Что такое компаратор?

Привет всем, я Роуз. Добро пожаловать в новый пост сегодня. Сегодня я познакомлю вас с компаратором. Включая его определение, принципы работы и приложения.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Что такое компаратор напряжения?

Ⅱ. Как работает компаратор?

Ⅲ. Разница между компаратором и операционным усилителем

Ⅳ. Типичная схема применения компаратора

Компаратор напряжения (также известный как компаратор) представляет собой очень распространенную интегральную схему. Его можно использовать , среди прочего, в схемах преобразования V/F, схемах аналого-цифрового преобразования, высокоскоростных схемах выборки, схемах контроля напряжения источника питания, генераторах и схемах генераторов, управляемых напряжением, а также в схемах обнаружения перехода через ноль. На этой странице основное внимание уделяется фундаментальной концепции, принципу работы и типичной рабочей схеме компараторов напряжения , а также некоторым часто используемым компараторам напряжения .

Ⅰ. Что такое компаратор напряжения?

Проще говоря, компаратор напряжения анализирует величину двух аналоговых напряжений (есть также два цифровых напряжения для сравнения, но они здесь не обсуждаются) и определяет, какое из них имеет большее напряжение, как показано на рисунке 1. Рисунок 1(а) изображен компаратор с двумя входными клеммами: неинвертирующим («+») и инвертирующим («-») входными клеммами, а также выходной клеммой Vout (сигнал выходного уровня). Также присутствуют источник питания V+ и земля (это одиночный компаратор источника питания), входное напряжение неинвертирующей клеммы VA и входной инвертирующий терминал VB. На рис. 1 показаны изменения ВА и ВБ (б). ВА>ВБ в течение времени 0-t1; ВБ>ВА в течение времени t1-t2; ВА>ВБ в течение времени t2-t3. На рисунке 1(c) показан выходной сигнал Vout в этом случае: Когда VA>VB, Vout обеспечивает высокий уровень выходного сигнала (насыщенный выходной сигнал); когда VB>VA, Vout обеспечивает низкий уровень выходного сигнала. Вы можете определить, какое напряжение больше, посмотрев на выходной уровень.

Фигура. 1

Когда VA подается на инвертирующую клемму, а VB на неинвертирующую клемму, изменения напряжения VA и VB остаются такими же, как на рисунке 1 (b), а выходное напряжение Vout остается тем же (d). Выходной уровень инвертирован по сравнению с рис. 1(c). Входные клеммы VA и VB связаны с изменением выходного уровня вместе.

На рисунке 2(а) показан компаратор с двумя источниками питания (положительным и отрицательным). На рисунке 1(б) показана выходная характеристика входного напряжения VA, VB. На рис. 2 представлена выходная характеристика входного напряжения ВА, ВБ (б). Vout выдает насыщенное отрицательное напряжение, когда VB>VA.

Фигура. 2

Как показано на рисунке 3, входное напряжение VA сравнивается с фиксированным напряжением VB (а). Этот VB называется опорным напряжением, пороговым напряжением или опорным напряжением. Это опорное напряжение обычно используется для обнаружения перехода через нуль, если оно равно 0 В (уровень земли), как показано на рисунке 3(b).

Фигура. 3

Ⅱ. Как работает компаратор?

Компаратор создан на основе операционного усилителя, и схему компаратора можно рассматривать как схему применения операционного усилителя . В связи с широким распространением схем компараторов были разработаны специальные интегральные схемы компараторов.

Входное напряжение VA делится делителем напряжения R2, R3 и затем подключается к неинвертирующей клемме, VB подключается к инвертирующей клемме с помощью входного резистора R1, а RF — резистор обратной связи на рисунке 4 (а). Выходное напряжение Vout, VA, VB и четыре резистора имеют следующую связь с учетом входного напряжения смещения: Vout=(1+RF/R1)〃R3/(R2+R3)VA-(RF/R1)VB. Если R1=R2, R3=RF, Vout=RF/R1(VA-VB), где RF/R1 — коэффициент усиления усилителя. Vout= когда R1=R2=0 (эквивалент R1, короткое замыкание R2), R3=RF= (эквивалент R3, разомкнутая цепь RF ) и R3=RF= (эквивалент R3, разомкнутая цепь RF). На рисунке 4 показана принципиальная схема, когда коэффициент усиления становится бесконечным (b). Схема компаратора, представляющая собой дифференциальный усилитель, находится в разомкнутом состоянии. В действительности коэффициент усиления операционного усилителя не бесконечен в условиях разомкнутого контура, а выходное напряжение Vout представляет собой напряжение насыщения, которое меньше положительного и отрицательного напряжений питания и не может быть бесконечным.

Фигура. 4

Схема компаратора представляет собой схему дифференциального усилителя , в которой схема операционного усилителя находится в состоянии разомкнутого контура, как показано на рисунке 4.

На рисунке 5 изображена схема неинвертирующего усилителя. Если RF= на рис. 5 и R1=0, схема компаратора такая же, как на рис. 3. (б). На рисунке 5 Vin соответствует VA на рисунке 3. (b).

Фигура. 5

Ⅲ. Разница между компаратором и операционным усилителем

Схемы компараторов могут быть выполнены с использованием операционных усилителей, однако компараторы с более высокими характеристиками обеспечивают более высокий коэффициент усиления в разомкнутом контуре, меньшие входные напряжения смещения, больший диапазон синфазных входных напряжений и более высокие скорости нарастания, чем операционные усилители общего назначения (заставляя компараторы реагировать быстрее). . Кроме того, выходной каскад компаратора обычно имеет схему с открытым коллектором, как показано на рисунке 6, что требует внешнего подтягивающего резистора или прямого управления нагрузками с переменным напряжением питания, что делает его более адаптируемым в применении. Однако существуют дополнительные выходные компараторы, для которых не требуются подтягивающие резисторы.

Фигура. 6

Однако следует отметить, что схема компаратора также имеет технические критерии, включая точность, скорость реакции, время задержки распространения, чувствительность и т. д. Большинство параметров такие же, как у операционного усилителя. Операционный усилитель общего назначения можно использовать в качестве схемы компаратора, если критерии не являются строгими. Например, в схеме аналого-цифрового преобразователя требуется точная схема компаратора.

Поскольку внутренняя структура компаратора и операционного усилителя практически одинакова, большинство его параметров (параметров электрических характеристик) практически идентичны элементам параметров операционного усилителя (таким как входное напряжение смещения, входной ток смещения и входной ток смещения). , и т. д.).

Ⅳ. Типичная схема применения компаратора

Вот две простые схемы компаратора в качестве примеров, иллюстрирующих их применение.

1. Схема автоматического управления вентилятором охлаждения.

Некоторые мощные устройства или модули во время работы выделяют дополнительное тепло для повышения температуры. Для поддержания нормальной работы для их охлаждения обычно используются радиаторы и вентиляторы. Как показано на рисунке 7, представлена очень простая схема контроля температуры. Для определения температуры силового устройства на радиатор наклеивается термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) RT (температура на радиаторе немного ниже температуры устройства). При подаче 5В на резисторы RT и R1 возникает напряжение VA. Сопротивление термистора RT уменьшается по мере повышения температуры радиатора, что приводит к увеличению VA. На рисунке 8 изображены температурные характеристики RT. Это однозначная функция, несмотря на то, что ее кривые изменения сопротивления и температуры не являются линейными (т. е. при постоянной температуре значение ее сопротивления также является некоторым однозначным). Охлаждающий вентилятор должен быть включен, если температура установлена на 80°C. Установленная пороговая температура TTH составляет 80°C, а характеристическая кривая показывает значение сопротивления RT, соответствующее 80°C. Значение ВА при 80°С можно определить, если значение сопротивления R1 остается неизменным (оно установлено на плате, и значение R1 можно считать неизменным при незначительном изменении температуры окружающей среды).

Фигура. 7

Делитель напряжения образован R2 и RP. Регулировка RP может повлиять на напряжение VB, когда напряжение источника питания 5 В стабильно (отличная стабильность напряжения) (значение напряжения центральной головки потенциометра). Пороговое напряжение, устанавливаемое компаратором, называемое VTH, представляет собой значение VB.

При проектировании желательно, чтобы, как только температура радиатора превысит 80 °C, охлаждающий вентилятор активировался для рассеивания тепла, а значение VTH было равно значению K при 80 °C. Компаратор выдает низкий сигнал, когда VA>VTH, реле K срабатывает, и охлаждающий вентилятор (двигатель постоянного тока) включается для охлаждения устройства высокой мощности. На рисунке 8 показаны свойства VA, изменения напряжения VTH и выходного напряжения Vout компаратора. Следует отметить, что когда VA превышает VTH, включается вентилятор, но радиатор сохраняет значительное количество тепла, и для снижения температуры ниже 80°C требуется некоторое время.

Фигура. 8

Очень удобно регулировать пороговую температуру TTH, как показано на фиг. 7, при условии, что значение VTH также будет изменено. Когда значение VTH увеличивается, TTH также увеличивается; наоборот, регулировка довольно проста. R1, R2 и RP можно легко получить после определения RT и температурных параметров RT (задайте токи, протекающие через RT, R1, R2 и RP, равными 0,1–0,5 мА соответственно).

2. Оконный компаратор

Оконный компаратор обычно состоит из двух компараторов (двойной компаратор), каждый из которых имеет два пороговых напряжения: VTHH (высокое пороговое напряжение) и VTHL (низкое пороговое напряжение), причем напряжение VA сравнивается с двумя пороговыми напряжениями. Vout выводит высокий уровень, если VTHLVAVTHH истинно; Если VAVTHH истинно, Vout выдает низкий уровень, как показано на рисунке 10. Схема сигнализации холодильника показана на рисунке 9. Обычная рабочая температура холодильника устанавливается на уровне от 0 до 5°C (от 0°C до 5°C является "окно"). Компаратор выдает высокий уровень (показывающий, что температура в норме) в этом температурном диапазоне; если температура холодильника ниже 0 В или выше 5°C, компаратор выдает низкий уровень, и напряжение сигнала низкого уровня подается на микроконтроллер (C) в качестве предупреждающего сигнала.

Фигура. 9

В качестве датчика температуры используется NTC-термистор RT. При 0°C сопротивление RT составляет 333,1 кОм, а при 5°C - 258,3 кОм. Это примерно 1,5 мкА, исходя из рабочего напряжения 1,5 В и тока, протекающего через R1 и RT. Необходимо определить значение R1. После определения значения R1 значение VA при 0°C можно рассчитать как 0,5 В (где R1 = 665k на рисунке 9), а значение VA при 5°C можно рассчитать как 0,42 В, в результате чего VTHL = 0,42 В. и VTHH=0,5 В. На рисунке 10 показан ток I=(1,5–0,5 В)/665k=0,0015 мА, протекающий через резисторы R2, R3 и R4 при использовании R2=665 кОм. R4=280k можно получить, нажав 0,5В=(R3+R4)0,0015мА, а затем R3=53,3k можно получить, нажав R4I/=0,42В.

Фигура. 10

В этом приложении используется LT1017, низковольтный, маломощный двойной компаратор с комплементарным выходом и без внешних подтягивающих резисторов.

Часто задаваемые вопросы

1. Что такое компаратор перехода через нуль?

Компаратор с пересечением нуля — это компаратор, который переключает порог на ноль. Компаратор по существу представляет собой усилитель ошибки, работающий в разомкнутом контуре. Он ограничен порогом. Если оно меньше порога, он выводит логику. Если оно превышает пороговое значение, он выводит противоположную логику для достижения цели различения результатов сравнения.

2. Как отличить усилители от компараторов?

Разница заключается в следующем: 1. Скорость переворота компаратора высокая, порядка нс, в то время как скорость переворота операционного усилителя обычно порядка нашей (специальная высокая скорость). кроме быстродействующих операционных усилителей). 2. Операционный усилитель может быть подключен к цепи отрицательной обратной связи, тогда как компаратор не может использовать отрицательную обратную связь. 3. Выходной каскад операционного усилителя обычно имеет двухтактную схему с биполярным выходом. Однако большинство выходных каскадов компараторов имеют структуру с открытым коллектором.

3. Что делает компаратор напряжения?

По сути, компаратор напряжения представляет собой аналого-цифровой преобразователь, но этот аналого-цифровой преобразователь имеет только один битовый выход. Компаратор напряжения имеет две входные клеммы. Когда напряжение входной клеммы A постоянно (так называемое опорное напряжение Vref), если напряжение другой входной клеммы B выше, чем Vref, выходная клемма имеет высокий уровень 1, а входная клемма, если напряжение B ниже чем Vref, выходной терминал имеет низкий уровень 0. Конечно, если входная клемма B установлена в качестве опорного напряжения, а входная клемма A используется для проверки напряжения, изменение выходного напряжения будет противоположным. Используя эту функцию, компаратор напряжения можно использовать для обнаружения изменений напряжения и последующего управления переключением цепи.