Op-amp komparatoriai suteikia paprastą būdą palyginti įtampą ir konvertuoti analoginius signalus į aiškius aukštus arba žemus išėjimus. Jie plačiai naudojami slenksčio grandinėse, tačiau patikimas veikimas priklauso nuo jų elgesio ir ribų supratimo. Šiame straipsnyje paaiškinama, kaip jie veikia, kaip juos konfigūruoti ir kada juos praktiška naudoti.
Komparatoriaus apžvalga
Komparatorius yra grandinė, kuri lygina dvi įėjimo įtampas ir keičia savo išėjimo būseną pagal tai, kuri yra didesnė. Jis paverčia analoginį lygį paprastu slenksčio sprendimu, nustatant, ar signalas yra didesnis ar mažesnis už nustatytą nuorodą.
Ši funkcija dažniausiai naudojama slenksčio aptikimui. Pavyzdžiui, jutiklio įtampą galima palyginti su atskaitos lygiu, kad būtų galima suaktyvinti veiksmą, kai pasiekiama sąlyga. Tokiais atvejais dažnai pridedama histerezė, kad būtų išvengta nestabilaus perjungimo, kurį sukelia nedideli pokyčiai.
Kaip operacinis stiprintuvas veikia kaip komparatorius
Operacinis stiprintuvas (op-amp) gali veikti kaip komparatorius, kai naudojamas be grįžtamojo ryšio. Šiuo režimu jis sustiprina įtampos skirtumą tarp įėjimų, kol išėjimas pasiekia vieną iš savo ribų.
Jei neinvertuojanti įvestis (+) yra didesnė už invertuojančią įvestį (–), išvestis yra aukšta. Jei atsitinka priešingai, išėjimas sumažėja. Skirtingai nuo linijinio veikimo, operacinis stiprintuvas yra prisotintas, sukuriant aiškų aukštą arba mažą išvestį, o ne proporcingą signalą. Išėjimas juda link tiekimo bėgių, nors jis gali jų nepasiekti, nebent operacinis stiprintuvas yra bėgis-bėgis.
Norint užtikrinti tinkamą veikimą, įvesties įtampa turi išlikti operacijos amp bendrojo režimo diapazone, net ir naudojant vieną maitinimo šaltinį. Kai suprantama pagrindinė operacija, kitas žingsnis yra apibrėžti, kaip komparatorius yra prijungtas ir kur jis perjungiamas.
Komparatoriaus konfigūracija ir slenksčio projektavimas
Op-amp komparatorių galima prijungti dviem įprastais būdais: neapverčiant arba apverčiant.
Neinvertuojantis komparatorius
• Įvesties signalas → neinvertuojantis (+) gnybtas
• Atskaitos → apverstas (–) gnybtas
• Išvestis tampa AUKŠTA, kai įvestis viršija atskaitos tašką
Apverstas komparatorius
• Įvesties signalas → apverčiamas (–) gnybtas
• Etaloninis → neapverčiantis (+) gnybtas
• Išvestis sumažėja, kai įvestis viršija atskaitos tašką
Etaloninė įtampa nustato perjungimo tašką. Jis gali būti pagamintas su rezistoriaus dalikliu paprastose grandinėse arba su zeneriu ar tikslumo nuoroda, kai reikia geresnio stabilumo. Jei etalonas nėra stabilus, triukšmas arba įtampos poslinkis šalia slenksčio gali sukelti klaidingą perjungimą.
Histerezės naudojimas stabiliam perjungimui
Histerezė padaro komparatorių stabilesnį, nes sukuria du perjungimo slenksčius, o ne vieną, per teigiamą grįžtamąjį ryšį. Viršutinis slenkstis nustato tašką, kai išėjimas tampa AUKŠTAS, o apatinis slenkstis nustato tašką, kai išvestis tampa ŽEMA. Šis Schmitt paleidimo veiksmas padeda išvengti klaidingo perjungimo, kai įvestis yra triukšminga arba keičiasi lėtai.
Neinverčiančiame komparatoriuje histerezę galima pridėti prijungiant rezistorių iš išėjimo atgal į neinvertuojantį įėjimą. Šis grįžtamasis ryšys perkelia efektyvų perjungimo slenkstį priklausomai nuo dabartinės išėjimo būsenos. Kai išvestis yra AUKŠTA, slenkstis šiek tiek juda aukštyn. Kai išėjimas yra ŽEMAS, jis šiek tiek juda žemyn. Skirtumas tarp šių dviejų slenksčių vadinamas histerezės pločiu.
Grįžtamojo ryšio rezistorius kontroliuoja, kiek histerezės pridedama. Didesnis rezistorius suteikia siauresnę histerezę, o mažesnis rezistorius - platesnę histerezę. Vertę reikia pasirinkti atsargiai, nes per maža histerezė gali neslopinti triukšmo, o per daug gali sumažinti jautrumą tikriems signalo pokyčiams. Histerezė ypač naudinga jutiklių grandinėse ir kitose lėtai besikeičiančiose įvesties programose, kurias reikia švariai perjungti.
"Op-Amp" ir "Dedicated Comparator" palyginimas
| Aspektas | Op-amp naudojamas kaip komparatorius | Specialus komparatorius |
|---|---|---|
| Perjungimo greitis | Lėtesnis dėl riboto pasukimo greičio ir vidinės kompensacijos | Greitesnis ir sukurtas perjungimo operacijoms |
| Išėjimo reakcija | Paveiktas sklidimo delsos | Greičiau reaguoja į įvesties pakeitimus |
| Energijos suvartojimas | Gali būti didesnis, kai įvažiuojama į sodrumą | Paprastai geriau tinka perjungimo efektyvumui |
| Įvesties diapazonas | Ribojama bendrojo režimo įvesties apribojimų | Paprastai skirta komparatoriaus įvesties operacijai |
| Išeigos lygis | Gali nepasiekti idealaus bėgio lygio be bėgių ir bėgių pajėgumų | Užtikrina švaresnius skaitmeninio stiliaus rezultatus |
| Signalų valdymas | Gali sulėtėti arba būti netikslūs dėl greitai besikeičiančių signalų | Geriau greitiems ir aukšto dažnio signalams |
| Išvesties tipas | Standartinė operacinio stiprintuvo išvesties pakopa | Dažnai apima atviro arba atviro kolektoriaus išėjimus |
| Geriausias naudojimo atvejis | Paprastos, mažos spartos programos | Greitos, aukšto dažnio arba laiko atžvilgiu svarbios programos |
Op-Amp komparatoriaus programos
Op-amp komparatoriai naudojami grandinėse, kurioms reikalingi paprasti įtampa pagrįsti sprendimai, tokie kaip:
Aptikimas
• Temperatūros slenksčio valdymas – perjungia šildytuvą, ventiliatorių arba signalizaciją, kai jutiklio įtampa viršija nustatytą lygį
• Šviesos jutimo grandinės – nustato, kada aplinkos šviesa pakyla virš pasirinktos ribos arba nukrenta žemiau jos
Apsauga
• Akumuliatoriaus įtampos stebėjimas – rodo, kai akumuliatoriaus įtampa tampa per žema arba pasiekia reikiamą įkrovimo lygį
• Apsauga nuo viršįtampio arba per mažos įtampos – išjungiama, įspėjama arba izoliuojama, kai maitinimo įtampa išeina už saugaus diapazono ribų
Signalo elgesys
• Nulio kirtimo aptikimas – identifikuoja, kai kintamoji srovė arba kintanti bangos forma kerta 0 V laiko nustatymo ar sinchronizavimo tikslais
• Lygio aptikimas analoginiuose signaluose – konvertuoja kintančią įvestį į aiškią ON/OFF išvestį valdymo logikai
Kiekvienu atveju besikeičiantis signalas paverčiamas aiškia išvesties būsena, kurią gali naudoti likusi grandinės dalis.
Išvada
Operacinis stiprintuvas gali veikti kaip grandinių, kurioms reikalingas paprastas įtampos slenksčio aptikimas, komparatorius. Patikimas veikimas priklauso nuo tinkamos konfigūracijos, stabilios nuorodos ir histerezės naudojimo, kad būtų išvengta nestabilaus perjungimo. Tačiau reikia atsižvelgti į greičio, įvesties diapazono ir išvesties veikimo apribojimus. Greitesniam reagavimui ar sudėtingesnėms sąlygoms tinkamesnį sprendimą pateikia specialūs komparatoriai.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Kuo skiriasi pasukimo greitis ir sklidimo delsa komparatoriuje?
Pasukimo greitis apibrėžia, kaip greitai keičiasi išėjimo įtampa, o sklidimo delsa yra laikas nuo įvesties pakeitimo iki išėjimo atsako pradžios.
Ar operacinis amp komparatorius gali aptikti labai mažus įtampos skirtumus?
Taip, bet tikslumas priklauso nuo poslinkio įtampos ir triukšmo. Nedideliems skirtumams gali prireikti filtravimo arba tikslaus operacinio stiprintuvo.
Kodėl op-amp komparatorius sukuria lėtą arba suapvalintą išvestį?
Tai lemia ribotas pasukimo greitis ir vidinė kompensacija, kuri neleidžia greitai pereiti.
Kada operacijos stiprintuvas neturėtų būti naudojamas kaip komparatorius?
To reikėtų vengti didelės spartos, didelio dažnio ar kritinio laiko nustatymo programose, kur reikalingas greitas perjungimas.
Kaip pasirinkti histerezės vertes?
Nustatykite histerezę pakankamai plačią, kad atmestų triukšmą, bet pakankamai mažą, kad išlaikytų jautrumą. Tai kontroliuoja grįžtamojo ryšio rezistoriaus santykis ir išėjimo svyravimas.
