Компаратор напряжения на оу: принцип работы, схемы

Содержание

Принцип работы компаратора

Компаратор удобно строить на операционном усилителе (ОУ). Для этого непосредственно используются его свойства:

усиление разности сигнала между прямым и инвертирующим входом;
бесконечный (на практике – от 10000 и выше) коэффициент усиления.

Работу ОУ в качестве компаратора можно рассмотреть при такой схеме включения:

Пусть имеется ОУ с коэффициентом усиления 10000, напряжение питания двуполярное, + 5 В и минус 5 В. Делителем на инвертирующем входе установлен опорный уровень ровно 0 вольт, на прямом входе с движка потенциометра снимается минус 5 вольт. Операционный усилитель должен усилить разницу в 10000 раз, теоретически на выходе должно появиться напряжение минус 50000 вольт. Но такого напряжения операционнику взять негде, и он создает максимум возможного – напряжение питания, минус 5 вольт.

Если начать поднимать напряжение на прямом входе, ОУ будет стараться выставить разность напряжений между входами, умноженную на 10000. Это ему удастся, когда входное напряжение приблизится к нулю и станет равным примерно минус 0,0005 В. При дальнейшем увеличении входного напряжения на положительном входе, выходное будет подниматься до нуля и выше, и при напряжении +0,0005 вольт станет равным +5 В и дальше не поднимется – некуда. Таким образом, при прохождении входным напряжением уровня нуля (точнее, минус 0,0005 вольт — + 0,0005) произойдет скачок выходного напряжения от минус 5 вольт до +5 вольт. Иными словами, пока напряжение на прямом входе ниже, чем на инвертирующем, на выходе компаратора устанавливается ноль. Если выше – единица.

Интерес представляет участок разности уровня на входах от минус 0,0005 вольт до + 0,0005. В теории при его прохождении произойдет плавный подъём от отрицательного напряжения питания до положительного. На практике этот диапазон очень узок, и из-за наводок, помех, нестабильности напряжения питания и т.д. при примерном равенстве напряжений на входах будет происходить хаотичное срабатывание компаратора в обе стороны. Чем ниже коэффициент усиления ОУ, тем это окно нестабильности шире. Если компаратор управляет исполнительным механизмом, то это вызовет его срабатывание в такт (щелканье реле, хлопанье клапана и т.п.), что может привести к его механической поломке или перегреву.

Чтобы этого избежать, создается неглубокая положительная обратная связь включением резистора, указанного штриховой линией. Это создает небольшой гистерезис, смещая пороги переключения при прохождении напряжения вверх и вниз относительно опорного. Например, вверх компаратор будет переключаться при 0,1 вольт, а вниз – ровно при нуле (зависит от глубины обратной связи). Это исключит окно нестабильности. Номинал этого резистора может быть от нескольких сотен килоом до нескольких мегаом. Чем ниже сопротивление, тем больше разница между порогами.

Также имеются специализированные микросхемы компараторов. Например, LM393. В таких микросхемах имеется быстродействующий операционный усилитель (или несколько), может быть установлен встроенный делитель, создающий опорное напряжение. Ещё одно отличие таких компараторов от устройств, построенных на ОУ общего применения – многим из них требуются однополярный источник питания. Большинству операционников нужно двуполярное напряжение. Выбор типа микросхемы производится при разработке устройства.

Работа компаратора

Один из способов разобраться с работой компаратора – изучить базовую конфигурацию ОУ, показанную на Рисунке 1а. Усилитель имеет очень большой коэффициент усиления без обратной связи (A_OL >> 1000). То, что он усиливает, – это разность между двумя входами V₁ и V₂. Выходное напряжение равно

Из-за высокого коэффициента усиления для положительного или отрицательного насыщения выхода большого входного дифференциального сигнала (V₂ – V₁) не требуется. Например, при напряжении источника питания ±5 В и коэффициенте усиления без обратной связи, равном 100,000, выходное напряжение достигнет шины питания при дифференциальном входном сигнале с уровнем 5/100,000 = 50 мкВ или выше. Передаточная характеристика вход-выход изображена на Рисунке 1б.


Рисунок 1.	Операционный усилитель в инвертирующем включении (а) и его передаточная характеристика вход-выход (б).

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 V_REF и сигнал V_IN, 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:
V_IN подключается к инвертирующему входу усилителя (–), а V_REF – к неинвертирующему (+) входу (Рисунок 2). Если V_IN > V_REF, уровень выходного напряжения низкий. Если V_IN < V_REF, уровень выходного напряжения высокий.
Неинвертирующая:
(Подключение входов противоположное изображенному на Рисунке 2). V_IN подключается к неинвертирующему входу усилителя (+), а V_REF – к инвертирующему (–). Если V_IN > V_REF, уровень выходного напряжения высокий. Если V_IN < V_REF, 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.


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

Использование[править | править код]

Сравнение сигналовправить | править код

Компаратор имеет два входа: один сзади (сигнал А) и один сбоку (сигнал Б). Если к обеим боковым сторонам подведен сигнал, сигналом Б считается более сильный из них. Существует два режима вывода, переключаемые щелчком правой кнопки мыши на компараторе.

В первом режиме (факел спереди не горит, режим по умолчанию) компаратор сравнивает сигнал А с сигналом Б и пропускает сигнал А только если А≥Б. Если А слабее Б, на выходе будет ноль.
Во втором режиме (факел спереди горит) компаратор «вычитает» сигнал Б из сигнала А, выдавая на выход сигнал с силой, равной разности входов (А−Б).

Определение заполненности контейнеровправить | править код

Компаратор, у задней стороны которого находится контейнер, позволяет снимать с него сигнал, зависящий от заполненности хранилища. Доступные контейнеры включают в себя: обычные и двойные сундуки, сундуки-ловушки, печи, варочные стойки, раздатчики, выбрасыватели, загрузочные воронки, нажимные рельсы с вагонеткой с сундуком или воронкой на них и якоря возрождения. При этом можно размещать компаратор через 1 полный блок, но только если компаратор находится на одной линии с контейнером. Если контейнер пуст, на выходе будет ноль. Если контейнер содержит что-либо, выходной сигнал рассчитывается по следующей формуле:

(

N₁ V₁

N₂ V₂

…

N_n V_n

)

14 n

Где:
A	—	сила сигнала (С округлением в меньшую сторону)
N_1…n	—	количество предметов в слоте
V_1…n	—	размер полной стопки для данного предмета
n	—	количество слотов в контейнере

Это означает, что сила сигнала зависит не напрямую от количества предметов в контейнере, а от его заполненности. Так, предмет, который нельзя сложить в стопку, полная стопка предметов, складывающихся по 16 предметов, и полная стопка предметов, складывающихся по 64 предмета, занимают одинаковый объём и на выходе дают одинаковый сигнал (например, раздатчик с 9 вагонетками выдаст максимальный сигнал — 15).

Определение пластинкиправить | править код

Компаратор, подключённый входом к проигрывателю, в котором находится пластинка, дает сигнал с силой, зависящей от порядкового номера используемой пластинки.

Сигнал	Пластинка
нет
1	13
2	cat
3	blocks
4	chirp
5	far
6	mall
7	mellohi
8	stal
9	strad
10	ward
11	11
12	wait
13	Pigstep
14	не используется
15	не используется

Взаимодействие с командным блокомправить | править код

Если компаратор подключён входом к командному блоку, в котором введена команда , при обновлении командного блока будет выдаваться сигнал, соответствующий количеству сущностей на сервере, соответствующих аргументу команды.
Если же в командном блоке введена любая другая команда, при её успешном выполнении будет выдаваться сигнал силой 1.

Взаимодействие с тортомправить | править код

Если компаратор подключён входом к торту, он будет выдавать сигнал, пропорциональный количеству оставшегося торта. Каждый кусок торта добавляет 2 к силе выходного сигнала. Таким образом, полный торт выдаёт через компаратор сигнал силы 14.

Взаимодействие с котломправить | править код

Если компаратор подключён входом к котлу, он будет выдавать сигнал, пропорциональный количеству воды в котле. Пустой котёл выдаёт сигнал силы 0. Каждая треть воды в котле добавляет 1 к выходному сигналу.

Взаимодействие с рамкойправить | править код

Компаратор может быть использован для определения угла поворота предмета в рамке, а также определения того, содержится ли там какой-либо предмет вообще. Чтобы считывать сигнал с рамки, компаратор должен быть подключен к блоку, на котором висит рамка, с противоположной от неё стороне. Пустая рамка выдаёт нулевой сигнал. Неповёрнутый предмет в рамке выдаёт сигнал силы 1. Каждые 45° поворота добавляют 1 к силе выходного сигнала.

Другоеправить | править код

Компаратор пропускает сигнал только в одну сторону, а потому может быть использован как диод. Но в отличие от повторителя, компаратор не усиливает сигнал.
Если поставить два компаратора в кольцо, потом подать и снять сигнал с этого кольца, то сигнал будет плавно затухать со скоростью длина провода минус 1 за 0,1 секунды (для каждого участка). Это позволяет сделать более компактную линию поддержки сигнала, чем на повторителях.
Компаратор, подключённый к рамке портала Края, выдаёт сигнал силы 15, если в рамке расположено око Края, и 0, если рамка пуста.
Задержка компаратора равна 0,1 секунды или двум тактам.

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

Принцип работы ОУ очень прост. Он сравнивает два напряжения и на выходе уже выдает отрицательный, либо положительный потенциал питания. Все зависит от того, на каком входе потенциал больше. Если потенциал на НЕинвертирующем входе U1 больше, чем на инвертирующем U2, то на выходе будет +Uпит, если же на инвертирующем входе U2 потенциал будет больше, чем на НЕинвертирующем U1, то на выходе будет -Uпит. Вот и весь принцип ;-).

Давайте рассмотрим этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы

Подадим на НЕинвертирующий вход 2 Вольта, а на инвертирующий вход 1 Вольт. Так как на НЕинвертирующем входе потенциал больше, то следовательно, на выходе мы должны получить +Uпит. Мы получили 13,5 Вольт, что близко к этому значению

Но почему не 15 Вольт? Виновата во всем сама внутренняя схемотехника ОУ. Максимальное значение ОУ не всегда может равняться положительному либо отрицательному напряжению питания. Оно может отклоняться от 0,5 и до 1,5 Вольт в зависимости от типа ОУ.

Но, как говорится, в семье не без уродов, и поэтому на рынке уже давно появились ОУ, которые могут выдавать на выходе допустимое напряжение питания, то есть в нашем случае это значения, близкие к +15 и -15 Вольтам. Такая фишка называется Rail-to-Rail, что в дословном переводе с англ. «от рельса до рельса», а на языке электроники «от одной шины питания и до другой».

Давайте теперь на инвертирующий вход подадим потенциал больше, чем на НЕинвертирущий. На инвертирующий подаем 2 Вольта, а на НЕинвертирующий подаем 1 Вольт:

Как вы видите, в данный момент выход «лег» на -Uпит, так как на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на НЕинвертирующем.

Чтобы не качать лишний раз программный комплекс Proteus, можно в онлайне с помощью программы Falstad сэмулировать работу идеального ОУ. Для этого выбираем вкладку Circuits—Op-Amps—>OpAmp. В результате на вашем экране появится вот такая схемка:

На правой панели управления увидите бегунки для добавления напряжения на входы ОУ и уже можете визуально увидеть, что получится на выходе ОУ при изменении напряжения на входах.

Схемотехника компараторов

Схемотехнически простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления (в идеале — бесконечным). Обычно в качестве компараторов напряжения в современной электронике применяют микросхемы операционных усилителей (ОУ). Но существуют и выпускаются специализированные для применения в качестве компараторов микросхемы.

Микросхема компаратора отличается от обычного линейного (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:

Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон дифференциальных входных напряжений (между инвертирующим и неинвертирующим входами), вплоть до значений питающих напряжений, а также полный диапазон синфазных напряжений.
Выходной каскад компаратора обычно конструируют совместимым по логическим уровням и токам с распространённым типом входов логических схем (технологий ТТЛ, ЭСЛ и т. п.). Возможны исполнения выходного каскада компаратора на одиночном транзисторе с , что обеспечивает одновременную совместимость с ТТЛ и КМОП логическими микросхемами.
Микросхемы компараторов не рассчитаны для работы с отрицательной обратной связью как ОУ и при их применении отрицательная обратная связь не используется. И наоборот, для формирования гистерезисной передаточной характеристики компараторы часто охватывают положительной обратной связью

Эта мера позволяет избежать быстрых нежелательных переключений состояния выхода, обусловленном шумами во входном сигнале, при медленно изменяющемся входном сигнале.
При проектировании микросхем компараторов уделяется особое внимание быстрому восстановлению входного каскада после перегрузки и смены знака разности входных напряжений. В быстродействующих компараторах для повышения быстродействия схемотехнически не допускают захода биполярных транзисторов в выходном каскаде в режим насыщения.. Компараторы охваченные положительной обратной связью имеют гистерезис и по сути являются двухпороговыми компараторами, часто такой компаратор называют триггером Шмитта.

Компараторы охваченные положительной обратной связью имеют гистерезис и по сути являются двухпороговыми компараторами, часто такой компаратор называют триггером Шмитта.

При равенстве входных напряжений реальные компараторы и ОУ, включенные по схеме компараторов дают хаотически изменяющийся выходной сигнал из-за собственных шумов и шумов входных сигналов. Обычная мера подавления такого хаотического переключения — введение положительной обратной связи для получения гистерезисной передаточной характеристики.

При программном моделировании компаратора возникает проблема выходного напряжения компаратора при одинаковых напряжениях на обоих входах компаратора. В этой точке компаратор находится в состоянии неустойчивого равновесия. Проблему можно решить множеством разных способов, описанных в подразделе «программный компаратор».

Программное моделирование компаратора

В программах в качестве первого приближения можно использовать простейшую модель асимметричного компаратора, в котором третье значение с равными величинами сравниваемых входных переменных постоянно приписывается к «0» или к «1», в примере, приведенном ниже, третье значение постоянно приписывается к «0»:

DEFINT Y
DEFSNG X
Xref=2.5
Xin=2.6
IF Xin>Xref THEN Y=1 ELSE Y=0 'Асимметричный компаратор
PRINT Y

В более сложных моделях симметричных компараторов третье значение можно, в рамках двоичной логики:

приписать к «0» или к «1» постоянно,
приписывать к «0» или к «1» случайным образом динамически,
учитывать предыдущее значение и считать равенство недостаточным для переключения,
учитывать первую производную и её равенство нулю считать недостаточным для переключения,

или выйти за рамки двоичной логики и:

для учёта третьего значения (равенство) применить соответствующую троичную функцию из чёткой троичной логики с чётким третьим значением.

Существующая проблема третьего состояния при программном моделировании, когда два числа, представленные кодовыми словами, могут быть в точности равны, на практике не имеет места: два напряжения не могут в точности совпадать, так как, во-первых, аналоговое напряжение величина неквантуемая, а во-вторых, существует шум, напряжение смещения входов компаратора, и иные возмущения, разрешающие неоднозначность даже в случае равенства входных напряжений аналогового компаратора.

Смещение напряжения и тока

Транзисторы дифференциальной схемы, помимо приложенных к напряжениям, также учитывают для сравнения их напряжение эмиттер-база. Эти напряжения складываются с внешними, что влияет на определение потенциала эмиттера и решение, какой транзистор подключить.

Это свойство называется смещением и является плохим явлением для схем с дифференциальным входом.

Под смещением следует понимать источник напряжения, который «имеет» компаратор и который последовательно подключен к одному из входов. Производители никогда не указывают точное значение смещения, так как оно зависит от агрегата, температуры и других факторов. Вместо этого они указывают диапазоны, например ± 5 мВ. Для электроники это означает, что такой компаратор должен возбуждаться дифференциальным напряжением, превышающим 5 мВ, потому что меньшие по размеру могут не правильно распознаваться.

Фрагмент каталожной записи LM311

В дополнение к смещению напряжения существует также смещение тока, то есть разница между токами, потребляемыми базами транзисторов, управляющих входами. Она упоминается гораздо реже, чем смещение напряжения, но вы должны знать о его существовании — это также вызвано различиями в параметрах транзисторов.

Где применяется компаратор напряжения

Часто КН применяют в градиентном реле — схема, которая реагирует на скорость изменения сигнала, например, фотореле. Такое устройство может использоваться в тех ситуациях, когда освещение меняется довольно стремительно. Например, в охранных установках либо датчиках контроля выпущенных изделий на конвейерах, где прибор станет реагировать на прерывание светового потока.

Еще одна часто используемая схема — датчик измерения температуры и изменения «аналогового» сигнала в «электронный». Оба измерителя преобразовывают амплитуду входящего сигнала в ширину выходящего импульса. Такое превращение довольно часто применяется в разнообразных цифровых схемах. Преимущественно, в измерительных устройствах, блоках питания импульсного типа, электронных усилителях.

Компаратор на операционном усилителе

У компараторов есть немалое сходство с операционными усилителями:

коэффициент усиления;
входное сопротивление;
значение входных токов;
состояние насыщения.

Чувствительность, по-другому разрешающая способность, – это специфический параметр. Она определяет точность сравнения. Характеризуется минимальной разностью сигналов, при которой происходит срабатывание компаратора. Ее значение у интегральных микросхем имеет сотен микровольт. Это несколько хуже, чем у компараторов на операционных усилителях.

Время переключения характеризует быстродействие компараторов. Определяется минимальным временем изменения выходного сигнала: от момента сравнения до момента срабатывания. Зависит от разности сигналов на входах. Значения времени переключения составляют десятки и сотни наносекунд.

Как сделать компаратор своими руками?

Кто умеет читать принципиальные схемы и паять, без труда соберет простейшие компараторы для использования в быту. Область применения весьма обширна. На них можно построить массу конструкций с минимальными затратами. Простейший компаратор – это операционный усилитель без положительной обратной связи.

В качестве основы для компаратора используется ОУ серии LM339. Для контроля и наглядности работы схемы введены красный и зеленый индикаторы

При подключении питания на ОУ должен засветиться один из светодиодов, причем какой из них – неважно. Это определяется множеством факторов: сетевые наводки на схему, особенности партии и параметров ОУ

Даже если взять несколько одинаковых микросхем, получатся различные результаты.

Если входной сигнал близок к «0» – будет светиться зеленый, а если близкое к напряжению питания, то красный светодиод. Затем можно попробовать сменить логическое состояние компаратора, подав на один из входов напряжение равное, например, половине напряжения питания ОУ. Сигнал на выходе не зависит от абсолютного значения напряжений на прямом и инверсном входе. А только от разницы напряжений.

Данные опыты демонстрируют работу компаратора без ПОС. Такой компаратор может быть использован там, где не требуется особой точности измерений. Такими приборами являются бытовые термостаты, зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов, устройства десульфатации (восстановления) автоаккумуляторов, фотореле.

Общие сведения

Компаратор — это сравнивающее устройство. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения непрерывно изменяющихся сигналов. Входные аналоговые сигналы компаратора суть U_вх — анализируемый сигнал и U_оп — опорный сигнал сравнения, а выходной U_вых — дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации:

(1)

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор — это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.

Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (рис. 1).

Рис. 1. Характеристики компараторов

Рис. 2. Процессы переключения компараторов

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину |U1_вых — U_вых| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (эпюра 1 на рис. 2) при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Такую характеристику можно имитировать двумя способами — или просто использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, или ввести положительную обратную связь.

Рассмотрим первый путь. Как бы велико усиление не было, при U_вх близком к нулю характеристика будет иметь вид рис. 1а. Это приведет к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении U_вх выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем (эпюра 2 на рис. 2). Еще хуже то, что при таком медленном изменении Uвх около нуля выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием помех (так называемый «дребезг», эпюра 3). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (рис. 1б). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (эпюра 4 на рис. 2), но существенно уменьшает или даже устраняет дребезг U_вых.

В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель (ОУ) так, как это показано на рис. 3. Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако, вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD₁ и диод VD₂.

Рис. 3. Схема компаратора на ОУ

Пусть R₁ = R₂. Если U_вх — U_оп > 0, то диод VD₂ открыт и выходное напряжение схемы небольшое отрицательное, равное падению напряжения на открытом диоде. При U_вх — U_оп < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации U_ст. Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных микросхем (ИМС), входы которых подключены к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме. Многие типы ОУ не допускают сколько-нибудь существенное входное дифференциальное напряжение. Включение по схеме на рис. 3 обеспечивает работу ОУ в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными и синфазными входными напряжениями. Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в линейном режиме со 100%-ной обратной связью. Используя для построения компаратора обычные ОУ, трудно получить время переключения менее 1 мкс.

Как работает вышеуказанная схема?

На макетной плате есть делитель напряжения (R3 и R4), благодаря которому, на инвертирующем входе LM311 напряжение составляет около 3 В. Аналогичный делитель подключен к инвертирующему входу, но есть потенциометр, который влияет на сопротивление всего делителя, что позволяет вручную настроить подключение на небольшой диапазон (в диапазоне от ~ 2,4 В до ~ 3,6 В). Благодаря этому мы можем наблюдать, как LM311 ведет себя при разных напряжениях на неинвертирующем входе.

Включаем питание и наблюдаем за диодом, медленно поворачивая потенциометр. При низком состоянии светодиод должен гореть, а при высоком — нет.


Низкое состояние на выходе — светодиод горит	Высокое состояние на выходе — светодиод не горит

В случае, когда потенциометр повернут в крайнее положение, на неинвертирующем входе будет около 2,4 В, что меньше 3 В на инвертирующем входе. Компаратор сравнивает напряжение на обоих входах. Итак, вспомним фрагмент из предыдущего описания:

Если напряжение на неинвертирующем входе ниже, чем на инвертирующем, то напряжение на выходе близко к отрицательному полюсу питания (например, к земле, 0 в).

Таким образом, в этой ситуации на выходе компаратора отображается потенциал, близкий к 0 В. Для упрощения — масса, то есть «минус от батареи». Следовательно, диод, подключенный к выходу компаратора, включен, потому что он подключен анодом (через резистор) к положительной шине питания, поэтому, когда на катоде с выхода компаратора появляется «минус», ток будет протекать и диод будет гореть.

После поворота потенциометра в другую сторону неинвертирующий вход будет иметь более высокое напряжение, поэтому на выходе компаратора мы получим напряжения, близкие к положительной шине питания. Проще говоря, будет «аккумулятор плюс». В этой ситуации светодиод будет подключен к плюсу «с двух сторон» (анод через резистор батареи и катод компаратора) и, следовательно, не будет гореть.

Что будет на выходе ОУ, если на обоих входах будет ноль вольт?

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

Кому верить? Никому! В реале, такое сделать невозможно, чтобы на два входа загнать абсолютно равные напряжения. Поэтому такое состояние ОУ будет неустойчивым и значения на выходе могут принимать значения или -E Вольт, или +E Вольт.

Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

Что можно сказать в этом случае? Когда синусоидальный сигнал находится в отрицательной области, на выходе ОУ у нас -Uпит, а когда синусоидальный сигнал находится в положительной области, то и на выходе имеем +Uпит.

Обозначение и технические характеристики

Компаратор – это устройство, которое сравнивает два разных напряжения и силу тока, выдает конечный силовой сигнал, указывая на большее из них, одновременно производя расчет соотношения. У него есть две аналоговые вводные клеммы с положительным и отрицательным сигналом и один двоичный цифровой выход, как и у АЦП. Для отображения сигнала используется специальный индикатор.

УГО отображение компаратора выглядите следующим образом:

Фото – УГО компаратора

Изначально использовался только интегрированный компаратор напряжения (MAX 961ESA, PIC 16f628a), который известен как высокоскоростной. Он требует определенного дифференциального напряжения в определенном диапазоне, который существенно ниже, чем напряжение сети питания. Эти приборы не допускают никаких других внешних сигналов, которые находятся вне диапазона напряжения сети.

Сейчас гораздо чаще используется аналоговый цифровой компаратор (Attiny/ Atmega 2313), у которого транзисторный ввод. У него вводный потенциал сигнала находится в диапазоне менее 0,3 Вольт и не поднимается выше. Устройство может быть также ультра быстрого типа (стереокомпаратор), благодаря чему входной сигнал меньше обозначенного диапазона, к примеру, 0,2 Вольта. Как правило, используемый диапазон ограничивается только конкретным входным напряжением.

Фото – Компаратор

Помимо простого прибора, также существует видеоспектральный компаратор на ОУ (операционном усилителе). Это прибор, у которого очень тонко сбалансирована разница входа и высокого сопротивления сигнала. Благодаря такой характеристики, операционный компаратор используется в низкопроводимых схемах с небольшим вольтажем.

Фото – схема компаратора

В теории, частотный операционный усилитель работает в конфигурации с открытым контуром (без отрицательной обратной связи) и может быть использован в качестве компаратора низкой производительности. Но при этом, не инвертирующий вход (+ V) находится на более высоком напряжении, чем на инвертирующий (V-). Высокое усиление, выходящее из операционного усилителя, провоцирует выход низкого напряжения на входе в устройство.

Когда неинвертирующий вход падает ниже инвертирующего входа, выходной сигнал насыщается при отрицательном уровне питания, то он все равно может проводить импульсы. Выходное напряжение ОУ ограничивается только напряжением питания. Принципиальная электрическая схема ОУ работает в линейном режиме с отрицательной обратной связью, с помощью сбалансированного сплит-источника питания (питание от ± V S ). Многие приборы, работающие с компаратором, также имеют свойство фиксировать полученные данные при помощи видео-, фото- или документальной записи. Эти электронные принципы не работают в системах, где используются разомкнутые контуры и низкопроводящие элементы.

Фото – простой компаратор

Но у компараторного усилителя существует несколько существенных недостатков:

Операционные усилители предназначены для работы в линейном режиме с отрицательной обратной связью. Но при этом, ОУ имеет более длительный режим восстановления;
Почти все операционные усилители имеют конденсатор внутренней компенсации, который ограничивает скорость нарастания выходного напряжения для высокочастотных сигналов. Исходя из этого, данная схема немного задерживает импульс;
Компаратор не имеет внутреннего гистерезиса.

Из-за этих недостатков, компаратор для управления различными схемами, в большинстве случаев, используется без усилителя, исключением является генератор.

Компаратор предназначен для производственных процессов с ограниченным выходным напряжением, которое легко взаимодействует с цифровой логикой. Поэтому его часто используются в различных термических приборах (терморегулятор, реле температуры). Также его применяют для сравнения сигналов и сопротивлений таких устройств, как таймер, стабилизатор и прочая схемотехника.

Фото – аналоговый компаратор

Видео: компараторы

Контроль уровня освещенности с помощью ОУ [3]

Многие современные портативные устройства с аккумуляторным питанием имеют дисплей. Как правило, дисплей вносит значительный вклад в общее потребление системы. Для его снижения, используют динамическую подстройку яркости экрана в зависимости от яркости внешнего освещения.

Для контроля освещенности очень часто используют простейшую схему, состоящую из фотодиода и трансимпедансного усилителя (рисунок 4). Этот усилитель необходим для преобразования тока фотодиода в напряжение. Так как ток фотодиода очень мал (субмилиамперный диапазон), то резистор обратной связи (Rf) должен быть большим. Усилитель MAX40007 хорошо подходит для данного приложения, так как обладает сразу несколькими достоинствами: малым значением входного тока (всего 40 пА), низким уровнем шума, и низким собственным потреблением. Типовое суммарное потребление схемы при максимальном уровне освещения не превышает 740 нА.