Компаратор на основі операційного підсилювача. Плюси і мінуси

1. У чому реальні відмінності між операційним підсилювачем і компаратором?
2. Робота компаратора
3. шуми
4. Дізнайтесь більше

Журнал РАДІОЛОЦМАН, лютий 2018

Lou Frenzel

Electronic Design

Взагалі кажучи, зробити з операційного підсилювача хороший компаратор неможливо. Щоб отримати оптимальні характеристики і не витрачати додатковий час на налагодження, найкраще використовувати спеціалізовану мікросхему компаратора.

Компаратор - відмінна схема, оскільки забезпечує майже ідеальний перехід від аналогового сигналу до цифрового. Компаратор виглядає як пристрій з двома лінійними вхідними сигналами, рівень цифрового виходу якого може бути або високим, або низьким, в залежності від співвідношення вхідних сигналів. Просто, але дуже корисно.

Якщо у вашому пристрої повинна бути подібна схема, найкраще використовувати мікросхему компаратора, призначену саме для таких додатків. Однак багатьом розробникам відомо, що стандартний операційний підсилювач (ОУ) також можна використовувати в якості компаратора. Це особливо привабливо в тих випадках, коли в пристрої залишається незадіяний ОУ, і його використання не потребує ні додаткових витрат, ні місця на друкованій платі.

Однак, цілком можливо, що вийшов з ОУ компаратор не виправдає ваших очікувань, і його характеристики, можливо, будуть далекі від оптимальних. Помилки, обумовлені непрофесійним підходом, можуть привести до того, що час розробки і налагодження набагато перевищить плановане. Найкраще, якщо вам потрібен компаратор, і ви хочете уникнути проблем і отримати найкращий можливий результат, використовувати мікросхему компаратора.

У чому реальні відмінності між операційним підсилювачем і компаратором?

Основні відмінності між ними такі:

• Вбудовані ланцюга фазової корекції, необхідні для забезпечення стійкості ОУ, роблять пристрій занадто повільним для операцій перемикання.
• Вхідні каскади ОУ зазвичай захищені діодами або додатковими транзисторами, які нерідко перешкоджають використанню ОУ в схемі компаратора.
• Вихідний каскад ОУ розрахований на використання в лінійному режимі. При двополярної харчуванні його вихідна напруга змінюється від однієї шини харчування до іншого, і для використання в цифрових схемах вимагає зміщення рівнів.
• Вихідний каскад істинного компаратора сконструйований для роботи в режимі насичення зі стандартними логічними рівнями сигналів. Часто його вихід робиться за схемою з відритим колектором (стоком).
• Для установки коефіцієнта посилення і інших характеристик схеми ОУ зазвичай включається з резисторами зворотний зв'язок. Компаратор, як правило, працює з розімкненим петлею, тобто, без зворотного зв'язку.
• У порівнянні з ОУ компаратори мають менші часи затримки і дуже високу швидкість наростання вихідної напруги.

Незважаючи на зовнішню схожість, дві схеми різні і призначені для різних додатків.

Так чи можна використовувати ОУ в якості компаратора? [ 1 ] Можливо. Багато інженерів використовують. Нерідко так роблять, коли потрібно лише один компаратор, а в корпусі зчетвереної ОУ залишився «вільний» підсилювач. Необхідна для стійкої роботи ОУ фазова корекція означає, що такий компаратор буде дуже повільним, але якщо особливих вимог до швидкодії не пред'являється, може бути досить і операційного підсилювача. Іноді такий підхід цілком прийнятний, але в деяких випадках він непридатний.

Робота компаратора

Один із способів розібратися з роботою компаратора - вивчити базову конфігурацію ОУ, показану на рисунку 1а. Підсилювач має дуже великий коефіцієнт посилення без зворотного зв'язку (AOL >> 1000). Те, що він підсилює, - це різниця між двома входами V1 і V2. Вихідна напруга одно

Через високого коефіцієнта посилення для позитивного або негативного насичення виходу великого вхідного диференціального сигналу (V2 - V1) не потрібно. Наприклад, при напрузі джерела живлення ± 5 В і коефіцієнті посилення без зворотного зв'язку, що дорівнює 100,000, вихідна напруга досягне шини харчування при диференціальному вхідному сигналі з рівнем 5 / 100,000 = 50 мкв або вище. Передатна характеристика вхід-вихід зображена на рисунку 1б.

Істинний компаратор працює від одного джерела живлення, як правило, того ж, який використовується для цифрової логіки. Вихід через підтягаючий резистор підключений до шини харчування (Малюнок 2а). На входи компаратора подані опорна напруга VREF і сигнал VIN, рівень якого порівнюється з опорним рівнем. В якості опорного і сигнального може використовуватися будь-який з двох виходів компаратора. Зазвичай опорна напруга постійно, а вхідний сигнал змінюється. Компаратор може включатися в двох основних конфігураціях:

• Инвертирующая:
  VIN підключається до інвертується входу підсилювача (-), а VREF - до неінвертуючий (+) входу (Малюнок 2). Якщо VIN> VREF, рівень вихідної напруги низький. Якщо VIN <VREF, рівень вихідної напруги високий.
  
• неінвертуючий:
  (Підключення входів протилежне зображеному на рисунку 2). VIN підключається до неінвертуючий вхід підсилювача (+), а VREF - до інвертується (-). Якщо VIN> VREF, рівень вихідної напруги високий. Якщо VIN <VREF, рівень вихідної напруги низький.

На рисунку 2 показана інвертується схема з фіксованим постійною опорною напругою і сигналом трикутної форми (Малюнок 2в). Поки вхідна напруга нижче порога, рівень виходу залишається високим (див. Передавальну характеристику на рисунку 2б). Коли вхідний сигнал перевищить поріг, вихід переключиться в низький стан. Потім під час спаду вхідного сигналу рівень виходу знову стане високим.

шуми

Однією з найпоширеніших проблем, що виникають є шум або багаторазові короткочасні перемикання виходу поблизу порогових рівнів компаратора. Цей так званий «брязкіт» виникає при повільному зміні вхідного сигналу і може стати причиною неправильної роботи програми. Це буде відбуватися навіть при дуже чистих вхідних сигналах, оскільки компаратори, як і ОУ, мають власні шуми. До такого ж ефекту іноді призводять перешкоди, що виникають при великих перегонах вихідної напруги, які можуть проникати назад на вхід через шини харчування або інші ланцюга.

Єдиним способом вирішення цієї проблеми може бути використання гістерезису [ 2 ] (Малюнок 3). Опорна напруга подається через два резистора, що забезпечують регенеративную, або позитивний зворотний зв'язок, яка збільшує швидкість перемикання і практично повністю виключає брязкіт.

Гістерезис встановлює напруги верхнього (VU) і нижнього (VL) порогів перемикання навколо опорного рівня. Невелике вікно, або мертва зона, забезпечує вільне від брязкоту чисте перемикання виходу. Резистори R1 і R2 задають порогові напруги, рівні яких можуть бути розраховані за допомогою таких висловів:

Дізнайтесь більше

Якщо ви хочете більше дізнатися про специфіку використання операційних підсилювачів в якості компараторів, зверніть увагу на навчальні курси Texas Instruments . Урок 14 [ 3 ] Присвячений принципам роботи компаратора і опису його ключових характеристик по постійному і змінному струму. Розказано, як додати гістерезис для захисту компаратора від вхідних шумів, а також наведені аргументи «за» і «проти» використання ОУ в якості компараторів.

посилання