Компаратор из операционного усилителя

Операционные усилители. Часть 3

В третьей части цикла мы рассмотрим, полезные схемы на операционном усилителе. Это будут схемы компаратора и повторителя напряжения. Предлагаем вам ознакомиться также и с предыдущими частями: часть 1, часть 2.

Схема аналогового компаратора на операционном усилителе

Эта схема сравнивает два напряжения, и в зависимости от их состояния переводит сигнал на выходе в высокое или низкое состояние. Можно сказать, что эта система сочетает в себе аналоговую и цифровую электронику.

Она довольно интересна, так как не имеет обратной связи (в базовой версии), это в свою очередь говорит о том, что сопротивление петли бесконечно большое.

На положительный вход мы подаем обрабатываемый сигнал, а на отрицательный вход фиксированное (опорное) напряжение, устанавливаемое потенциометром. Так как петля обратной связи отсутствует, то коэффициент усиления бесконечно большой.

Когда напряжение входного сигнала превысит значение опорного напряжения, на выходе мы получим максимальное напряжение, т. е. напряжение питания операционного усилителя. Когда же напряжение на входе станет ниже опорного, то на выходе будет минусу питания.

Такая работа схемы имеет один существенный недостаток, а именно: ситуация, когда величина напряжения на обоих входах будет очень близка друг к другу, может стать причиной очень частого изменения напряжения на выходе. Это может привести к пропускам срабатывания реле, включение и отключение нагревателей, что может привести к частым сбоям. Что бы этого избежать используют системы с гистерезисом.

Схема аналогового компаратора с гистерезисом на операционном усилителе

Диаграмма работы схемы с гистерезисом схожа, с той лишь разницей, что включение и выключение не происходит при одном и том же напряжении.

Читая такой график, следует обратить внимание на направление стрелок, они показывают направление движения гистерезиса. Следуя слева направо мы видим, что переход к низкому уровню происходит только при напряжении Uph, а перемещаясь справа налево выходное напряжение достигнет высокого уровня только при напряжении Upl.

Такое решение приводит к тому, что в момент, когда напряжения на входах равны, то на выходе не происходит изменение состояния, для этого необходимо чтобы напряжения отличались на значительную величину.

Правда, такое решение вызывает определенную инертность системы, но, безусловно, это безопаснее по сравнению со схемой без гистерезиса. Часто такую работу можно наблюдать в нагревательных устройствах, содержащих термостат (утюги, плиты и т. д.). Ниже представлена принципиальная схема на операционном усилителе, реализующая гистерезис:

А вот зависимость, которая позволяет рассчитать все напряжения:

Схема повторителя напряжения на операционном усилителе

Повторитель напряжения — это одна из самых простых схем с использованием операционного усилителя. Его главной и единственной особенностью является то, что система не усиливает и не ослабляет сигнал, то есть, проще говоря, k=1. Эта особенность связана с нулевым сопротивлением петли обратной связи.

Такого рода системы применяются в основном в качестве буфера, например, для повышения работоспособности и тока нагрузки. Поскольку входной ток почти равен нулю, а выходной ток зависит от типа усилителя, то можно легко разгрузить маломощные источник сигнала, как например, некоторые датчики.

Компараторы

Компаратор — это электронная схема, которая сравнивает два входных сигнала, которые к нему применяются, и выдает выходной сигнал. Выходное значение компаратора указывает, какой из входов больше или меньше. Обратите внимание, что компаратор подпадает под нелинейные применения микросхем.

Операционный усилитель состоит из двух входных клемм и, следовательно, компаратор на основе операционного усилителя сравнивает два входных сигнала, которые к нему применяются, и выдает результат сравнения в качестве выходного. В этой главе обсуждаются компараторы на основе операционных усилителей .

Типы компараторов

Компараторы бывают двух типов: инвертирующие и неинвертирующие . В этом разделе подробно обсуждаются эти два типа.

Инвертирующий Компаратор

Инвертирующий компаратор представляет собой компаратор на основе ОУ , для которого опорного напряжение подается на его неинвертирующий терминал и входное напряжение подаются на его инвертирующий терминал. Этот компаратор называется инвертирующим компаратором, потому что входное напряжение, которое нужно сравнить, подается на инвертирующий вывод операционного усилителя.

Принципиальная схема инверторного компаратора показана на следующем рисунке.

Работа инверторного компаратора очень проста. Он производит одно из двух значений, + V с е л и − V с е л на выходе на основе значений его входных напряжений V I и опорное напряжение V и с х ,

Выходное значение инвертирующего компаратора будет − V с и д е л , для которых входной сигнал V я напряжение больше, чем опорное напряжение V реф.

Выходное значение инвертирующего компаратора будет V + с и д е л , для которых входной сигнал V я меньше, чем опорное напряжение V реф.

пример

Обратим форму волны выходного инвертирующего компаратора, когда синусоидальный входной сигнал и опорное напряжение нуля вольт применяются к его инвертирующим и неинвертирующим терминалов соответственно.

Работа инвертирующего компаратора, показанного выше, обсуждается ниже —

Во время положительного полупериода синусоидального входного сигнала напряжение, присутствующее на инвертирующем выводе операционного усилителя, больше нуля вольт. Следовательно, выходное значение инвертирующего компаратора будет равно − V s a t во время положительного полупериода синусоидального входного сигнала.

Аналогично, во время отрицательного полупериода синусоидального входного сигнала напряжение, присутствующее на инвертирующей клемме операционного усилителя, меньше нуля вольт. Следовательно, выходное значение инвертирующего компаратора будет равно + V s a t во время отрицательного полупериода синусоидального входного сигнала.

На приведенном ниже рисунке показаны входные и выходные формы волны инвертирующего компаратора, когда опорное напряжение равно нулю вольт.

На рисунке, показанном выше, мы можем наблюдать, что выходные переходы либо из − V s a t в + V s a t , либо из + V s a t в − V s a t всякий раз, когда синусоидальный входной сигнал пересекает ноль вольт. Другими словами, выход меняет свое значение, когда вход пересекает ноль вольт. Следовательно, вышеупомянутая схема также называется инвертирующим детектором пересечения нуля.

Неинвертирующий компаратор

Неинвертирующий компаратор представляет собой компаратор на основе ОУ, для которого опорного напряжение подается на его инвертирующий терминал и входное напряжение подается на его неинвертирующий терминал. Этот компаратор на основе операционного усилителя называется неинвертирующим компаратором, поскольку входное напряжение, которое необходимо сравнить, подается на неинвертирующий вывод операционного усилителя.

Принципиальная схема неинвертирующего компаратора показана на следующем рисунке.

Работа неинвертирующего компаратора очень проста. Он производит одно из двух значений, + V с е л и − V с е л на выходе на основе значений входного напряжения V T и опорного напряжения V + реф ,

Выходное значение неинвертирующего компаратора будет V + с и д е л , для которой входного напряжения V я больше, чем опорное напряжение + V и с х .

Выходное значение неинвертирующего компаратора пчелы − V с е л , для которой входного напряжения V я меньше, чем опорное напряжение + V и с х .

пример

Обратим форму выходной волны неинвертирующий компаратора, когда синусоидальный входной сигнал и опорное напряжение нуля вольт применяются к неинвертирующим и инвертирования терминалов на ОУ , соответственно.

Работа неинвертирующего компаратора объяснена ниже —

Во время положительного полупериода синусоидального входного сигнала напряжение, присутствующее на неинвертирующей клемме операционного усилителя, больше нуля вольт. Следовательно, выходное значение неинвертирующего компаратора будет равно + V s a t в течение положительного полупериода синусоидального входного сигнала.

Аналогично, во время отрицательного полупериода синусоидального входного сигнала напряжение, присутствующее на неинвертирующем выводе операционного усилителя, меньше нуля вольт. Следовательно, выходное значение неинвертирующего компаратора будет равно − V s a t во время отрицательного полупериода синусоидального входного сигнала.

На приведенном ниже рисунке показаны входные и выходные формы волны неинвертирующий компаратора, когда опорное напряжение равно нулю вольт.

Из рисунка, показанного выше, мы можем заметить, что выходные переходы либо из + V s a t в − V s a t , либо из − V s a t в + V s a t всякий раз, когда синусоидальный входной сигнал пересекает ноль вольт. Это означает, что выход меняет свое значение, когда вход пересекает ноль вольт. Следовательно, вышеупомянутая схема также называется неинвертирующим детектором пересечения нуля .

5.Компаратор на оу

При построении импульсных устройств электронной техники широкое применение нашли операционные усилители (ОУ). В таких устройствах, в отличие от аналоговых устройств, ОУ в основном работает в режиме насыщения, и выходное напряжение может принимать одно из двух значений: либо +Uвых max либо –Uвых max. В связи с высоким значением коэффициента усиления в линейном режиме переход ОУ из режима насыщения с выходным напряжением +Uвых max в режим с напряжением –Uвых max и наоборот, при изменении входного напряжения происходит практически «скачком».

Такой ход передаточной характеристики ОУ, а также зависимость ее смещения от величины напряжения, подаваемого на один из его входов, позволяет использовать этот элемент в качестве устройства сравнения измеряемого напряжения аналогового сигнала с опорным напряжением, которое называется компаратором. Критерием сравнения двух уровней напряжения является полярность напряжения на выходеОУ.

Рисунок 5.1. Компаратор при подаче опорного напряжения

положительной полярности на неинвертирующий вход ОУ:

а – схема компаратора, б – его передаточная характеристика

Простейшая схема компаратора на ОУ приведена на рис. 5.1,а. Опорное напряжение, величина которого постоянна, подается на один из входов ОУ, а измеряемое – на другой. Пусть измеряемое напряжение изменяется во времени. Тогда при достижении этим напряжением уровня опорного произойдет изменение полярности выходного напряжения. Например, опорное напряжение Uположительной полярности подается на неинвертирующий вход ОУ, а измеряемое u— на инвертирующий вход, как показано на рис. 5.1,а. Тогда при u< Uна выходе ОУ напряжение будет положительное, а при u> U— отрицательным (см. рис. 5.1,б). Видно, что изменение полярности выходного напряжения происходит тогда, когда входное напряжение проходит значение U.

Если в схеме компаратора измеряемое напряжение подавать на неинвертирующий вход ОУ, а опорное – на инвертирующий, как показано на рис. 5.2,а, то произойдет изменение передаточной характеристики: при u< Uна выходе напряжение будет отрицательным, а при u> U— положительным (см. рис. 5.2,б).

Рисунок 5.2. Компаратор при подаче опорного напряжения

положительной полярности на инвертирующий вход ОУ:

а – схема компаратора, б – его передаточная характеристика

Компаратор на ОУ используется в системах автоматического регулирования и защиты в качестве элемента измерительного органа, вырабатывающего выходной сигнал при достижении контролируемым напряжением определенного значения. По выходному сигналу затем происходит срабатывание исполнительного органа системы автоматического управления или защиты, осуществляющей изменение режима работы соответствующей аппаратуры или ее отключение.

Компараторы также применяются для преобразования сигналов. В качестве примера на рис. 5.3 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие преобразование синусоидального напряжения в ряд прямоугольных импульсов с использованием компаратора, схема которого приведена на рис. 5.1,а. Импульс положительной полярности в данном случае вырабатывается, когда мгновенное значение синусоидального напряжения превосходит опорное U. Длительность импульса может изменяться изменением величины опорного напряжения.

Рисунок 5.3. Временные диаграммы, иллюстрирующие преобразование

синусоидального напряжения в ряд прямоугольных импульсов

с использованием компаратора

Особенность работы ОУ как компаратора заключается в резком изменении полярности выходного напряжения при изменении уровня входного сигнала. Сам процесс такого изменения получил наименование «опрокидывания». Из проведенного анализа следует, что условием опрокидывания ОУ, а, следовательно, и схемы, в которой он используется, является равенство напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входах ОУ. Данное условие реализуется в импульсных устройствах на ОУ.