Операционные усилители

Схема аналогового компаратора на операционном усилителе

Эта схема сравнивает два напряжения и, в зависимости от их состояния, выдает высокий или низкий выходной сигнал. Можно сказать, что эта система сочетает в себе аналоговую и цифровую электронику.

это довольно интересно, так как в нем нет обратной связи (в базовой версии), что, в свою очередь, указывает на то, что сопротивление цепи бесконечно велико.

Мы подаем обработанный сигнал на положительный вход, а фиксированное (опорное) напряжение, установленное потенциометром, на отрицательный вход. Поскольку цепи обратной связи нет, коэффициент усиления бесконечно велик.

Когда напряжение входного сигнала превышает значение опорного напряжения, максимальное напряжение получается на выходе, то есть напряжение питания операционного усилителя. Когда напряжение на входе становится ниже опорного напряжения, на выходе будет отрицательный источник питания.

Такая работа схемы имеет существенный недостаток, а именно: ситуация, когда напряжения на обоих входах очень близки друг к другу, может вызвать очень частое изменение выходного напряжения. Это может привести к выходу из строя реле, включению и выключению нагревателей, что может привести к частым сбоям. Чтобы этого избежать, используются системы с гистерезисом.

Применение компаратора

Они используются в схемах измерения электрических сигналов и в аналого-цифровых преобразователях. В логических схемах работают элементы «или» и «не», которые также являются компараторами. Следовательно, использование этого компонента не ограничивается конкретными примерами, поскольку он используется повсеместно.

Читайте также: Фотореле для уличного освещения: выбор, схема подключения, настройка

Стоит отметить, что устройство сравнения можно сделать на любом операционном усилителе, но не наоборот. Коэффициент усиления компаратора довольно высокий. Следовательно, его входы очень чувствительны к разнице напряжений между ними. Расхождение в несколько милливольт значительно изменяет выходное напряжение.

Таким образом, компаратор позволяет наблюдать малейшие колебания уровней входного напряжения.

Это делает его незаменимым элементом в схемах сравнения и высокоточных измерительных приборах:

• индикаторы уровня входного сигнала;
• металлоискатели;
• микро- и милливольтметры;
• детекторы электромагнитного излучения;
• лабораторные датчики;
• компараторы массы;
• газоанализаторы.

Примеры современных малопотребляющих ОУ

Производители полупроводников чувствительны к рыночным тенденциям и оперативно предлагают новые решения. Например, у всех основных поставщиков операционных усилителей есть модели нано-усилителей, разработанные специально для устройств с батарейным питанием.

Maxim Integrated предлагает одноканальные операционные усилители MAX40007 и двухканальные операционные усилители MAX40018 (таблица 2).

Одноканальный операционный усилитель MAX40007 обычно потребляет всего 750 нА, что меньше, чем саморазряд многих типичных батарей. Этот операционный усилитель может работать при напряжении питания 1,7… 5,5 В, что позволяет ему оставаться активным даже при глубоком разряде аккумулятора или аккумулятора. Еще одним преимуществом MAX40007 является его компактный размер — всего 1,1 x 0,76 мм (WLP-6), что является рекордом в отрасли.

MAX40018 — это двухканальный операционный усилитель в сверхкомпактном корпусе WLP-8 размером всего 1,63 x 0,91 x 0,5 мм. Если пересчитать потребление и площадь на канал, MAX40018 более эффективен, чем MAX40007: для MAX40018 типичное потребление на канал составляет всего 400 нА, а площадь составляет 0,74 мм2 на операционный усилитель. Еще одно преимущество MAX40018 — низкий входной ток 0,1 пА.

вы можете использовать платы разработки MAX40007EVKIT и MAX40018EVKIT, чтобы ознакомиться с возможностями и функциями операционных усилителей Maxim.

Другие производители также поставляют операционные усилители на наноампер, но MAX40007 и MAX40018 являются предпочтительными вариантами для портативной электроники из-за их небольшого размера.

Таблица 2. Основные характеристики маломощных операционных усилителей

Параметр MAX40007MAX40018

Количество каналов	1	2
Напряжение питания, В	1,7… 5,5	1,7… 5,5
Потребление Iq тип.	750 нА	400 нА / канал
Максимальное входное напряжение смещения, мВ	± 1,3	± 1,3
Входной ток смещения тип., Па	40	0,1
Максимальный выходной ток, МА	тридцать	ветры
Входной шум, нВ / √Гц (1 кГц)	513	730
PSRR, дБ	100 (тип.)	88
GBP, кГц	15	девять
Корпус (размер, мм)	WLP-6 (1,1 × 0,76), СОТ-23 (2,90 х 1,60)	WLP-8 (1,63 х 0,91 х 0,5), ТДФН-8 (3 × 3 × 0,75)
Диапазон рабочих температур, ° С	-40… 125	-40… 125

Компараторы массы: понятие

Компаратор массы — устройство, предназначенное для выяснения разницы значений массы гирь при проверке эталонов массы и веса, а также для прецизионного взвешивания. Самые точные компараторы массы способны взвесить любой образец и сравнить его с аналогичным. Это происходит на атомарном уровне. Необходимость в таких устройствах возникает из-за несовершенства эталонных образцов весовых и объемных измерений жидкости.

Схема аналогового компаратора с гистерезисом на операционном усилителе

Схема работы цепи с гистерезисом аналогична, с той лишь разницей, что включение и выключение не происходит при одном и том же напряжении.

При чтении такого графика следует обращать внимание на направление стрелок, они показывают направление движения гистерезиса. Следуя слева направо, мы видим, что переход на низкий уровень происходит только при напряжении Uph, а двигаясь справа налево, выходное напряжение достигнет высокого уровня только при напряжении Upl.

Такое решение приводит к тому, что при одинаковых напряжениях на входах выход не меняет своего состояния, для этого необходимо, чтобы напряжения различались на значительную величину.

правда, такое решение вызывает некую инерционность системы, но, конечно, безопаснее схемы без гистерезиса. Это часто можно наблюдать в нагревательных приборах, содержащих термостат (утюги, печи и т.д.). Ниже представлена ​​принципиальная схема операционного усилителя, реализующего гистерезис:

Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Компараторы — название происходит от принципа работы — сравнение. Так рождаются устройства, выполняющие измерения относительно стандартной функции: весы с такими же рычагами, электрические потенциометры.
По основному принципу работы компараторы делятся на механические, электрические и оптические. Инструменты механического волочения используются для проверки размеров готовой длины. Компараторы для таких целей впервые были применены во Франции в 1792 году, сведения об этом есть в энциклопедиях. Этот механический компаратор использовался для проверки эталонного счетчика во время появления французской метрической системы. Точность таких измерений индикатора часового типа с рычагами достигала 0,0005 мм. Это большая точность для того периода времени.

Наша задача — рассмотреть используемые в современной электротехнике компараторы напряжения.

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Обычно выходом компаратора напряжения является выход с открытым коллектором.

Выход с открытым коллектором отрицательный. Это означает, что на этом выходе нет положительного сигнала, и нагрузка должна быть подключена между этим выходом и источником питания.

В некоторых схемах подтягивающий резистор подключен к выходу компаратора, чтобы обеспечить сигнал высокого уровня на входе следующего элемента схемы.

Операционные усилители (операционные усилители), такие как LM324, LM358 и LM741, обычно не используются в электронных схемах в качестве компараторов напряжения из-за их биполярных выходов. Однако эти операционные усилители можно использовать в качестве компараторов напряжения, подключив диод или транзистор к выходу операционного усилителя для создания выхода с открытым коллектором.

Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) ниже, чем напряжение на входе (-). В результате ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) выше, чем напряжение на входе (-).

Разберём несколько из примеров использования компараторов (рекомендованных для домашней сборки), для того чтобы лучше разобраться в том, как работает данная схема.

1. Датчик перегрева радиатора

Эта схема работает по следующему принципу: в зависимости от температуры термистор R5 будет иметь разное значение сопротивления. С повышением температуры его сопротивление увеличивается.

Если температура не достигла заданного значения, напряжение на выходе компаратора равно 0 и светодиод не горит.

Когда достигается температура, установленная потенциометром R3, компаратор переключается, светодиод загорается, информируя нас о перегреве термистора R5. На этом этапе вам нужно как-то охладить работу вашего контура, например, включив вентилятор или насос для откачки воды. Этого легко добиться, подключив обычное электромагнитное реле в качестве нагрузки к выходу компаратора.

Рисунок 3. Схема подключения датчика температуры.

2. Индикатор зарядки/разрядки батареи с двумя фиксированными уровнями.

Задача этого датчика предельно проста: сообщить держателю аккумулятора о его полном заряде и скором прекращении работы. Эта схема отличается от предыдущей тем, что основана не на одном, а на двух компараторах, но для современной техники это не проблема. Дело в том, что большинство современных операционных усилителей выпускаются в корпусе DIP8 / SO8 и содержат два операционных усилителя. Например, вот фрагмент datasheet (техническое описание микросхемы) используемого мной операционного усилителя:

Рис. 4. Распределение выводов микросхемы операционного усилителя NE5532.

Решается она следующим образом: входное напряжение подается на комплексный делитель R3-R5-R7. Результатом являются два аналоговых уровня, соответствующие неинвертирующим входам операционного усилителя.

То, что получится между резисторами R3-R5, скажет нам о глубокой разрядке аккумулятора, так как он будет работать при достаточно низком напряжении.

То, что получается между резисторами R5-R7, расскажет нам о полном заряде аккумулятора, так как он будет работать при высоком напряжении на выводах аккумулятора.

Сразу замечаю, что не раз собирал схему и тестировал ее на лабораторном блоке питания и реальном аккумуляторе. Поэтому все комментарии к конфигурации здесь особо не нужны, так как схема сразу работает практически без конфигурации. Схема отлично работает со свинцово-кислотными батареями 9 В и MeOH. Для популярных в последнее время литий-ионных аккумуляторов он немного меняется: современные литий-ионные аккумуляторы работают в диапазоне 4,2-2,4 В. Для них питание операционного усилителя выбрано на 2,4 В (для штатного стабилизатора), фиксированный опорный уровень вместо 2,5 В становится 1,2 В, и используются низковольтные операционные усилители. В остальном узор точно такой же.

Схема повторителя напряжения на операционном усилителе

Повторитель напряжения — одна из простейших схем, в которых используется операционный усилитель. Его основная и единственная характеристика состоит в том, что система не усиливает и не ослабляет сигнал, т.е k = 1. Эта характеристика обусловлена ​​нулевым сопротивлением цепи обратной связи.

Системы этого типа в основном используются в качестве буферов, например, для увеличения производительности и тока нагрузки. Поскольку входной ток почти равен нулю, а выходной ток зависит от типа усилителя, можно легко разрядить источники сигнала малой мощности, такие как некоторые датчики.

Особенности цифровых компараторов

Компараторы также используются в цифровой технике, хотя на первый взгляд это звучит парадоксально. Ведь уровней напряжения всего два: единичный и нулевой. И сравнивать их бесполезно. Но вы можете сравнить два двоичных числа, в которые вы можете преобразовать любое аналоговое значение (включая напряжение).

Есть два двоичных слова одинаковой длины в битах:

Они считаются равными по значению, если все биты равны бит за битом:

Если хотя бы один бит отличается, числа не совпадают. Более высокое число определяется поразрядным сравнением, начиная со старшего бита:

• 1101> 0101 — здесь первый бит X больше, чем первый бит Y, и X> Y;
• 1 101> 1 001 — первые биты такие же, но второй бит X больше и X> Y;
• 11 01 10 — Y имеет третий по величине бит, и наибольшее значение младшего бита X не имеет значения, X Объявление

• кроме того;
• меньше;
• это равно.

В отличие от аналоговых устройств с двоичными компараторами равенство на входах не является нежелательной ситуацией, и никто не пытается этого избежать.

Такое устройство также легко построить программно, используя функции булевой алгебры. Другой вариант — многие микроконтроллеры имеют аналоговые компараторы «на борту» с отдельными внешними выводами, которые выводят во внутреннюю схему готовый результат сравнения двух значений в виде 0 или 1. Это экономит ресурс небольших вычислений системы.

Входное напряжение смещения компаратора

Компараторы не являются идеальными устройствами, и на их работу могут влиять такие параметры, как входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения для многих компараторов может составлять несколько милливольт и может игнорироваться в большинстве схем.

Обычно проблема с входным напряжением смещения возникает, когда входное напряжение изменяется очень медленно. Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не открывается или не закрывается полностью, когда входное напряжение близко к опорному напряжению.

На следующей диаграмме показано влияние смещения входного напряжения в результате медленного изменения входного напряжения. Этот эффект усиливается с увеличением выходного тока транзистора. Поэтому для уменьшения этого эффекта необходимо обеспечить максимальное сопротивление резистора R4.

Влияние входного напряжения смещения можно уменьшить, добавив к схеме гистерезис. Это вызовет изменение опорного напряжения при повышении или понижении выходного сигнала компаратора.

Вопросы применения прецизионных компараторов

Компараторы обычно используются в самых разных приложениях. Во многих случаях точность сравнения уровней напряжения не критична и может варьироваться в пределах нескольких сотен милливольт, например, в схеме моделирования прямоугольной волны. Однако существует множество приложений с очень строгими требованиями к сравнению напряжения. В этой статье обсуждается несколько проблем, связанных с использованием обычных компараторов для точного определения уровня напряжения, и обсуждается новый прецизионный компаратор. Статья представляет собой сокращенный перевод 1

Базовая схема компаратора

Компаратор — это усилитель с высоким коэффициентом усиления, который используется для усиления небольшого дифференциального сигнала на входе и управления выходным сигналом в одном из двух состояний. На рисунке 1 показана базовая схема компаратора в неинвертирующей и инвертирующей конфигурациях. Входной сигнал сравнивается с пороговым напряжением VTH, и состояние выхода изменяется в зависимости от того, является ли входное напряжение ниже или выше значения VTH. На рисунках 1b и 1d показана передаточная функция схемы компаратора. При использовании неинвертирующего компаратора выход будет положительным, если входной сигнал больше VTH. С инвертирующим компаратором выход будет отрицательным, если входной сигнал больше VTH.

Рис. 1. Передаточная функция неинвертирующих и инвертирующих компараторов

Коэффициент усиления компаратора определяет дифференциальное входное напряжение, которое управляет высоким или низким состоянием выходного сигнала. Например, если коэффициент усиления компаратора составляет 80 дБ (т. Е. 10 000), а напряжение питания составляет 5 В, дифференциальное входное напряжение должно быть 0,5 мВ, чтобы проверить состояние выходного сигнала. Когда входной сигнал и пороговое напряжение близки, из-за шума и помех на этих сигналах выход компаратора постоянно изменяется — он вибрирует. Чтобы избежать дребезга с помощью положительной обратной связи — резисторы Rf и Ri на рисунке 2 — введен гистерезис переключения (см. Рисунки 2b и 2d).

Рис. 2. Передаточная функция неинвертирующих и инвертирующих компараторов со схемой гистерезиса

Положительная обратная связь усиливает разницу между сигналом напряжения и опорным напряжением VTH в точке переключения и генерирует два разных порога: один для положительного входа и один для отрицательного входа. На рисунке 2 одно из этих значений обозначено как переходное напряжение нижнего состояния (NPS), а другое как переходное напряжение верхнего состояния (переходное напряжение верхнего состояния). Схема гистерезиса позволяет устранить шум, амплитуда которого меньше ширины петли гистерезиса, и предотвратить многократный переход из одного состояния в другое. Обсуждение использования компараторов со схемой гистерезиса требует определения термина «напряжение переключения состояния». Это фактическое значение напряжения сигнала, которое влияет на переключение выходного состояния компаратора и имеет два разных значения в зависимости от выходного напряжения этого устройства. VTH — это пороговое напряжение, используемое для сравнения. — STV (State Transition Voltage) — напряжение переключения состояния (STV), при котором выходной сигнал изменяет одно из двух своих значений. — USTV — коммутируемое напряжение в верхнем состоянии (верхнем состоянии), которое выше порогового напряжения VTH. — LSTV — нижнее коммутируемое напряжение (LSTV), которое ниже порогового напряжения VTH. Хотя схема гистерезиса устраняет пульсации на коммутационном выходе, фактическое значение LPC становится менее точным. При отсутствии гистерезиса значения для VTH, NSAID и LPNS одинаковы. При использовании схемы гистерезиса LARP и LPSS зависят от значения точности резисторов обратной связи, выходных напряжений насыщения, значения VTH и импеданса любого источника, связанного с источником сигнала или источником порогового напряжения. Напряжение на входе + IN неинвертирующего компаратора со схемой гистерезиса (см. Рис. 2а) определяется по следующему уравнению:

+ IN = VSRf / (Ri + Rf) + V0Ri / (Ri + Rf) (1)

Уравнение 1 не учитывает влияние входного напряжения смещения и входных токов смещения. Выходное напряжение VO принимает два значения: низкое (VOL) и высокое напряжение насыщения (VOH), в зависимости от входного значения + IN. Эти параметры перечислены в большинстве таблиц. NPC зависит от входного сигнала VS, где + IN = VTH. Уравнение 2 описывает неинвертирующее напряжение NPS:

Читайте также: Сравнение разных типов ламп

+ IN = VTH = VSRf / (Ri + Rf) + V0HRi / (Ri + Rf) (2)

Уравнение 3 описывает неинвертирующее напряжение NSAID:

+ IN = VTH = VSRf / (Ri + Rf) + V0LRi / (Ri + Rf) (3)

На рисунке 2c показан инвертирующий компаратор, использующий схему гистерезиса, а напряжение на входе + IN определяется уравнением 4:

+ IN = VTH Rf / (Ri + Rf) + V0Ri / (Ri + Rf) (4)

Уравнение 4 также не учитывает влияние входного напряжения смещения и входных токов смещения. Уравнение 5 описывает обратное напряжение LPS:

+ IN = VS = VTH Rf / (Ri + Rf) + V0HRi / (Ri + Rf) (5)

Уравнение 6 описывает неинвертирующее напряжение NSAID:

+ IN = VS = VTH Rf / (Ri + Rf) + V0LRi / (Ri + Rf) (6)

В случае неинвертирующего компаратора уравнения 2 и 3 используются для расчета семейства кривых, показывающих влияние схемы гистерезиса этого типа на фактические значения LPC и на положение контура вблизи VTH.

Рис. 3. Состояния переключения неинвертирующего компаратора напряжения

На рисунке 3 показан график зависимости OPS от VTH, который варьируется в диапазоне 0… 5 В. На этом графике есть две точки пересечения. График + IN = VTH отмечен черным цветом, показывая напряжения на входах компаратора и значения, при которых его выходной сигнал изменяет состояние. Красная (LPS) и синяя (LPS) линии представляют зависимость коммутационных напряжений верхнего и нижнего состояний от входного сигнала Vs неинвертирующего компаратора. Эти графики построены в соответствии с уравнениями 2 и 3, предполагая, что + IN = VTH, Rf = 100 кОм, Ri = 20 кОм, VOL = 0 В и VOH = 5,0 В. Во время работы этой схемы выходной сигнал компаратора переключается в верхнее состояние, если Vs больше LEL, и в нижнее состояние, если Vs меньше LLL. Главный вывод — наблюдаемая асимметрия гистерезиса при изменении VTH, т.е положение кривой гистерезиса смещено в сторону VTH, за исключением одной точки, и зависит от VTH. Таким образом, мы выявили несколько существенных источников ошибок, влияющих на работу компаратора базового типа с внешней схемой гистерезиса. Для некоторых сравнительных приложений точность LPC не критична, но для широкого спектра приложений требуется точное и легко контролируемое коммутируемое напряжение. Одним из таких типов приложений является «выдача» приложений. Рассмотрим, например, рентгеновское приложение для управления экспозицией рентгеновской пленки. Тщательный контроль экспозиции во время диагностики сводит к минимуму воздействие рентгеновских лучей на пациента. Схема этого приложения показана на рисунке 4.

Рис. 4. Дозиметр рентгеновского излучения с программируемой экспозицией

Он выполняет две функции: обнаруживает рентгеновское излучение с помощью ионизационной камеры и генерирует интерфейсный ток IC, пропорциональный интенсивности излучения, и усилитель напряжения с регулируемым током, который включает в себя сам усилитель A1 и резистор Rf, который преобразует ток ионизационной камеры в полученную дозу напряжения по формуле

Доза = IIC Rf

Усилитель LMP7721 используется для A1, который работает с очень низким входным током смещения 3 фА и сигналами от источника с высоким импедансом, которым в данном случае является ионная камера. Усилитель А2 — интегратор для измерения мощности суммарной дозы:

Доза = 2 / RCINT∫0t Dose_Rate dt

Компаратор LMP7300 используется для подачи сигнала о требуемой дозе, которая возникает, когда выход интегратора на входе 1 сравнивается с пороговым напряжением на входе 2. В этом типе применения требуемая доза зависит от многих факторов, таких как плотность тела пациента. Схема на рисунке 4 имеет 12-разрядный ЦАП для установки порогового напряжения компаратора. LMP7300 обеспечивает точное и стабильное опорное напряжение 2048 В, которое усиливается до 4096 В усилителем A3 и обеспечивает опорное напряжение для ЦАП, обеспечивая программируемое пороговое напряжение для компаратора LMP7300. Еще одна особенность этого приложения — использование LM2787 и LM285-2.5 для создания отрицательного напряжения питания 0,25 В для усилителей A1 и A2. Это низкое напряжение позволяет обнулить амплитуду выходного сигнала усилителя и избежать насыщения около 0 В (униполярное питание!) Усилителей A1 и A2. В этом приложении компаратор должен обеспечивать точное запрограммированное пороговое напряжение для оптимизации времени экспонирования пленки. Это напряжение не должно зависеть от амплитуды гистерезиса, величины собственного порогового напряжения компаратора и допусков для напряжения насыщения на выходе компаратора и резисторов обратной связи. Этим требованиям отвечает прецизионный компаратор, такой как LMP7300. На рисунке 4 показано, что LMP7300 имеет независимые функции компаратора и управления гистерезисом. Кроме того, положительный и отрицательный гистерезис, которые управляют NPS и NPS, соответственно, имеют независимые управляющие входы. Смысл этого подхода становится понятным из рисунка 5, который иллюстрирует передаточную функцию компаратора для комбинации входных сигналов и управления гистерезисом. Этот компаратор эффективно отделяет пороговое напряжение сравнения VTH от LLLT и LLLT, тем самым решая задачу обеспечения точного сравнения сигналов с использованием гистерезиса.

Рис. 5. Независимый контроль гистерезиса для LMP7300

Гистерезис LMP7300 управляется разностью напряжений между опорным напряжением VREF и напряжением, подаваемым на выводы HYSTP и HYSTN. Диаграммы a и b на рисунке 5 показывают два варианта подключения гистерезиса. Если вывод гистерезиса подключен непосредственно к VREF, эта часть петли будет удалена. Из рисунка 4 видно, что амплитуда гистерезиса составляет около 20 мВ: 2,048 (1 кОм / (1 кОм + 100 кОм)) = 0,0203.

Поскольку амплитуда гистерезиса вычитается из VTH, нет необходимости, чтобы R5 и R6 были прецизионными резисторами. Ширина петли гистерезиса может быть сколь угодно большой без изменения значения VTH. Поэтому на примере прецизионного компаратора LMP7300 мы увидели, как он преодолевает взаимодействие между пороговым напряжением и гистерезисом, которое обычно возникает в компараторах с внешними резисторами обратной связи.

Аналоги LM358

Полные аналоги LM358 от разных производителей NE532, OP04, OP221, OP290, OP295, OPA2237, TA75358P, UPC358C. Для LM358D-KIA358F, NE532D, TA75358CF, UPC358G.

Большое количество подобных операционных усилителей доступно с LM358. Например, LM158, LM258, LM2409 имеют схожие характеристики, но разные диапазоны рабочих температур.

Вид	Минимальная температура, ° С	Максимальная температура, ° C	Диапазон питающего напряжения, В
LM158	-55	125	от 3 (± 1,5) до 32 (± 16)
LM258	-25	85	от 3 (± 1,5) до 32 (± 16)
LM358	70	от 3 (± 1,5) до 32 (± 16)
LM358	-40	85	от 3 (± 1,5) до 26 (± 13)

Если диапазона 0..70 градусов недостаточно, стоит использовать LM2409, однако следует учитывать, что у него уже есть диапазон мощностей:

Кстати, если вам нужен всего один операционный усилитель в компактном 5-выводном корпусе SOT23-5, то вполне можно использовать LM321, LMV321 (аналоги AD8541, OP191, OPA337). И наоборот, если вам нужно большое количество соседних операционных усилителей, вы можете использовать четырехканальный LM324 в 14-выводном корпусе. Можно полностью сэкономить место и конденсаторы по цепям питания.

Обозначение и технические характеристики

Компаратор — это устройство, которое сравнивает два разных напряжения и тока, выводит сигнал конечной мощности, указывая наибольшее из них, при вычислении отношения. Он имеет две аналоговые входные клеммы с положительным и отрицательным сигналом и двоичный цифровой выход, как и АЦП. Для отображения сигнала используется специальный индикатор.

Первоначально использовался только встроенный компаратор напряжения (MAX 961ESA, PIC 16f628a), известный как высокоскоростной. Для этого требуется определенное дифференциальное напряжение в определенном диапазоне, которое значительно меньше напряжения сети. Эти устройства не допускают других внешних сигналов вне диапазона напряжения сети.

В настоящее время гораздо чаще используется аналогово-цифровой компаратор (Attiny / Atmega 2313), имеющий транзисторный вход. Его потенциал входного сигнала находится в диапазоне ниже 0,3 В и не превышает. Устройство также может быть сверхбыстрого типа (стереокомпаратор), для которого входной сигнал ниже указанного диапазона, например 0,2 Вольт. Обычно используемый диапазон ограничивается только конкретным входным напряжением.

Индикатор переменного напряжения 220 В

Рассмотрим первый более простой вариант индикатора сети на светодиоде. Используется в шуруповертах для нахождения фазы 220 В. Для реализации нам потребуются:

Вы можете выбрать абсолютно любой светодиод (HL). Характеристики диода (VD) должны быть примерно такими: прямое напряжение, при прямом токе 10-100 мА — 1-1,1 В. Обратное напряжение 30-75 В. Резистор (R) должен иметь сопротивление при минимум 100 кОм, но не более 150 кОм, иначе яркость индикатора будет тускнеть. Такое устройство можно сделать самостоятельно в шарнирной форме, даже без использования печатной схемы.

Схема примитивного индикатора тока будет аналогичной, только нужно использовать емкостной резистор.

Texas Instruments LM339-N CD4066B CD4070B

Оконные компараторы позволяют разделить входной сигнал произвольной формы, по крайней мере, на сигналы низкого, среднего (окна) и высокого уровня, что затем позволяет использовать эти сигналы для решения проблем регулирования, автонастройки, мониторинга. Источники питания, мониторинг уровня входные сигналы, извлечение данных или их отдельные передачи и т д.

На рисунке 1 показана схема аналогового оконного компаратора с возможностью управления положением окна на шкале напряжения и регулировки ширины этого окна. Устройство построено на основе двух аналоговых компараторов DA1.1 и DA1.2 микросхемы LM339. Начальное смещение (положение окна) устанавливается с помощью потенциометра R11, а ширина окна от нуля вверх устанавливается с помощью триммера R3. Напряжение E / 2 подается на входы сравнения компаратора через резистивный делитель напряжения R13, R14, где E — напряжение питания устройства.

Рисунок 1.	Схема аналогового оконного компаратора с регулируемым положением и шириной окна, с аналоговыми и цифровыми выходами.

При подаче на вход оконного компаратора сигнала произвольной положительной полярности с напряжением до 10 В производится сравнение уровней напряжения на его входах и переключение состояний компараторов с формированием цифровых сигналов блока логику уровня к своим выходам. Транзисторный каскад BC547 VT1 предназначен для генерации сигнала логической единицы, соответствующего положению окна компаратора.

Особенность компаратора в том, что с увеличением положения начала окна его ширина уменьшается.

Устройство имеет цифровой (a, b, c) и аналоговый (A, B, C) выходы: a и A — положение низкого уровня; б и б — окна; ce C — высокий уровень.

Фигура 2.	Динамика электрических процессов в различных точках аналогового оконного компаратора при подаче на его вход линейно возрастающего напряжения.

На рис. 2 показаны схемы процессов, наблюдаемых на цифровом входе и выходе оконного компаратора, а на рис. 3 — схемы входных и выходных сигналов на его аналоговых выходах.

• 
  Применение силы Лоренца

Рисунок 3.	Динамика электрических процессов в различных точках аналогового оконного компаратора при подаче на его вход аналогового сигнала произвольной формы положительной полярности.

На рисунке 4 представлена ​​принципиальная схема компаратора управляемого окна на цифровой микросхеме DD1 CD4070BD. Принцип его работы такой же, как и у описанного ранее устройства. Максимально возможную ширину окна можно регулировать постепенно включением дополнительных диодов в цепи VD1 — VDn и постепенно с помощью регулирующего резистора R3. Компаратор имеет только цифровые выходы, хотя ничто не мешает ему расширить свои возможности за счет добавления аналоговых каналов, как в случае аналогового компаратора, показанного на рисунке 1.

Рисунок 4.	Схема цифрового оконного компаратора с регулируемым положением и шириной окна.

Динамика электрических процессов во входных и выходных цепях цифрового оконного компаратора при подаче на его вход треугольного сигнала показана на рисунке 5.

Рисунок 5.	Динамика электрических процессов в различных точках цифрового оконного компаратора при подаче на его вход треугольного сигнала.

Несколько тонкостей работы с компараторами.

Этот материал написан для людей, которые уже пробовали работать с компараторами и хотят узнать больше по этой теме:

1. Чувствительность компаратора зависит от значения минимального напряжения между входами. Если вы хотите проводить очень точные измерения, например, извлекать 0,001 * C из контура охлаждения, будьте готовы к тому, что вы потерпите неудачу из-за ограничений микросхемы

2. Во время переключения компаратор на время включается. Это свойство в основном проявляется при обнаружении радиочастотных сигналов. Если ваши рабочие частоты доходят до 100 кГц, вы можете не беспокоиться об этом параметре на всех современных операционных усилителях. В противном случае посмотрите на величину скорости роста сигнала. Обычно для современных операционных усилителей это значение составляет единицы / десятки вольт в микросекунду. В вашем случае он рассчитывается по формуле:

Если это значение больше параметра операционного усилителя, операционный усилитель изменяется. На экране осциллографа вы увидите сильное срывание прямоугольной волны на выходе операционного усилителя до треугольной волны.

3. В некоторых случаях полезно реализовать гистерезис (задержку) положительной обратной связи, но мы рассмотрим это более подробно на одном из следующих семинаров.

В конце концов, вот вам приятное удовольствие, раз уж вы дочитали до конца. Вот видео от автора статьи о компараторах, из которого можно выделить много интересного и полезного.

Правильное питание ОУ

Вероятно, не будет секретом, что для работы операционного усилителя он должен быть запитан, например, подключить его к источнику питания. Но есть интересный момент, как мы убедились только что ранее, операционный усилитель может выдавать напряжение на выходе как положительной, так и отрицательной полярности. Как это может быть?

И это может быть! Это связано с использованием биполярного источника питания, очевидно, что можно использовать и униполярный источник, но в этом случае возможности операционного усилителя будут ограничены.

В общем, при работе с блоками питания многое зависит от того, что мы взяли за отправную точку, например, для 0 (ноль). Давайте разберемся.

Пример на батарейках

Обычно примеры проще давать на пальцах, но в электронике думаю, что пальчиковые батарейки тоже подойдут

Допустим, у нас есть обычная пальчиковая батарейка (батарейка АА). У него два полюса: положительный и отрицательный. Когда мы принимаем отрицательный полюс за ноль, мы считаем его нулевой точкой отсчета, поэтому в результате положительный полюс батареи будет показывать + 5В (значение с плюсом).

Мы можем увидеть это с помощью мультиметра (кстати, статья о мультиметрах в помощь), просто подключите черный отрицательный щуп к минусу батареи, а красный щуп к плюсу и вуаля. Здесь все просто и логично.

Теперь немного усложним задачу и возьмем точно такую ​​же вторую батарею. Подключаем батареи последовательно и рассматриваем, как меняются показания измерительных приборов (мультиметров или вольтметров) в зависимости от различных точек приложения щупов.

Если мы возьмем отрицательный полюс крайнего аккумулятора за ноль и подключим измерительный щуп к положительному полюсу аккумулятора, мультиметр покажет нам значение +10 В.

Если за точку отсчета взять положительный полюс батареи, а измерительный щуп подключен к минусу, любой вольтметр покажет нам -10 В.

Но если за точку отсчета взять точку между двумя батареями, то в результате мы можем получить простой биполярный источник питания. И можете быть уверены в этом, мультиметр нам подтвердит, что это так. У нас будет напряжение как положительной полярности + 5В, так и напряжение отрицательной полярности -5В.

Схемы источников двуполярного питания

Я привел примеры батарей в качестве примера, чтобы было понятнее. Теперь давайте взглянем на несколько примеров простых схем раздельного питания, которые вы можете использовать в своих проектах радиолюбителей.

Схема с трансформатором, с отводом от «средней» точки

И первая цепь питания для операционного усилителя перед вами. Это довольно просто, но я немного объясню, как это работает.

Схема питается от нашей знакомой домашней сети, поэтому неудивительно, что на первичную обмотку трансформатора поступает переменный ток 220В. Затем трансформатор преобразует переменный ток 220В в такой же переменный, но уже 30В. Вот как мы хотели сделать трансформацию.

Да, на вторичной обмотке будет переменное напряжение 30В, но обратите внимание на отвод от середины вторичной обмотки. На вторичной обмотке делается ответвление, и количество витков перед этим ответвлением равно количеству витков после ответвления.

Благодаря этой ветви мы можем получить переменное напряжение 30 В и изменение 15 В на выходе вторичной обмотки. Мы кладем эти знания на службу.

Далее нам нужно выпрямить смену и превратить ее в постоянную, тогда диодный мост нам поможет. Диодный мост с этой задачей справился и на выходе мы получили не очень стабильную постоянную 30В. Это напряжение нам покажет мультиметр, если мы подключим щупы к выходу диодного моста, но мы должны помнить ответвление на вторичной обмотке.

Мы проводим эту ветвь дальше и подключаем ее между электролитическими конденсаторами, а затем между следующей парой высокочастотных конденсаторов. Чего мы этим добились?

Мы достигли нулевой точки отсчета между полюсами потенциалов положительной и отрицательной полярности. В результате на выходе мы имеем достаточно стабильное напряжение как + 15В, так и -15В. Эту схему, конечно, можно еще улучшить, если добавить встроенные стабилитроны или стабилизаторы, но тем не менее указанная схема уже справляется с задача питания операционных усилителей.

LM358 DataSheet на русском, описание и схема включения

Микросхема LM358, как написано в ее DataSheet, является универсальным решением, так как схема включения наиболее популярных устройств очень проста, в тех случаях, когда нет жестких требований по быстродействию, рассеиваемой мощности и нестандартному напряжению питания. Низкая стоимость, отсутствие необходимости подключения дополнительных элементов частотной коррекции, возможность использования полного диапазона стандартных напряжений питания (до +32 В) и низкое потребление тока делают его кандидатом номер один для электронных проектов с операционными усилителями.

LM358 цоколевка

LM358 состоит из двух операционных усилителей, каждый с 4 контактами, которые служат своей цели. Всего контактов 8. Выпускаются в различном исполнении корпусов, для объемных ДИПов и для поверхностного монтажа на плате СО. Их также можно найти в расширенных пакетах SOIC, VSSOP, TSSOP.

Назначение контактов для всех типов шкафов одинаковое: 2,3, 5,6, — входы, 1,7 — выходы, 4 — минус источник питания, 8 — плюс источник питания.

Технические характеристики

Ниже приведены эксплуатационные пределы для диапазона рабочих температур окружающей среды TA от 0 ° C до + 70 ° C, если не указано иное.

Основные электрические характеристики, при температуре окружающей среды TA = 25 ° C.

Рекомендуемые условия эксплуатации в диапазоне рабочих температур окружающей среды, если не указано иное:

Восприимчивость устройства к повреждению электростатическим разрядом (ESD):

Кроме того, это устройство имеет тепловые характеристики:

Схемы подключения

Ниже приведены несколько простых схем подключения lm358, которые могут быть вам полезны. Все они вводные, поэтому обязательно все проверьте, прежде чем внедрять их в производственную зону.

Преобразователь напряжение — ток.

Неинвертирующий усилитель средней мощности.

Аналоги

Аналогами LM358 можно считать микросхемы, в которых указаны идентичные характеристики. К ним относятся: LM158, LM258, LM2904, LM2409. Эти микросхемы незначительно отличаются от описанной по своим тепловым параметрам и подходят для замены большинства конструкций.

Для его замены можно использовать: GL 358, NE 532, OP 04, OP 221, OP 290, OP 295, OPA 2237, TA7 5358-P, UPC 358C, AN 6561, CA 358E, HA 17904. Отечественные аналоги lm358: KR1401UD5 , КР1053УД2, КР1040УД1.

Для замены также может подойти аналог по электрическим параметрам, но уже с четырьмя операционными усилителями в одной микросхеме — LM324.

Маркировка

Префикс LM изначально использовался в маркировке общего назначения компанией National Semiconductor. Цифры «358» — его серийный номер. В 2011 году эту компанию купил другой производитель электроники Texas Instruments. С этого года префикс «LM» является кодом производителя Texas Instruments, но, несмотря на это, другие производители используют этот код для маркировки своей продукции. Микросхемы LM358, LM358-N и LM358-P имеют одинаковые технические параметры. Большинство компаний-производителей обозначают пластиковые корпуса PDIP как «-N», «-P.

В технических описаниях представлены такие типы: LM358A, LM358B, LM358BA. Это указывает на следующее поколение отраслевого стандарта LM358. Устройства «B» могут быть доступны в более современных микрокорпусах TSOT и WSON.

Применение

Lm358 широко используется в:

• мигающие устройства»;
• блоки питания и зарядные устройства;
• схемы управления двигателем;
• материнские платы;
• сплит-системы для внутреннего и наружного применения;
• бытовая техника: посудомоечные, стиральные машины, холодильные установки;
• инверторы различных типов;
• источники бесперебойного питания;
• контроллеры и др.

Возможности использования микросхемы производители обычно указывают в технических описаниях своих устройств.

Принцип работы

Чтобы продемонстрировать, как работает высокоскоростной гистерезисный компаратор, вам нужно взять схему с двумя выходами.

Фото — схема компаратора

Схема подключения, с которой можно понять принцип работы компаратора, приведена выше. Используя аналоговый сигнал на входе +, который называется «неинвертирующий», и на выходе, называемый «инвертированный», устройство использует два аналогичных сигнала противоположной полярности. В этом случае, если аналоговый вход больше, чем аналоговый выход, выход будет «1», и это активирует открытый коллектор транзистора Q8 на эквивалентной схеме LM339, который должен быть включен. Но, если на входе отрицательный уровень, сигнал будет равен «0», поэтому коллектор будет закрыт.

Практически всегда двухпороговый или фазовый компаратор (например, с транзисторами, без усилителя) воздействует на входы в логических схемах, соответственно, работает на уровне заданной сети питания. Это своего рода переходный элемент между аналоговыми и цифровыми сигналами. Такой принцип работы позволяет не указывать достоверность или неопределенность выходных сигналов, поскольку компаратор всегда имеет какую-то петлю гистерезиса (независимо от ее уровня) или конечное усиление.