Op-amp komparatori pružaju jednostavan način za upoređivanje napona i pretvaranje analognih signala u jasne visoke ili niske izlaze. Oni se široko koriste u krugovima zasnovanim na pragu, ali pouzdan rad zavisi od razumevanja njihovog ponašanja i granica. Ovaj članak objašnjava kako oni rade, kako ih konfigurisati i kada su praktični za korišćenje.
Pregled komparatora
Komparator je kolo koje upoređuje dva ulazna napona i menja svoje izlazno stanje na osnovu kojih je jedan veći. Pretvara analogni nivo u jednostavnu odluku o pragu određivanjem da li je signal iznad ili ispod definisane reference.
Ova funkcija se obično koristi u detekciji praga. Na primer, napon senzora može se uporediti sa referentnim nivoom da pokrene akciju kada se postigne uslov. U takvim slučajevima, histereza se često dodaje kako bi se sprečilo nestabilno prebacivanje izazvano malim varijacijama.
KSNUMKS. Kako Op-amp funkcioniše kao komparator
Operativni pojačalo (op-amp) može da funkcioniše kao komparator kada se koristi bez povratne informacije. U ovom režimu, on pojačava razliku napona između svojih ulaza dok izlaz ne dostigne jednu od svojih granica.
Ako je neinvertirajući ulaz (+) veći od invertirajućeg ulaza (–), izlaz ide visoko. Ako se desi suprotno, izlaz ide nisko. Za razliku od linearnog rada, op-amp se vozi u zasićenje, stvarajući jasan visok ili nizak izlaz umesto proporcionalnog signala. Izlaz se kreće prema šinama za snabdevanje, mada možda neće doći do njih, osim ako je op-amp šina-šina.
Da bi se osigurao pravilan rad, ulazni naponi moraju ostati u okviru zajedničkog režima op-amp, čak i kada se koristi jedno napajanje. Kada se shvati osnovna operacija, sledeći korak je definisanje kako je komparator povezan i gde se prebacuje.
Konfiguracija komparatora i dizajn praga
Op-amp komparator može biti povezan na dva uobičajena načina: ne-invertirajući ili invertirajući.
Neinvertirajući komparator
• Ulazni signal → neinvertirajući (+) terminal
• Referentni → invertirajući (–) terminal
• Izlaz ide VISOKO kada ulaz prelazi referentni
Inverting komparator
• Ulazni signal → invertirajući (–) terminal
• Referentni → neinvertirajući (+) terminal
• Izlaz ide nisko kada ulaz prelazi referencu
Referentni napon postavlja tačku prebacivanja. Može se napraviti sa pregradom otpornika u jednostavnim kolima, ili sa zener ili preciznom referencom kada je potrebna bolja stabilnost. Ako referenca nije stabilna, buka ili napon drift blizu praga može izazvati lažno prebacivanje.
Korišćenje histereze za stabilno prebacivanje
Histereza čini komparator stabilnijim stvaranjem dva praga prebacivanja umesto jednog kroz pozitivne povratne informacije. Gornji prag postavlja tačku u kojoj izlaz ide VISOKO, a donji prag postavlja tačku u kojoj izlaz ide NISKO. Ova akcija Schmitt okidača pomaže u sprečavanju lažnog prebacivanja kada je ulaz bučan ili se sporo menja.
U ne-invertirajućem komparatoru, histereza se može dodati povezivanjem otpornika sa izlaza nazad na ne-invertirajući ulaz. Ova povratna informacija pomera efektivni prag prebacivanja u zavisnosti od trenutnog izlaznog stanja. Kada je izlaz VISOK, prag se pomera blago nagore. Kada je izlaz nizak, on se pomera blago nadole. Razlika između ova dva praga naziva se širina histereze.
Povratni otpornik kontroliše koliko se dodaje histereza. Veći otpornik daje užu histerezu, dok manji otpornik daje širu histerezu. Vrednost treba pažljivo izabrati, jer premalo histereze možda neće potisnuti buku, dok previše može smanjiti osetljivost na stvarne promene signala. Histereza je posebno korisna u senzorskim kolima i drugim ulaznim aplikacijama koje se sporo menjaju i kojima je potrebno čisto prebacivanje.
KSNUMKS. Op-amp vs namenski komparator Poređenje
| Aspekt | Op-amp se koristi kao komparator | Namenski komparator |
|---|---|---|
| Brzina prebacivanja | Sporije zbog ograničene stope nagiba i interne kompenzacije | Brži i dizajniran za prebacivanje operacija |
| Izlazna reakcija | Pogođen kašnjenjem širenja | Brže reaguje na ulazne promene |
| Potrošnja energije | Može biti veći kada se vozi u zasićenje | Obično, pogodnije za efikasnost prebacivanja |
| Ulazni opseg | Ograničeno ograničenjima unosa u zajedničkom režimu | Tipično dizajniran za operaciju unosa komparatora |
| Izlazni nivo | Ne može dostići idealne nivoe šina bez rail-to-rail sposobnosti | Obezbeđuje čistije izlaze u digitalnom stilu |
| Rukovanje signalom | Može postati spor ili netačan sa signalima koji se brzo menjaju | Bolje za brze i visokofrekventne signale |
| Tip izlaza | Standardna op-amp izlazna faza | Često uključuje izlaze otvorenog odvoda ili otvorenog kolektora |
| Najbolji slučaj korišćenja | Jednostavne, male brzine aplikacije | Brze, visokofrekventne ili vremenski kritične aplikacije |
Op-amp komparator aplikacije
Op-amp komparatori se koriste u kolima kojima su potrebne jednostavne odluke zasnovane na naponu, kao što su:
Otkrivanje
• Kontrola temperaturnog praga — prebacuje grejač, ventilator ili alarm kada napon senzora pređe podešeni nivo
• Krugovi za detekciju svetlosti — detektuju kada se ambijentalna svetlost podigne iznad ili padne ispod izabranog praga
Zaštita
• Praćenje napona baterije — pokazuje kada napon baterije postane prenizak ili dostigne potreban nivo napunjenosti
• Zaštita od prenapona ili podnapona — aktivira gašenje, upozorenje ili izolaciju kada se napon napajanja kreće izvan sigurnog opsega
Ponašanje signala
• Detekcija nultog prelaska — identifikuje kada AC ili promena talasnog oblika prelazi 0 V za potrebe vremena ili sinhronizacije
• Detekcija nivoa u analognim signalima — pretvara promenljivi ulaz u jasan ON/OFF izlaz za kontrolnu logiku
U svakom slučaju, promenljivi signal se pretvara u jasno izlazno stanje koje se može koristiti od strane ostatka kola.
Zaključak
Op-amp može da funkcioniše kao komparator za kola koja zahtevaju jednostavnu detekciju praga napona. Pouzdan rad zavisi od pravilne konfiguracije, stabilne reference i upotrebe histereze kako bi se sprečilo nestabilno prebacivanje. Međutim, moraju se uzeti u obzir ograničenja u brzini, ulaznom opsegu i ponašanju izlaza. Za brži odgovor ili zahtevnije uslove, namenski komparatori pružaju pogodnije rešenje.
Često postavljana pitanja [FAK]
Koja je razlika između brzine prelivanja i kašnjenja širenja u komparatoru?
Brzina prelaska definiše koliko brzo se menja izlazni napon, dok je kašnjenje širenja vreme između promene ulaza i početka izlaznog odgovora.
Može li op-amp komparator otkriti vrlo male razlike u naponu?
Da, ali tačnost zavisi od ofset napona i buke. Male razlike mogu zahtevati filtriranje ili preciznost op-amp.
Zašto op-amp komparator proizvodi spor ili zaobljen izlaz?
To je uzrokovano ograničenom stopom prelaska i unutrašnjom kompenzacijom, koji sprečavaju brze tranzicije.
Kada op-amp ne bi trebalo da se koristi kao komparator?
Treba ga izbegavati u aplikacijama velike brzine, visoke frekvencije ili vremena kritičnih gde je potrebno brzo prebacivanje.
Kako birate vrednosti histereze?
Postavite histerezu dovoljno široku da odbije buku, ali dovoljno mala da sačuva osetljivost. Ovo je kontrolisano odnosom povratnih otpornika i izlaznim zamahom.
