A.O. Comparator compară un nivel de tensiune analogică cu un alt nivel de tensiune analogică, sau o tensiune de referință prestabilită VREF și produce un semnal de ieșire în funcție de această comparație de tensiuni. Cu alte cuvinte, A.O. comparator de tensiune compară amplitudinile a două intrări de tensiune și determină care este cea mai mare dintre cele două.

Am văzut în tutorialele anterioare că A.O. poate fi utilizat cu feedback negativ pentru a controla amploarea semnalului său de ieșire în regiunea liniară, realizând o varietate de funcții diferite. Am văzut că A.O. standard se caracterizează prin câștigul său în buclă deschisă Ao și că tensiunea sa de ieșire este dată de expresia: V_OUT = A_o(V⁺ - V^-) unde V⁺ și V^- corespund tensiunilor la bornele neinversoare și respectiv la cea care inversează.

Comparatorul de tensiune, pe de altă parte, utilizează fie feedback pozitiv, fie nici un feedback (modul buclă deschisă) pentru a comuta ieșirea sa între două stări saturate, deoarece în modul "buclă deschisă" câștigul de tensiune al amplificatorului este în principiu egal cu AVO. Atunci, datorită acestui câștig în buclă deschisă mare, ieșirea din comparator basculează fie complet la șina de alimentare pozitivă +Vcc, fie complet la șina de alimentare negativă -Vcc la aplicarea unui semnal de intrare variabil care trece o anumită valoare de prag prestabilită.

A.O. comparator în buclă deschisă este un circuit analogic care operează în regiunea sa neliniară, deoarece variațiile celor două intrări analogice V⁺ și V^- îl determină să se comporte ca un dispozitiv digital bistabil deoarece declanșarea determină ca acesta să aibă două stări de ieșire posibile +Vcc sau -Vcc. Deci, putem spune că comparatorul de tensiune este în esență un convertor analogic-digital de 1 bit, deoarece semnalul de intrare este analogic, dar ieșirea se comportă digital.

Luați în considerare circuitul A.O. comparator de tensiune de bază de mai jos.

Circuit A.O. comparator

Cu referire la circuitul A.O. comparator de mai sus, mai întâi presupunem că VIN este mai mic decât nivelul de tensiune DC la VREF, (VIN <VREF). Deoarece intrarea ne-inversoare (pozitivă) a comparatorului este mai mică decât intrarea inversoare (negativă), ieșirea va fi LOW și la tensiunea de alimentare negativă -Vcc rezultând o saturație negativă a ieșirii.

Dacă vom crește acum tensiunea de intrare VIN, astfel încât valoarea sa este mai mare decât tensiunea de referință VREF la intrarea inversoare, tensiunea de ieșire comută rapid HIGH la tensiunea de alimentare pozitivă +Vcc rezultând o saturație pozitivă a ieșirii. Dacă noi reducem din nou tensiunea de intrare VIN, astfel încât să fie puțin mai mică decât tensiunea de referință, ieșirea A.O. revine la tensiunea de saturație negativă, acționând ca un detector de prag.

Deci, putem vedea că A.O. comparator de tensiune este un dispozitiv a cărui ieșire este dependentă de valoarea tensiunii de intrare VIN, raportată la un anumit nivel de tensiune DC, deoarece ieșirea este HIGH atunci când tensiunea de la intrarea ne-inversoare este mai mare decât tensiunea la intrarea inversoare și LOW când intrarea neinversoare este mai mică decât tensiunea de intrare inversoare. Această condiție este adevărată indiferent dacă semnalul de intrare este conectat la intrarea inversoare sau neinversoare a comparatorului.

De asemenea, putem vedea că valoarea tensiunii de ieșire este complet dependentă de tensiunea de alimentare a A.O. În teorie, din cauza câștigului mare în buclă deschisă al A.O., amplitudinea tensiunii sale de ieșire ar putea fi infinită în ambele direcții (± ∞). Totuși, practic, și din motive evidente, este limitată de șinele de alimentare ale A.O. care dau VOUT = +Vcc sau VOUT = -Vcc.

Am spus înainte că A.O. comparator de bază produce o ieșire de tensiune pozitivă sau negativă prin compararea tensiunii de intrare cu o anumită tensiune de referință DC presetată. În general, un divizor de tensiune rezistiv este utilizat pentru a seta tensiunea de referință de intrare a unui comparator, dar pot fi utilizate în modul indicat și baterie, o diodă zener sau un potențiometru pentru o tensiune de referință variabilă.

Tensiuni de referință la comparator

Teoretic, tensiunea de referință a comparatorului poate fi setată să fie oriunde între 0 V și tensiunea de alimentare, dar există limite practice asupra intervalului real de tensiune, în funcție de A.O. comparator utilizat.

Comparatoare de tensiune pozitivă și negativă

Un circuit comparator de bază poate fi utilizat pentru a detecta fie o tensiune de intrare pozitivă, fie una negativă, în funcție de care intrare a A.O. o conectăm la sursa de tensiune de referință fixă ​​și la tensiunea de intrare. În exemplele de mai sus am folosit intrarea inversoare pentru a seta tensiunea de referință cu tensiunea de intrare conectată la intrarea neinversoare.

Dar, la fel, am putea conecta intrările comparatorului în sens invers pentru a inversa semnalul de ieșire față de cel indicat mai sus. Deci, un A.O. comparator poate fi configurat pentru a funcționa în ceea ce se numește o configurație inversoare sau ne-inversoare.

Comparator de tensiune pozitivă

Configurația de bază pentru comparatorul de tensiune pozitivă, cunoscută și ca un circuit de comparare neinversor, detectează când semnalul de intrare VIN este mai mare sau mai pozitiv decât tensiunea de referință VREF producând o ieșire la VOUT care este HIGH, așa cum se arată.

Circuitul comparatorului ne-inversor

În această configurație neinversoare, tensiunea de referință este conectată la intrarea inversoare a A.O. cu semnalul de intrare conectat la intrarea neinversoare. Pentru a simplifica, am presupus că cele două rezistoare care alcătuiesc rețeaua divizor de potențial sunt egale și: R1 = R2 = R. Aceasta va produce o tensiune de referință fixă ​​care este o jumătate din tensiunea de alimentare, adică Vcc/2, în timp ce tensiunea de intrare este variabilă de la zero la tensiunea de alimentare.

Când VIN este mai mare decât VREF, ieșirea comparatorului va fi saturată către șina de alimentare pozitivă Vcc. Când VIN este mai mică decât VREF, ieșirea comparatorului va schimba starea și va satura la șina de alimentare negativă 0V, așa cum se arată.

Comparator de tensiune negativă

Configurația de bază pentru comparatorul de tensiune negativă, de asemenea, cunoscut ca un circuit comparator inversor detectează atunci când semnalul de intrare VIN este mai mic sau mai negativ decât tensiunea de referință VREF producând o ieșire la VOUT care este HIGH, așa cum se arată.

Circuitul comparatorului inversor

În configurația inversoare, care este opusa configurației pozitive de mai sus, tensiunea de referință este conectată la intrarea neinversoare a A.O., în timp ce semnalul de intrare este conectat la intrarea inversoare. Atunci când VIN este mai mică decât VREF, ieșirea comparatorului va satura până la șina de alimentare pozitivă Vcc.

De asemenea, reversul este adevărat, atunci când VIN este mai mare decât VREF, ieșirea comparatorului va schimba starea și va satura până la șina de alimentare negativă 0 V.

Deci, în funcție de ce intrări A.O. folosim pentru semnal și tensiunea de referință, putem produce o ieșire inversoare sau neinversoare. Putem lua această idee de detectare a unui semnal negativ sau pozitiv mergând mai departe, combinând cele două circuite de comparare A.O. pentru a produce un circuit de comparare fereastră.

Comparator fereastră

Un comparator fereastră constă în esență din comparatoarele inversor și ne-inversor de mai sus combinate într-un singur etaj comparator. Comparatorul fereastră detectează nivelele de tensiune de intrare care se află într-o bandă sau o fereastră de tensiuni specifice, în loc să indice dacă o tensiune este mai mare sau mai mică decât un punct de referință de tensiune prestabilit sau fixat.

De data aceasta, în loc să aibă doar o valoare de tensiune de referință, un comparator fereastră va avea două tensiuni de referință implementate de o pereche de comparatoare de tensiune. Una care declanșează un comparator la detectarea unui prag superior de tensiune VREF(UPPER) și unul care declanșează un comparator la detectarea unui prag de tensiune mai scăzut, VREF(LOWER). Atunci, nivelele de tensiune dintre aceste două tensiuni de referință superioară și inferioară se numesc "fereastră", prin urmare denumirea sa.

Folosind ideea noastră de mai sus a unei rețele de divizare a tensiunii, dacă folosim acum trei rezistoare de valoare egală, astfel încât R1 = R2 = R3 = R putem crea un circuit de comparare fereastră foarte simplu, așa cum se arată. De asemenea, deoarece valorile rezistive sunt egale, căderea tensiunii pe fiecare rezistor va fi egală cu o treime din tensiunea de alimentare 1/3 Vcc. Atunci, în acest exemplu simplu, putem seta tensiunea de referință superioară la 2/3 Vcc și tensiunea de referință inferioară la 1/3 Vcc. Luați în considerare circuitul de comparare a ferestrelor de mai jos.

Circuitul comparatorului fereastră

Când VIN este sub nivelul de tensiune mai scăzut VREF(LOWER) care echivalează cu 1/3 Vcc, ieșirea va fi LOW. Când VIN depășește acest nivel inferior de tensiune 1/3 Vcc, primul comparator detectează acest lucru și comută HIGH ieșirea la Vcc.

Pe măsură ce VIN continuă să crească, trece nivelul superior de tensiune VREF(UPPER) la 2/3 Vcc, iar cel de al doilea comparator detectează acest lucru și comută ieșirea înapoi LOW. Deci, diferența dintre VREF(UPPER) și VREF(LOWER) (care este 2/3 Vcc - 1/3 Vcc în acest exemplu) creează fereastra de comutare pentru semnalul pozitiv.

Să presupunem acum că VIN este la valoarea sa maximă și egală cu Vcc. Pe măsură ce VIN scade, acesta trece nivelul superior de tensiune VREF(UPPER) al celui de-al doilea comparator care comută ieșirea HIGH. VIN continuă să scadă și trece nivelul inferior de tensiune VREF(LOWER) al primului comparator, comutând încă o dată LOW ieșirea.

Deci, diferența dintre VREF(UPPER) și VREF(LOWER) creează fereastra pentru semnalul negativ. Așadar, vedem că, pe măsură ce VIN trece mai sus sau mai jos de nivelul de referință superior și inferior stabilit de cele două comparatoare, semnalul de ieșire VOUT va fi HIGH sau LOW.

În acest exemplu simplu am setat nivelul de declanșare superior la 2/3 Vcc și nivelul de declanșare inferior la 1/3 Vcc (pentru că am folosit trei rezistoare de valoare egale), dar poate fi orice valoare pe care o alegem prin ajustarea pragurilor de intrare. Ca urmare, lățimea ferestrei poate fi personalizată pentru o anumită aplicație.

Dacă am folosit o sursă de alimentare dublă și am setat nivelele de declanșare superioară și inferioară, să zicem ±10 V, și VIN a fost o formă de undă sinusoidală, atunci am putea folosi acest circuit de comparare fereastră ca un detector de trecere prin zero a undelor sinusoidale care ar produce o ieșire HIGH sau LOW de fiecare dată când unda sinus a traversat linia de zero volți de la pozitiv la negativ sau de la negativ la pozitiv.

Putem lua această idee de detectare a nivelelor de tensiune în continuare prin conectarea unui număr de comparatoare diferite împreună, cu toate folosind un semnal comun de intrare, dar fiecare comparator folosind o tensiune de referință diferită stabilită de rețeaua de divizare a tensiunii de alimentare. Considerați circuitul detector de tensiune de mai jos.

Comparator detector de nivel de tensiune

Ca mai sus, rețeaua de divizare a tensiunii furnizează un set de tensiuni de referință pentru circuitele individuale de A.O. comparator. Pentru a produce cele patru tensiuni de referință vor fi necesare cinci rezistoare. Joncțiunea la perechea inferioară a rezistoarelor va produce o tensiune de referință care este o cincime din tensiunea de alimentare 1/5 Vcc, folosind rezistoare de valoare egală. A doua pereche 2/5 Vcc, a treia pereche 3/5 Vcc și așa mai departe, aceste tensiuni de referință crescând cu o valoare fixă ​​de o cincime (1/5) față de 5/5 Vcc care este de fapt Vcc.

Pe măsură ce tensiunea de intrare comună crește, ieșirea fiecărui circuit de comparare comută la rândul său, începând cu comparatorul inferior A4 și în sus spre A1. Astfel, prin setarea valorilor rezistoarelor în rețeaua de divizare a tensiunii, comparatoarele pot fi configurate pentru a detecta orice nivel de tensiune. Un bun exemplu de utilizare a detectării și a indicației nivelului de tensiune ar fi pentru un monitor de stare a bateriilor.

De asemenea, prin creșterea numărului de comparatoare din set, pot fi create mai multe puncte de declanșare. De exemplu, dacă am avea opt comparatoare în lanț și am alimenta ieșirea fiecărui comparator la un encoder digital de la 8 la 3, am putea face un convertor analogic-digital foarte simplu (ADC) care ar converti semnalul de intrare analogic într-un cod binar pe 3 biți (de la 0 la 7).

A.O. comparator cu feedback pozitiv

Am văzut aici că A.O. pot fi configurate să funcționeze ca comparatoare în modul lor de buclă deschisă, iar acest lucru este bine dacă semnalul de intrare variază rapid sau nu este prea zgomotos. Dar, dacă semnalul de intrare VIN este lent variabil sau este prezent zgomot electric, atunci A.O. comparator poate oscila comutând ieșirea sa înainte și înapoi între cele două stări de saturație +Vcc și -Vcc deoarece semnalul de intrare plutește în jurul valorii VREF - tensiunea de referință. O modalitate de a depăși această problemă și de a evita oscilarea A.O. este de a realiza feedback pozitiv comparatorului.

După cum sugerează și numele său, feedback-ul pozitiv este o tehnică pentru trimiterea înapoi a unei părți sau a unei fracțiuni din semnalul de ieșire care este în fază față de intrarea neinversoare a A.O. printr-un divizor de potențial stabilit de două rezistoare, cantitatea de feedback fiind proporțională cu raportul lor.

Utilizarea feedback-ului pozitiv într-un A.O. comparator înseamnă că odată ce ieșirea este declanșată în saturație la oricare dintre cele două niveluri, trebuie să existe o schimbare semnificativă a semnalului de intrare VIN înainte ca ieșirea să revină la punctul de saturație inițial. Această diferență între cele două puncte de comutare este numită histerezis, producând ceea ce se numește frecvent un circuit trigger-Schmitt. Luați în considerare circuitul comparator inversor de mai jos.

A.O. comparator inversor cu histerezis

Pentru circuitul comparator inversor de mai sus, VIN este aplicată la intrarea inversoare a A.O. Rezistoarele R1 și R2 formează o rețea de divizare a tensiunii pe comparator oferind feedback pozitiv cu o parte din tensiunea de ieșire care apare la intrarea ne-inversoare. Cantitatea de feedback este determinată de raportul rezistiv al celor două rezistoare utilizate și care este dat de:

Ecuația divizorului de tensiune

unde: β (beta) poate fi folosit pentru a indica fracția feedback-ului.

Când semnalul de intrare este mai mic decât tensiunea de referință, VIN < VREF, tensiunea de ieșire va fi HIGH, VOH și egală cu tensiunea de saturație pozitivă. Deoarece ieșirea este HIGH și pozitivă, valoarea tensiunii de referință pe intrarea neinversoare va fi aproximativ egală cu: +β*Vcc numită punctul de declanșare superior sau UTP.

Deoarece semnalul de intrare VIN crește, devine egală cu tensiunea punctului de declanșare superior VUTP la intrarea neinversoare. Acest lucru face ca ieșirea comparatoarelor să schimbe starea devenind LOW, VOL și egală cu tensiunea de saturație negativă, ca mai înainte.

Diferența de această dată este crearea unei a doua valori de tensiune a punctului de declanșare, deoarece o tensiune negativă apare acum la intrarea neinversoare care este egală cu: -β*Vcc, ca rezultat al tensiunii negative de saturație la ieșire. Atunci, semnalul de intrare trebuie să scadă acum sub acest al doilea nivel de tensiune, denumit punct de declanșare inferior sau LTP pentru ca ieșirea comparatoarelor de tensiune să se schimbe sau să comute înapoi la starea inițială pozitivă.

Putem vedea că atunci când ieșirea schimbă starea, tensiunea de referință la intrarea neinversoare se modifică și se creează două valori diferite de tensiune de referință și două puncte diferite de comutare. Unul a fost numit punctul de declanșare superior (UTP) și celălalt a fost numit punctul de declanșare inferior (LTP). Diferența dintre aceste două puncte de declanșare se numește histerezis.

Cantitatea de histerezis este determinată de fracția de feedback β a tensiunii de ieșire trimisă înapoi la intrarea neinversoare. Avantajul feedback-ului pozitiv este că circuitul de declanșare Schmitt comparator rezultat este imun la declanșarea neregulată cauzată de zgomot sau de schimbarea lentă a semnalelor de intrare în banda de histerezis, producând un semnal de ieșire mai curat, deoarece ieșirea A.O. comparator este declanșată o singură dată.

Deci, pentru tensiuni de ieșire pozitive, VREF = +β*Vcc, dar pentru tensiuni de ieșire negative, VREF = -β*Vcc. Atunci, putem spune că valoarea histerezisului de tensiune va fi dată de:

De asemenea, putem produce un circuit de comparare ne-inversor cu histerezis încorporat prin schimbarea intrărilor și a terminalelor de referință după cum se arată:

A.O. comparator neinversor cu histerezis

Rețineți că săgețile de pe graficul de histerezis indică direcția de comutare la punctele de declanșare superior și inferior.

Comparator. Exemplul nr. 1

Un amplificator operațional trebuie utilizat cu feedback pozitiv pentru a produce un circuit declanșator Schmitt. Dacă rezistorul R1 = 10 kΩ și rezistorul R2 = 90 kΩ, care vor fi valorile punctelor de comutare superior și inferior ale tensiunii de referință și lățimea histerezisului dacă A.O. este conectat la o sursă de putere duală de ± 10 V.

Date: R1 = 10 kΩ, R2 = 90 kΩ. Sursă de alimentare + Vcc = 10 V și -Vcc = 10 V.

Fracțiunea de feedback:

Punct de declanșare la tensiune superioară, VUTP

Punct de declanșare la tensiune inferioară, VLTP

Lățimea histerezisului:

Atunci, tensiunea de referință VREF comută între + 1V și -1V deoarece ieșirea se saturează de la un nivel la altul. Sperăm că putem vedea din acest exemplu simplu că lățimea acestei histerezis, de 2 volți în total, poate fi făcută mai mare sau mai mică prin simpla ajustare a raportului de divizare a tensiunii al rezistențelor de reacție R1 și R2.

Comparatorul de tensiune

Deși putem utiliza A.O. cum ar fi 741 ca circuit de bază comparator, problema cu asta este că A.O. sunt optimizați doar pentru funcționarea liniară. Aceasta este acolo unde terminalele de intrare sunt virtual la același nivel de tensiune, iar etajul de ieșire este proiectat să producă o tensiune de ieșire liniară care nu este saturată pentru perioade lungi de timp. De asemenea, A.O. standard sunt proiectate pentru a fi utilizate în aplicații cu buclă închisă, cu feedback negativ de la ieșirea lor la intrarea inversoare.

Un comparator de tensiune dedicat, pe de altă parte, este un dispozitiv neliniar care permite o saturație puternică, datorită câștigului foarte mare, când semnalele de intrare diferă cu o cantitate relativ mică. Diferența dintre un A.O. comparator și un comparator de tensiune este în etajul de ieșire, deoarece un A.O. standard are un etaj de ieșire optimizat pentru funcționare liniară, în timp ce etajul de ieșire al unui comparator de tensiune este optimizat pentru funcționarea saturată continuă, fiind întotdeauna destinat să fie aproape de o șină de alimentare sau de cealaltă și nu între ele.

Comparatoarele comerciale, cum ar fi comparatorul singur LM311, comparatorul quad LM339 sau comparatorul diferențial dual LM393, sunt comparatoare de tensiune care vin într-un pachet standard IC care funcționează cu o sursă de alimentare unică sau dublă. Aceste comparatoare dedicate de tensiune sunt proiectate pentru unicul scop de a comuta ieșirea foarte rapid dintr-o stare saturată în alta, deoarece tranzistoarele folosite pentru etajul de ieșire a comparatoarelor de tensiune sunt, în general, tranzistoare de comutare.

Deoarece comparatoarele de tensiune transformă un semnal de intrare liniar într-un semnal de ieșire digitală, acestea sunt utilizate în mod obișnuit pentru a conecta două semnale electrice diferite cu tensiuni de alimentare sau de referință diferite. Ca urmare, etajul de ieșire al comparatorului de tensiune este în general configurat ca un singur comutator cu tranzistor open-collector (sau Drenă) cu stări deschis sau închis, mai degrabă decât tensiuni reale de ieșire, cum se arată.

Circuitul comparatorului de tensiune

Aici, ieșirea open-collector (colector deschis) de la comparatorul de tensiune este conectată la o sursă de tensiune printr-un singur rezistor pull-up (și un LED pentru indicare) care trage singura ieșire HIGH la sursa de alimentare. Când comutatorul de ieșire este HIGH, acesta creează o cale de impedanță ridicată, prin urmare, nu curge curent deoarece VOUT = Vcc.

Când comparatorul schimbă starea și comutatorul de ieșire este LOW, acesta creează o cale de impedanță scăzută la masă și curentul trece prin rezistorul pull-up (și LED) determinând o cădere de tensiune pe el însăși, cu ieșirea trasă la nivelul inferior al alimentării, masa în acest caz.

Atunci, vedem că există foarte mici diferențe între simbolul schematic al unui A.O. comparator și un comparator de tensiune sau circuitele lor interne. Diferența principală este în etajul de ieșire cu configurația open-collector (sau Drenă) fiind utilă pentru acționarea releelor, lămpilor etc. Prin acționarea unui tranzistor de la ieșire se permite o capacitate de comutare mai mare a curentului decât cea a ieșirii comparatoarelor simple.

Rezumat A.O. comparator

În acest tutorial despre A.O. comparator am văzut că un circuit comparator este în esență un A.O. fără feedback, adică este utilizat în configurația sa cu buclă deschisă și atunci când tensiunea de intrare VIN depășește o tensiune de referință presetată VREF, ieșirea schimbă starea.

Datorită câștigului foarte mare în buclă deschisă a A.O., folosindu-l cu feedback pozitiv sau chiar fără feedback, ieșirea se saturează la șina de aprovizionare, producând una din cele două tensiuni de ieșire distincte, în funcție de valorile relative ale celor doi intrări. Acest comportament bistabil este neliniar și formează baza comparatorului și circuitelor de declanșare Schmitt.

Etajele de ieșire ale comparatoarelor dedicate, precum LM311, dual LM393 sau Quad LM339, sunt proiectate să funcționeze în regiunile lor de saturație, permițând utilizarea acestor circuite de comparare a tensiunii în aplicațiile de convertoare analogic-digitale și pentru diferite tipuri de circuite de detectare a nivelului de tensiune.

Comportamentul neregulat de comutare al unui comparator în buclă deschisă poate fi ușor de depășit prin adăugarea de feedback pozitiv între ieșirea și intrarea comparatorului. Cu feedback pozitiv, circuitul are histerezis cu comutarea de ieșire care are loc între două puncte diferite de comutare UTP și LTP.

A.O. comparatoare fereastră sunt un tip de circuit de comparare a tensiunii care utilizează două comparatoare pentru a produce o ieșire cu două stări care indică dacă tensiunea de intrare este sau nu într-un anumit interval sau într-o fereastră de valori prin utilizarea a două tensiuni de referință, o tensiune de referință superioară și o tensiune de referință inferioară.

În timp ce A.O. și comparatoarele pot să pară similare, ele sunt foarte diferite și sunt proiectate pentru a fi utilizate în diferite aplicații, deoarece un A.O. poate fi utilizat ca comparator, un comparator de tensiune nu poate fi folosit ca un A.O. datorită etajului său de ieșire neliniar.

Știm din tutorialele anterioare că un A.O. este un dispozitiv analogic cu o intrare analogică diferențială și o ieșire analogică și dacă funcționează în configurația cu buclă deschisă, ieșirea se comportă ca o ieșire de comparator. Dar comparatoarele de tensiune dedicate (LM311, LM393, LM339) sunt disponibile pe scară largă, care vor funcționa mult mai bine decât un A.O. comparator standard.