Приложения для сравнения

Компаратор — это электронный компонент, который сравнивает два входных напряжения. Компараторы тесно связаны с операционными усилителями , но компаратор предназначен для работы с положительной обратной связью и с его выходом, насыщенным на одной или другой шине питания. При необходимости операционный усилитель может быть задействован в качестве плохо работающего компаратора, но его скорость нарастания будет снижена.

Компаратор

Бистабильный выход, который указывает, какой из двух входов имеет более высокое напряжение. То есть,

${\displaystyle V_{\text{out}}={\begin{cases}V_{{\text{S}}+}&{\text{if }}V_{1}>V_{2},\\V_{{\text{S}}-}&{\text{if }}V_{1}<V_{2},\\0&{\text{if }}V_{1}=V_{2},\end{cases}}}$

где и — номинально положительное и отрицательное напряжения питания (на схеме не показаны). ${\displaystyle V_{{\text{S}}+}}$ ${\displaystyle V_{{\text{S}}-}}$

Пороговый детектор

Принципиальная схема порогового детектора с гистерезисом

Пороговый детектор с гистерезисом состоит из операционного усилителя и ряда резисторов , которые обеспечивают гистерезис. ^{[1] : 5  [2] : 7  [3]} Как и другие детекторы, это устройство функционирует как переключатель напряжения , но с важным отличием. Состояние выхода детектора напрямую не зависит от входного напряжения, а вместо этого зависит от падения напряжения на его входных клеммах (здесь именуемого Va). Из закона тока Кирхгофа это значение зависит от Vin и выходного напряжения самого порогового детектора, оба умноженных на отношение резисторов.

${\displaystyle V_{a}={R_{1} \over {R_{1}+R_{2}}}V_{in}+{R_{5} \over {R_{1}+R_{2}}}V_{THRout}}$

В отличие от детектора пересечения нуля, детектор с гистерезисом не переключается, когда Vin равен нулю; вместо этого выход становится Vsat+, когда Va становится положительным, и Vsat-, когда Va становится отрицательным. Дальнейшее изучение уравнения Va показывает, что Vin может превышать ноль (положительный или отрицательный) на определенную величину, прежде чем выход детектора будет вызван переключением. Регулируя значение R1, можно увеличить или уменьшить величину Vin, которая вызовет переключение детектора. Гистерезис полезен в различных приложениях. Он имеет лучшую помехоустойчивость, чем детектор уровня, который используется в интерфейсных цепях. Его положительная обратная связь имеет более быстрый переход, поэтому он используется в приложениях синхронизации, таких как частотомерах. Он также используется в нестабильных мультивибраторах, используемых в таких приборах, как генераторы функций.

Детектор пересечения нуля

Детектор пересечения нуля — это компаратор с опорным уровнем, установленным на ноль. Он используется для обнаружения пересечений нуля сигналов переменного тока. Он может быть выполнен из операционного усилителя с входным напряжением на его положительном входе (см. схему) ^{[ необходимо разъяснение ]} .

Когда входное напряжение положительно, выходное напряжение имеет положительное значение; когда входное напряжение отрицательно, выходное напряжение имеет отрицательное значение. Величина выходного напряжения является свойством операционного усилителя и его источника питания.

Области применения включают преобразование аналогового сигнала в форму, пригодную для измерения частоты, в системах фазовой автоподстройки частоты или для управления цепями силовой электроники, которые должны переключаться в определенном соотношении с формой волны переменного тока.

Этот детектор использует свойство, согласно которому мгновенная частота FM- волны приблизительно определяется выражением, где — разница во времени между соседними нулевыми пересечениями FM-волны. ${\displaystyle f_{i}={\frac {\Delta t}{2}}}$ ${\displaystyle \Delta t}$

^[4]

триггер Шмитта

Бистабильный мультивибратор, реализованный как компаратор с гистерезисом .

В этой конфигурации входное напряжение подается через делитель напряжения, образованный и (который может быть внутренним сопротивлением источника), на неинвертирующий вход, а инвертирующий вход заземлен или опорный. Кривая гистерезиса является неинвертирующей, а пороги переключения равны , где — наибольшая выходная величина операционного усилителя. ${\displaystyle {R_{1}}}$ ${\displaystyle {R_{2}}}$ ${\displaystyle \pm {\frac {R_{1}}{R_{2}}}V_{\text{sat}}}$ ${\displaystyle V_{\text{sat}}}$

В качестве альтернативы можно поменять местами источник входного сигнала и заземление . Теперь входное напряжение подается непосредственно на инвертирующий вход, а неинвертирующий вход заземлен или опорный. Кривая гистерезиса инвертирующая, а пороги переключения равны . Такая конфигурация используется в релаксационном генераторе, показанном ниже. ${\displaystyle \pm {\frac {R_{1}}{R_{1}+R_{2}}}V_{\text{sat}}}$

Релаксационный генератор

Используя RC-цепочку для добавления медленной отрицательной обратной связи к инвертирующему триггеру Шмитта, формируется релаксационный генератор . Обратная связь через RC-цепочку заставляет выход триггера Шмитта колебаться в бесконечной симметричной прямоугольной волне (т. е. триггер Шмитта в этой конфигурации является нестабильным мультивибратором ).

Ссылки

1. "AN-49 Application Note, Rev. A" (PDF) . Analog Devices . Получено 26 августа 2017 г. .
2. Chaniotakis; Cory (2006). "MIT OCW: Схемы операционных усилителей: компараторы и положительная обратная связь" (PDF) . Массачусетский технологический институт . Получено 26 августа 2017 г. .
3. Кей, Арт; Клейкомб, Тимоти (2014). "Comparator with Hysteresis Reference Design" (PDF) . Texas Instruments . Получено 26 августа 2017 г. .
4. Elliott Sound Products Application Notes: Детекторы пересечения нуля и компараторы