Лекция № 30. Компаратор сигналов на операционном усилителе. (1)

1.

Лекция № 30. Компаратор сигналов на операционном усилителе
21 слайд
1

2.

Прежде чем начнём разбираться с компаратором, давайте вспомним, что такое операционный
усилитель(ОУ). Операционный усилитель имеет пять выводов и на схемах обозначается
треугольником, как показано на рисунке 1.
Давайте подробнее рассмотрим назначение выводов:
два вывода для подключения питания, плюс и минус напряжения
питания;
два входа, один инвертирующий, обозначенный V+ и один
неинвертирующий, обозначенный V-;
один выход, обозначенный Vвых;
Рис.1 Операционный
усилитель
Рассмотрим на примере,
неинвертирующий вход.
что
такое
инвертирующий
На рисунке 2 видно, что если напряжение на неинвертирующем входе
больше чем на инвертирующем, то на выходе будет плюс напряжение
питания.
Рис. 2 Uвых = +5v
и

3.

Если, наоборот, напряжение на инвертирующем входе будет
больше чем на неинвертирующем, то на выходе будет минус
напряжение питания.
Рис. 3 Uвых = 0v
По сути мы рассмотрели как работает компаратор. Компаратор от английского
слова compare – сравнить, то есть он сравнивает два напряжения и в зависимости от того на
каком из входов оно выше, устанавливает на выходе плюс или минус напряжения питания.
Также, можно сказать, что компаратор — это схема включения ОУ без отрицательной
обратной связи, обладающая большим коэффициентом усиления. Под отрицательной
обратной связью понимают, соединение инвертирующего входа с выходом, напрямую или
через электронный компонент, например, резистор, конденсатор или диод.

4.

Рисунок 2. Типичное включение инвертирующего
компаратора (а),
его передаточная характеристика (б), а
также сигналы на входе и выходе (в).

5.

Истинный компаратор работает от одного источника питания, как правило, того же, который
используется для цифровой логики. Выход через подтягивающий резистор подключен к шине
питания (Рисунок 2а). На входы компаратора поданы опорное напряжение VREF и сигнал VIN,
уровень которого сравнивается с опорным уровнем. В качестве опорного и сигнального может
использоваться любой из двух выходов компаратора. Обычно опорное напряжение постоянно, а
входной сигнал изменяется. Компаратор может включаться в двух основных конфигурациях:
•Инвертирующая:
VIN подключается к инвертирующему входу усилителя (–), а VREF – к неинвертирующему (+)
входу (Рисунок 2). Если VIN > VREF, уровень выходного напряжения низкий. Если VIN < VREF,
уровень выходного напряжения высокий.
Неинвертирующая:
(Подключение входов противоположное изображенному на Рисунке 2). VIN подключается к
неинвертирующему входу усилителя (+), а VREF – к инвертирующему (–). Если VIN > VREF, уровень
выходного напряжения высокий. Если VIN < VREF, уровень выходного напряжения низкий.
На Рисунке 2 показана инвертирующая схема с фиксированным постоянным опорным
напряжением и сигналом треугольной формы (Рисунок 2в). Пока входное напряжение ниже
порога, уровень выхода остается высоким (см. передаточную характеристику на Рисунке 2б).
Когда входной сигнал превысит порог, выход переключится в низкое состояние. Затем во время
спада входного сигнала уровень выхода вновь станет высоким.

6.

Шумы
Одной
из
часто
возникающих
проблем
является
шум
или
многократные
кратковременные переключения выхода вблизи пороговых уровней компаратора. Этот так
называемый «дребезг» возникает при медленном изменении входного сигнала и может стать
причиной неправильной работы приложения. Это будет происходить даже при очень чистых
входных сигналах, поскольку компараторы, как и ОУ, имеют собственные шумы. К такому же
эффекту иногда приводят помехи, возникающие при больших скачках выходного напряжения,
которые могут проникать обратно на вход через шины питания или другие цепи.
Единственным
способом
решения
этой
проблемы может быть
использование
гистерезиса (Рисунок 3). Опорное напряжение подается через два резистора, обеспечивающих
регенеративную, или положительную обратную связь, которая увеличивает скорость
переключения и практически полностью исключает дребезг.

7.

Рисунок 3. Гистерезис в компараторе (а)
позволяет устранить дребезг
при переключениях выхода (б).
Гистерезис устанавливает напряжения верхнего (VU) и нижнего (VL) порогов переключения
вокруг опорного уровня. Небольшое окно, или мертвая зона, обеспечивает свободное от дребезга
чистое переключение выхода. Резисторы R1 и R2 задают пороговые напряжения, уровни которых
могут быть рассчитаны с помощью следующих выражений: