Įtampos komparatorius yra maža grandinė, kuri patikrina dvi įtampas ir suteikia aiškią HIGH arba LOW išvestį. Jis veikia kaip paprastas "taip" arba "ne" testeris, paverčiantis besikeičiančius signalus skaitmenine logika. Jis naudojamas daugelyje įrenginių, nuo maitinimo šaltinių iki jutiklių, nes yra greitas, patikimas ir lengvai prijungiamas prie skaitmeninių sistemų.
Įtampos komparatoriaus apžvalga
Įtampos komparatorius yra pagrindinis grandinės elementas, skirtas palyginti dvi įvesties įtampas ir pateikti aiškią skaitmeninę išvestį. Kai neinvertuojanti įvestis (VIN+) viršija invertuojančią įvestį (VIN−), išvestis persijungia į HIGH būseną (1 logika), o kai VIN+ nukrenta žemiau VIN−, išvestis pasikeičia į LOW būseną (logika 0). Šis staigus perėjimas leidžia komparatoriui veikti kaip sprendimų priėmimo įrenginiui, kuris klasifikuoja analoginius signalus į skaitmeninius loginius lygius. Iš esmės jis veikia kaip vieno bito analoginis-skaitmeninis keitiklis (ADC), paverčiantis nuolatinius įtampos svyravimus galutinėmis dvejetomis būsenomis, kurias gali interpretuoti mikrovaldikliai, procesoriai ir skaitmeninės sistemos. Galite pasikliauti komparatoriais, skirtais slenksčio aptikimui, nulio kirtimo identifikavimui ir bangos formos formavimui daugybėje programų, pradedant galios elektronika ir ryšio grandinėmis ir baigiant įterptųjų sistemų sąsajomis.
Komparatorius vs operacinis stiprintuvas
| Funkcija | Lygintuvas | Op-Amp (atviro ciklo naudojimas) |
|---|---|---|
| Projektavimo tikslas | Greitas perjungimas, slenksčio aptikimas | Linijinis signalo stiprinimas |
| Įvesti bendrąjį režimą | Dažnai geležinkelis į bėgį arba išplėstas atstumas | Ribotas, paprastai tik tiekimo bėgiams |
| Išeigos etapas | Draugiškas logikai (atviras rinktuvas / stūmimas-traukimas) | Neoptimizuota loginio lygio išėjimams |
| Sklidimo delsa | Labai greitas (nuo nanosekundžių iki mikrosekundžių) | Lėtesnis, labai skiriasi |
| Sodrumo elgsena | Sukurtas švariam perėjimui iš bėgio į bėgį | Nerekomenduojama, prisotinimas sukelia vėlavimą |
Apversti ir neapversti komparatoriaus operacija
Komparatorius gali veikti dviem pagrindiniais būdais, priklausomai nuo to, kaip prijungta įvestis. Jie vadinami apverčiančiais ir neapverčiančiais režimais.
• Neinvertuojantis režimas – signalas patenka į neinvertuojantį įėjimą (VIN+). Jei šis signalas viršija etaloninę įtampą (VREF), išėjimas persijungia į HIGH. Išėjimas tiesiogiai seka įvestį.
• Invert Mode – signalas perduodamas į apvertimo įvestį (VIN−). Jei šis signalas nukrenta žemiau etaloninės įtampos (VREF), išėjimas persijungia į HIGH. Tokiu atveju išvestis veikia priešingai arba yra apversta.
| Režimas | DIDELĖS galios sąlyga | Logikos kryptis |
|---|---|---|
| Neinvertuojantis | VIN+ > VREF | Tiesioginis |
| Apvertimas | VIN− < VREF | Apverstas |
Histerezė komparatoriuose ir Schmitto trigeris
Kai komparatorius naudojamas su triukšmingais arba lėtai besikeičiančiais signalais, išėjimas gali greitai persijungti pirmyn ir atgal netoli slenksčio. Šis nepageidaujamas greitas perjungimas vadinamas plepėjimu. Norėdami išvengti šios problemos, dizaineriai naudoja histerezę, kuri įveda du skirtingus perjungimo taškus, o ne tik vieną.
• Viršutinis trigerio taškas (UTP): įvesties įtampos lygis, kai išėjimas keičiasi iš LOW į HIGH.
• Apatinis trigerio taškas (LTP): įvesties įtampos lygis, kai išėjimas keičiasi iš HIGH į LOW.
Tai reiškia, kad lyginamasis vaistas nereaguoja į nedidelius svyravimus aplink slenkstį. Vietoj to, signalas turi kirsti viršutinį tašką, kad įsijungtų, ir nukristi žemiau apatinio taško, kad išjungtų.
Įtampos komparatoriaus išvesties tipai
Atviro kolektoriaus išėjimas
Naudoja BJT su atidarytu kolektoriumi. Reikia išorinio traukimo rezistoriaus, kad būtų užtikrinta DIDELĖ galia. Įprasta laidinėje AND logikoje ir lygio poslinkyje.
Atviro nutekėjimo išėjimas
Panašus į atvirą kolektorių, bet naudoja MOSFET. Taip pat reikalingas traukimo rezistorius. Dažnai naudojamas CMOS projektuose ir bendrose autobusų linijose.
"Push-Pull" išvestis
Aktyviai vairuoja tiek HIGH, tiek LOW būsenas be rezistoriaus. Užtikrina greitą perjungimą ir švarius loginius signalus tiesioginei sąsajai.
Su TTL suderinama išvestis
Sukurta taip, kad atitiktų TTL loginius slenksčius. Naudinga senesnėms arba senesnėms sistemoms, kuriose vis dar naudojami TTL įrenginiai.
Su CMOS suderinama išvestis
Siūlo įtampos svyravimą nuo bėgio iki bėgio su mažu energijos suvartojimu. Geriausiai tinka šiuolaikinėms mažos galios, CMOS pagrįstoms skaitmeninėms grandinėms.
Atviro spindulio arba ECL tipo išvestis
Užtikrina labai greitą perjungimą su mažais įtampos svyravimais. Naudojamas didelės spartos duomenų, radijo dažnių ir ryšio programose.
Langų komparatorius
Langų komparatorius yra grandinė, nustatanti, ar įėjimo įtampa patenka į tam tikrą viršutinę ir apatinę ribą. Jis sukurtas naudojant du komparatorius: vienas lygina įvestį su apatiniu slenksčiu, o kitas - su viršutine riba. Kombinuota loginė išvestis rodo, ar signalas yra lango viduje, ar už jo ribų.
Kai įvesties įtampa išlieka apibrėžtame diapazone, išėjimas signalizuoja apie galiojančią būseną, o tai reiškia, kad sistema veikia normaliai. Jei įtampa viršija arba neviršija nustatytų ribų, išėjimas rodo gedimo būklę, todėl reikia imtis apsauginių ar korekcinių veiksmų.
Langų komparatoriaus programos
• Akumuliatoriaus būklės stebėjimas, siekiant užtikrinti, kad įtampa išliktų saugioje zonoje.
• Temperatūros reguliavimo grandinės su aukštomis ir žemomis saugos ribomis.
• Maitinimo šaltinio stebėtojai, kurie nustato per mažą arba per didelę įtampą.
Įprastos lyginamosios IC šeimos
| Modelis | Kanalai | Išvesties tipas | Tiekimo diapazonas | Aprašymas |
|---|---|---|---|---|
| LM311 | Vienvietis | Atviras kolektorius | ±15 V arba 5–30 V | Klasikinis, greitai perjungiamas komparatorius. Jis gali tiesiogiai valdyti apkrovas ir dažnai naudojamas valdymo ir matavimo sistemose. |
| LM393 | Dvigubas | Atviras kolektorius | 2–36 V | Populiarus tiek pomėgių, tiek pramonės grandinėse. Užtikrina patikimą veikimą ir yra plačiai naudojamas bendrosios paskirties dizainui. |
| LM339 | Keturračiai | Atviras kolektorius | 2–36 V | Ekonomiškas pasirinkimas, siūlantis keturis komparatorius vienoje pakuotėje. Dažnai naudojamas sąnaudoms jautriose arba vietą taupančiose programose. |
Patikimo komparatoriaus dizaino patarimai
| Patarimas | Ką tai reiškia |
|---|---|
| Pridėti histerezę | Padeda išlaikyti pastovią išvestį, kai įvesties signalas keičiasi lėtai arba kelia triukšmą. |
| Įvesties diapazono tikrinimas | Įsitikinkite, kad įvesties ttage išlieka diapazone, kurį gali apdoroti komparatorius. |
| Naudoti stabilią nuorodą | Etaloninė įtampa turi būti švari ir pastovi, kad išvestis būtų tiksli. |
| Pasirinkite tinkamą traukimo rezistorių | Mažas rezistorius leidžia greičiau perjungti, bet sunaudoja daugiau energijos. Didesnis rezistorius taupo energiją, bet lėtina perjungimą. |
| Nenaudokite op-amps kaip komparatorių | Op-amps nėra sukurtas greitam perjungimui. Tikras lygintuvas veikia geriau. |
|Debounce jutiklio įėjimai | Mechaniniai jutikliai, tokie kaip jungikliai, gali atšokti, todėl pridėkite histerezę ar grandines, kad juos išlygintumėte.
Komparatoriaus išvesties ir apkrovos sąsaja
Mikrovaldiklio įėjimai
Atviro kolektoriaus arba atviro nutekėjimo komparatoriams paprastai reikia traukiamųjų rezistorių. Šie prisitraukimai nustato išėjimo įtampą, kad ji atitiktų mikrovaldiklio loginį lygį (pvz., 3,3 V arba 5 V), todėl galima saugiai ir patikimai bendrauti.
Vairavimo relės arba varikliai
Komparatoriai negali tiesiogiai tiekti pakankamai srovės apkrovoms. Relėms, varikliams ar kitiems įrenginiams valdyti komparatoriaus išvestis naudojama tranzistoriui arba MOSFET, kuris saugiai perjungia didesnę srovę, valdyti.
Lygio poslinkis tarp sistemų
Atviro kolektoriaus išėjimai leidžia lengvai prijungti grandines, veikiančias esant skirtingai įtampai. Pavyzdžiui, komparatorius, veikiantis 5 V įtampoje, gali saugiai valdyti 3,3 V mikrovaldiklį, pasirinkdamas tinkamą traukimo rezistorių.
Skirtingos lyginamosios programos
Nulinio kirtimo aptikimas
Komparatoriai aptinka, kai kintamosios srovės signalas kerta nulį voltų, o tai naudinga fazių valdymui, bangos formos stebėjimui ir sinchronizavimo grandinėms.
Apsauga nuo viršįtampio ir per mažos įtampos
Jie stebi maitinimo įtampą ir suaktyvina apsauginius išjungimus, jei įtampa viršija saugias ribas.
Langų aptikimas
Naudodami du komparatorius, jie patikrina, ar signalas išlieka apibrėžtame diapazone. Paplitęs akumuliatorių būklės stebėjimo ir saugos sistemose.
Osciliatoriaus grandinės
Komparatoriai su grįžtamuoju ryšiu gali generuoti kvadratines bangas, naudojamas laiko nustatymo, laikrodžio generavimo arba PWM grandinėse.
Analoginis konvertavimas į skaitmeninį (ADC)
Naudojamas "flash" ADC, kur keli komparatoriai lygina įvestį su atskaitos lygiais, kad gautų skaitmeninius išėjimus.
Impulso pločio moduliacijos (PWM) valdymas
Jie lygina etaloninę bangos formą su trikampiu arba pjūklo danties signalu, kad sukurtų PWM signalus variklių pavaroms ir maitinimo šaltiniams.
Jutiklio signalo kondicionavimas
Komparatoriai triukšmingus analoginius signalus iš jutiklių (LDR, termistorių, jungiklių) paverčia švariais skaitmeniniais mikrovaldiklių signalais.
Išvada
Įtampos komparatoriai yra paprastos grandinės, kurios kintančią įtampą paverčia aiškiais skaitmeniniais signalais. Jie gali dirbti skirtingais režimais, naudoti histerezę stabilumui užtikrinti ir palaikyti įvairius išvesties tipus, kad būtų lengva sąveikauti. Įprasti stebėjimo, valdymo ir apsaugos užduotyse, jie išlieka esmine elektronikos dalimi, mažinančia atotrūkį tarp analoginių įėjimų ir skaitmeninių sistemų.
Dažnai užduodami klausimai [DUK]
Ar komparatorius gali veikti su kintamosios srovės signalais?
Taip, bet jis persijungs kiekvienoje sankryžoje. Histerezė padeda sumažinti triukšmo perjungimą.
Kodėl reikia pridėti histerezę prie komparatoriaus?
Tai apsaugo nuo greito perjungimo, kurį sukelia triukšmas ar lėti įvesties pokyčiai.
Ką daryti, jei įėjimai viršija bendrojo režimo diapazoną?
Komparatorius gali duoti neteisingus rezultatus arba nustoti tinkamai veikti.
Ar komparatoriai sunaudoja daug energijos?
Ne, dauguma naudoja mažai energijos. Greitaeigiai modeliai sunaudoja daugiau.
Ar komparatorius gali valdyti tokias apkrovas kaip šviesos diodai ar varikliai?
Ne, jam reikia tranzistoriaus arba MOSFET, kad būtų galima valdyti didesnes sroves.
Kokios klaidos nutinka naudojant komparatorius?
Dažniausios klaidos yra traukiamųjų rezistorių trūkumas, op-ampų naudojimas kaip komparatoriai arba histerezės pamiršimas.