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 п