og LTP.

Op-amp vindu komparatorer er en type spenningkomparator krets som bruker to op-amp komparatorer til å produsere en to-state utgang som indikerer hvorvidt inngangsspenningen er innenfor et bestemt område eller verdivindu med to referansespenninger. En øvre referansespenning og en lavere referansespenning.

Mens operasjonsforsterkere og komparatorer kanse lignende, de er svært forskjellige og konstruert for å brukes i forskjellige applikasjoner, da en op-amp kan brukes som komparator, kan en spenningskomparator ikke brukes som en forsterker på grunn av sin ikke-lineære utgangsstadium.

Vi vet fra tidligere tutorials at enOperasjonsforsterker er en analog enhet med en differensiell analog inngang og en analog utgang, og hvis den opereres i sin åpen-sløyfekonfigurasjon, virker utgangen som en komparatorutgang. Men dedikerte spenningskomparatorer (LM311, LM393, LM339) er allment tilgjengelige som vil utføre mye bedre enn en standard op-amp komparator.

Kommentarer (0)
Legg til en kommentar