Компараторы или схемы сравнения

Где применяется компаратор напряжения

Часто КН применяют в градиентном реле — схема, которая реагирует на скорость изменения сигнала, например, фотореле. Такое устройство может использоваться в тех ситуациях, когда освещение меняется довольно стремительно. Например, в охранных установках либо датчиках контроля выпущенных изделий на конвейерах, где прибор станет реагировать на прерывание светового потока.

Еще одна часто используемая схема — датчик измерения температуры и изменения «аналогового» сигнала в «электронный». Оба измерителя преобразовывают амплитуду входящего сигнала в ширину выходящего импульса. Такое превращение довольно часто применяется в разнообразных цифровых схемах. Преимущественно, в измерительных устройствах, блоках питания импульсного типа, электронных усилителях.

Как работает компаратор

Чтобы наглядно показать принцип работы быстрого компаратора с гистерезисом, необходимо рассмотреть устройство с несколькими выходами.

Применяя аналоговый сигнал в первом входе, который принято называть не инвертируемым, и выходе, считающимся инвертируемым, изделие использует пару одинаковых сигналов разной полярности. Когда значение аналогового входа больше, чем у его выхода, то такой выход будет положительной полярности. Это должно включить подготовленный коллектор транзистора в его цепи, который и необходимо было запустить. Однако когда вход имеет отрицательную полярность, то электрический сигнал будет очень маленького значения, поэтому коллектор транзистора будет оставаться закрытым.

Почти всегда фазовый компаратор способен воздействовать на входы в схемах логических элементов, и поэтому работает по уровню напряжения питающей сети. Другими словами, это устройство способно преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой формат. Подобный принцип работы помогает не уточнять значение нужного выходного сигнала, потому что устройство постоянно обладает захватом петли гистерезиса и конечным коэффициентом усиления.

Как сделать компаратор своими руками?

Кто умеет читать принципиальные схемы и паять, без труда соберет простейшие компараторы для использования в быту. Область применения весьма обширна. На них можно построить массу конструкций с минимальными затратами. Простейший компаратор – это операционный усилитель без положительной обратной связи.

В качестве основы для компаратора используется ОУ серии LM339. Для контроля и наглядности работы схемы введены красный и зеленый индикаторы

При подключении питания на ОУ должен засветиться один из светодиодов, причем какой из них — неважно. Это определяется множеством факторов: сетевые наводки на схему, особенности партии и параметров ОУ

Даже если взять несколько одинаковых микросхем, получатся различные результаты.

Если входной сигнал близок к «0» – будет светиться зеленый, а если близкое к напряжению питания, то красный светодиод. Затем можно попробовать сменить логическое состояние компаратора, подав на один из входов напряжение равное, например, половине напряжения питания ОУ. Сигнал на выходе не зависит от абсолютного значения напряжений на прямом и инверсном входе. А только от разницы напряжений.

Данные опыты демонстрируют работу компаратора без ПОС. Такой компаратор может быть использован там, где не требуется особой точности измерений. Такими приборами являются бытовые термостаты, зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов, устройства десульфатации (восстановления) автоаккумуляторов, фотореле.

Принципиальная схема

Теперь подробнее. Сигнал с выхода УНЧ поступает на разделительный трансформатор Т1. В качестве данного трансформатора используется дроссель на Ш-образном сердечнике с двумя обмотками. Обмотки одинаковые, небольшого сопротивления (по 200-300 витков).

Аналогичные дроссели используются во многих источниках питания бытовой теле, видео, аудиотехники, а так же компьютерной. Дроссель готовый, но при необходимости его можно намотать и самому.

Так как обмотки Т1 низкоомные подключать вход СМУ нужно к выходу УМЗЧ, то есть, параллельно или вместо акустической системы, либо к телефонному выходу для подключения наушников (если при этом не происходит автоматического отключения основных акустических систем).

Если же необходимо подавать сигнал исключительно с линейного выхода аппаратуры нужно сделать дополнительный УМЗЧ для работы с светомузыкальной приставкой, например, на основе популярной микросхемы К174УН14 или любой другой УМЗЧ.

Без трансформатора подавать сигнал на вход нельзя, потому что лампами управляют тиристоры, и вся схема СМУ оказывается под потенциалом электросети, что может привести как к поражению током через аудиоаппаратуру, так и к повреждению аудиоаппаратуры.

Рис. 1. Принципиальная схема цветомузыки на микросхеме LM324 и оптосимисторах.

Подстроечный резистор R1 служит для общей регулировки уровня сигнала. Плюс, перед каждым полосовым фильтром есть свой дополнительный регулятор (резисторы R2-R5), регулирующий уровень сигнала в своем частотном канале. С помощью этих резисторов можно корректировать чувствительность каналов в зависимости от желания, практически можно сказать, что ими регулируется «цветовой тембр».

Все активные фильтры построены по одинаковым схемам полосовых фильтров. Они выделяют полосы с центральными частотами, подписанными на схеме. Средняя частота полосы каждого фильтра зависит от емкостей двух конденсаторов, которые должны быть одинаковыми. В остальном все номиналы деталей фильтров совпадают.

Фильтры выполнены на операционных усилителях, а они, как известно, требуют двухполярного питания. К сожалению, в выбранной схеме источника питания организовать двухполярное питание хотя и возможно, но все же проблематично.

Поэтому решено было питать ОУ от однополярного источника напряжением 12V, а для того чтобы обеспечить их нормальную работу подать на положительный вход половину напряжения питания, полученную с помощью делителя напряжения R18-R19. Таким образом, в схеме есть четыре операционных усилителя из одной микросхемы LM324.

После ОУ сигналы выделенных полос поступают на диодные детекторы, каждый на двух диодах, включенных по схеме с удвоением напряжения. На выходных конденсаторах (С4, С8, С12, С16) этих детекторов выделяется постоянное напряжение, поступающее на управляющий электрод тиристоров.

Изначально предполагалось параллельно каждому из этих конденсаторов включить по одному резистору сопротивлением 10-50 кОм, но при налаживании выяснилось что при использовании тиристоров MCR106-8 в этом нет никакой необходимости. И резисторы эти были убраны из схемы.

Если же вы будете использовать другие тиристоры, которые возможно «не захотят» закрываться, эти резисторы придется установить (одни были подключены параллельно конденсаторам С4, С8, С12, С16), и подобрать экспериментально их сопротивления.

При использовании тиристоров MCR106-8 максимальная мощность нагрузки каждого канала может достигать 900W. При мощности до 200W радиатор не требуется, а при более высокой мощности он нужен, так как тиристоры будут перегреваться. Выходные каскады можно сделать и по другим схемам, например, на оптосимисторах.

В этом случае напряжения с конденсаторов С4, С8, С12, С16, нужно подавать на базы дополнительных транзисторных ключей, в коллекторных цепях которых будут включены светодиоды оптосимисторов (через необходимые токоограничительные резисторы). Кстати, если в этом случае питать «электронику» от источника напряжением 12V, выполненного на трансформаторе, то не будет никакой необходимости во входном трансформаторе, а сигнал можно будет подавать с линейного выхода аппаратуры непосредственно на R1.

Питание операционных усилителей

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как  +U и -U, V_CC и V_EE, Vc и V_E. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять – двухполярное питание?

Давайте представим себе батарейку

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть “плюс” и есть “минус”.  В этом случае “минус” батарейки принимают за ноль,  и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Улучшение параметров дифференциального усилителя

Основными недостатками вышеописанной схемы дифференциального усилителя являются низкое сопротивление и возникновение трудности изменить коэффициент усиления, так как соотношение сопротивлений должно быть достаточно точно согласовано.

Первый недостаток связан с тем, что входным сопротивлением дифференциального усилителя являются по сути сопротивления резисторов R1 и R2, которые имеют величину от единиц до десятков кОм. При увеличении величин этих сопротивлений приходится увеличивать сопротивления R3 и R4, что приводит к уменьшению полосы пропускания усилителя и появлению дополнительных шумов. Решением данной проблемы является изолирование и развязка входов дифференциального усилителя при помощи двух повторителей напряжения по схеме неивертирующего усилителя. Схема такого дифференциального усилителя представлена ниже

Схема увеличения входного сопротивления дифференциального усилителя на ОУ.

Схема состоит из двух операционных усилителей включённых по схеме повторителя напряжения, входное сопротивление которых очень велико (десятки-сотни МОм), поэтому сопротивление источника сигнала практически не влияет на входное напряжение. На нагрузке R_H итоговое напряжение будет зависеть от разности входных напряжений

Особенностью данной схемы является то, что она имеет дифференциальный выход, то есть сопротивление нагрузки подключается только к выходам операционных усилителей DA1 и DA2

Для решения, проблемы упрощения регулирования коэффициента усиления дифференциального усилителя, может быть применена схема состоящая, как и предыдущая из двух повторителей напряжения с включением на дифференциальном выходе, параллельно сопротивлению нагрузки, дополнительно трёх последовательных резисторов. Данная схема изображена ниже

Схема дифференциального усилителя, позволяющая регулировать коэффициент усиления одним резистором.

Данная схема состоит из двух ОУ DA1 и DA2, включённых по схеме повторителя напряжения и резисторов R1, R2 и R3, причём R1 = R3 = R.

Работа данной схемы объясняется следующим образом. В соответствии с принципом виртуального замыкания, напряжение между инвертирующим и неинвертирующим входом ОУ равно нулю, поэтому на резисторе R2 напряжение будет равно разности между напряжениями U_BX1 и U_BX1.

Тогда ток, протекающий через резистор R2, составит

Так как резисторы R1, R2 и R3 включены последовательно, то такой же ток протекает и через резисторы R1 и R3. Тогда, с учётом того что R1 = R3 = R, выходное напряжение на сопротивлении нагрузки составит

Легко заметить, что выходное напряжение зависит от отношения сопротивлений R1, R2 и R3, поэтому изменяя величину сопротивления резистора R2 можно изменять величину выходного напряжения, а, следовательно, и коэффициент усиления схемы. Приняв отношение сопротивлений R и R2, за некоторый коэффициент пропорциональности можно несколько упростить выражение для выходного напряжения

Вышеописанные дифференциальные усилители имеют один недостаток: работа усилителя возможна только на незаземлённую (плавающую) нагрузку, то есть нагрузка не должна быть соединена с землёй. Для устранения данного недостатка необходимо на выход схемы добавить усилитель с дифференциальным входом и несимметричным выходом. Таким усилителем является простейший дифференциальный усилитель, рассмотренный вначале статьи. Получившаяся схема носит название измерительного или инструментального усилителя.

Автоколебательный мультивибратор на ОУ

Автоколебательный мультивибратор или просто мультивибратор называют генератор прямоугольных импульсов. В его основе лежит триггер Шмитта или компаратор с гистерезисом, но в отличие от триггера напряжение в мультивибраторе формируется интегрирующей цепочкой R1C1. Ниже приведена схема мультивибратора на ОУ

Схема автоколебательного мультивибратора на операционном усилителе.

Данный мультивибратор состоит из операционного усилителя DA1, который охвачен положительной обратной связью через резисторы R2R3 и отрицательной обратной связью при помощи интегрирующей цепочки R1C1.

Рассмотрим работу мультивибратора. В основе работы мультивибратора лежит триггер Шмитта, который создается ПОС при помощи резисторов R2R3. Так как опорное напряжение триггера равно нулю, то напряжение верхнего порогового уровня будет равно

а нижнего порога переключения триггера

Таким образом, в момент подачи питания конденсатор полностью разряжен, то есть на инвертирующем входе ОУ напряжение равно нулю. В тоже время на выходе ОУ, вследствие неидеального ОУ, присутствует некоторое положительное напряжение, часть которого через ПОС R2R3 поступает на неинвертирующий вход ОУ. Далее происходит усиление этого напряжения и на выходе ОУ происходит дальнейший рост напряжения.

Напряжение с выхода ОУ поступает также через цепочку R1C1, но вследствие того, что интегрирующая цепочка задерживает сигнал, то рост напряжения на конденсаторе С1, а следовательно и на инвертирующем входе будет происходить медленнее, чем на неинвертирующем. И в результате разность напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входе будет расти, а следовательно будет происходить рост выходного напряжения.

В некоторый момент времени напряжение на конденсаторе U_C (а также на инвертирующем входе) достигнет напряжения верхнего порогового уровня U_ВП триггера Шмитта и выходное напряжение U_ВЫХ скачком станет равным отрицательному напряжению насыщения U_НАС-. В результате чего ток через резистор R1 изменится на противоположный, а конденсатор С1 начнёт разряжаться. Разряд конденсатора будет происходить до напряжения нижнего порога переключения U_ВП триггера. После этого также скачкообразно произойдёт переключение выходного напряжения с отрицательного насыщения к положительному напряжению насыщения U_НАС+ триггера Шмитта. Данные переключения иллюстрирует график расположенный ниже

График напряжений в мультивибраторе: на выходе мультивибратора (верхний) и на конденсаторе С1 (нижний).

Частота выходных импульсов мультивибратора зависит от постоянной времени интегрирующей цепочки R1C1, а также от ширины петли гистерезиса и в общем случае определяется следующим выражением

Не трудно заметить, что при

В случае равенства сопротивлений резисторов в цепи ПОС R2 и R3 соотношения будут выглядеть следующим образом

Выбор операционного усилителя

Следящее питание — это способ использования практически любого монолитного операционного усилителя для получения на выходе большого размаха напряжения колебаний сигнала. Тем не менее, необходимо выбрать операционный усилитель, который может работать с достаточно высоким напряжением питания. Приведённое выше сравнение показывает преимущество такого подхода. Сотни общедоступных операционных усилителей работают от источников питания 30 или 40 В, поэтому избегайте выбора такового с максимальным напряжением VCC всего 5 или 10 В. Кроме того, индивидуальные системные требования определяют какую точность, скорость и другие параметры должен иметь операционный усилитель. Некоторые важные параметры, которые следует учитывать, следующие:

Выходной ток: при большом размахе выходного напряжения даже нагрузка 2 K может потреблять значительный ток.

Входной ток смещения: резисторы большого номинала в цепях обратной связи позволяют использовать входной каскад на МОП-транзисторах.

Скорость нарастания выходного напряжения: ограничение скорости нарастания может искажать сигналы переменного тока большой амплитуды.

Таблица 4 показывает несколько операционных усилителей от Analog Devices, подходящих для схем со следящим питанием, включая как МОП, так и биполярные входные каскады. Этот список не является исчерпывающим. Каждое применение следящего питания имеет уникальный набор требований к параметрам операционного усилителя, поэтому если то, что вам нужно, отсутствует в этом списке, посмотрите предложения разных производителей операционных усилителей. Независимо от задачи, выбор операционного усилителя требует знания требований данного подхода к дизайну. Используйте уравнения, чтобы ответить на следующие вопросы:

Какая скорость нарастания выходного напряжения нужна вашему дизайну? (См. Уравнения 19 и 20.)

Как напряжение смещения и ток смещения будут влиять на ошибку на выходе? (См. Уравнения 21, 24 и 25.)

Будет ли входной каскад с большим диапазоном входных напряжений или большее напряжение питания устройства (максимальное значение VS) значительно улучшать параметры? (См. Уравнения 9, 14, 15, 17, 21, 24 и 25.)

Имейте также в виду, что входной каскад с МОП-транзисторами может позволить использовать резисторы с большими номиналами в цепи обратной связи с минимальным влиянием на общую ошибку на выходе.

Таблица 4. Некоторые подходящие для схем со следящим питанием операционные усилители и их основные параметры

Название	Тип	VOS	IB	VIHRH	VIHRL	VOHRH	VOHRL	IOUT	GBP	SR	maxVs
AD711	FET	300μV	15pA	0.5V	3.5V	1.1V	1.7V	25mA	4MHz	20V/μs	36V
AD820	FET	100μV	2pA	1V	-0.2V	0.01V	0.005V	15mA	1.9MHz	3V/μs	36V
AD825*	FET	1mV	10pA	1.5V	1.5V	1.6V	1.6V	26mA	46MHz	140V/μs	36V
AD843*	FET	1mV	50pA	3V	2V	3.5V	2.4V	50mA	24MHz	250V/μs	36V
AD845	FET	700μV	750pA	4.5V	2V	2.5V	2.5V	25mA	16MHz	100V/μs	36V
OP176	FET	1mV	350nA	4.5V	4.5V	1.5V	1.5V	40mA	10MHz	25V/μs	44V
OP42	FET	1.5mV	130pA	2.5V	2.5V	3.1V	2.5V	25mA	10MHz	50V/μs	40V
AD817*	BIP	500μV	3.3μA	0.7V	1.6V	1.3V	1.3V	50mA	50MHz	350V/μs	36V
AD841*	BIP	800μV	3.5μA	3V	3V	5V	5V	50mA	40MHz	300V/μs	36V
AD847*	BIP	500μV	3.3μA	0.7V	1.6V	1.4V	1.4V	20mA	50MHz	300V/μs	36V
OP07*	BIP	30μV	1nA	1V	1V	2V	2V	25mA	600KHz	0.3V/μs	44V
OP113*	BIP	150μV	600nA	1V	0V	1V	0.5V	20mA	3.4MHz	1.2V/μs	36V
OP177*	BIP	10μV	2nA	1V	1V	1V	1V	25mA	600KHz	300V/μs	44V
OP183*	BIP	100μV	300nA	1.5V	0V	0.75V	0.09V		5KHz	15V/μs	36V
OP184*	BIP	175μV	80nA	0V	0V	0.15V	0.15V	10mA	4.25MHz	4V/μs	36V
OP193*	BIP	150μV	20nA	1V	0V	0.86V	0.28V	10mA	35KHz	0.015V/μs	36V
OP27*	BIP	30μV	15nA	2.7V	2.7V	2.2V	2.2V	25mA	8MHz	2.8V/μs	44V
OP77*	BIP	50μV	1.2nA	1V	1V	1V	1V	25mA	600MHz	300V/μs	44V
OP90*	BIP	125μV	4nA	1V	0V	0.8V	0.01V	20mA	20KHz	0.012V/μs	36V
OP97*	BIP	30μV	30pA	1V	1V	1V	1V	20mA	900KHz	0.2V/μs	40V

* Устройство не подвержено реверсу фазы

Нужна ли нам схема с буферизацией тока?

Операционные усилители, разумеется, универсальны, но их область применения ограничена ограничениями выходного тока. Можно ожидать, что обычный операционный усилитель будет непрерывно выдавать ток не более чем 30 или 40 мА. Хотя некоторые компоненты могут работать с токами, близкими к 100 мА, другие будут пытаться дать вам хотя бы 10 мА. Существует особая категория усилителей с высоким выходным током, ток которых приближается или даже превышает 1000 мА. Если компонент с высоким выходным током совместим с вашим приложением, обязательно используйте его.

Но есть несколько причин, по которым вы можете предпочесть буферизовать выход усилителя более общего назначения. Во-первых, некоторые усилители с высоким выходным током представляют собой сложные компоненты, предназначенные для специализированных применений, и, следовательно, они менее универсальны и более дороги – например, LT1210, компонент от Linear Tech, который может выдавать 1100 мА, обойдется вам в 12 долларов, если вы покупаете в розницу. Кроме того, некоторые компоненты с высоким выходным током (включая LT1210) являются усилителями с обратной связью по току, и вы не можете просто вставить устройство с обратной связью по току в схему, разработанную для топологии с обратной связью по напряжению.

К счастью, на самом деле нет необходимости использовать усилители с высоким выходным током, когда всё, что вам нужно, это простая схема на операционном усилителе плюс мощный выходной каскад. Вы можете использовать один из 75-центовых усилителей общего назначения, которые есть у вас в лаборатории/мастерской/гараже, и объединить его со стандартными компонентами (стоимостью тоже около доллара), и вы получите схему, которая вам нужна.

Общие сведения

Компаратор — это сравнивающее устройство. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения непрерывно изменяющихся сигналов. Входные аналоговые сигналы компаратора суть U_вх — анализируемый сигнал и U_оп — опорный сигнал сравнения, а выходной U_вых — дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации:

(1)

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор — это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.

Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (рис. 1).

Рис. 1. Характеристики компараторов

Рис. 2. Процессы переключения компараторов

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину |U1_вых — U_вых| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (эпюра 1 на рис. 2) при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Такую характеристику можно имитировать двумя способами — или просто использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, или ввести положительную обратную связь.

Рассмотрим первый путь. Как бы велико усиление не было, при U_вх близком к нулю характеристика будет иметь вид рис. 1а. Это приведет к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении U_вх выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем (эпюра 2 на рис. 2). Еще хуже то, что при таком медленном изменении Uвх около нуля выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием помех (так называемый «дребезг», эпюра 3). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (рис. 1б). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (эпюра 4 на рис. 2), но существенно уменьшает или даже устраняет дребезг U_вых.

В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель (ОУ) так, как это показано на рис. 3. Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако, вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD₁ и диод VD₂.

Рис. 3. Схема компаратора на ОУ

Пусть R₁ = R₂. Если U_вх — U_оп > 0, то диод VD₂ открыт и выходное напряжение схемы небольшое отрицательное, равное падению напряжения на открытом диоде. При U_вх — U_оп < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации U_ст. Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных микросхем (ИМС), входы которых подключены к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме. Многие типы ОУ не допускают сколько-нибудь существенное входное дифференциальное напряжение. Включение по схеме на рис. 3 обеспечивает работу ОУ в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными и синфазными входными напряжениями. Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в линейном режиме со 100%-ной обратной связью. Используя для построения компаратора обычные ОУ, трудно получить время переключения менее 1 мкс.