Оп

В этом видео мы обсудим схемы, в которых используется операционный усилитель для сравнения амплитуды одного сигнала с амплитудой другого сигнала или с опорным напряжением. Эти аналогикомпараторсхемы могут генерировать выходные сигналы, совместимые с цифровыми компонентами.

Операционный усилитель — это усилитель с высоким коэффициентом усиления и дифференциальным входным каскадом. Однако большинство схем на операционных усилителях не имеют высокого коэффициента усиления и не выполняют дифференциального усиления. Скорее, мы используем отрицательную обратную связь, чтобы превратить дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления в высокопроизводительную и удобную для пользователя схему, которая усиливает отдельные сигналы, привязанные к земле.

Единственным распространенным приложением операционного усилителя, в котором используется устройство в исходной конфигурации с высоким коэффициентом усиления и дифференциальным входом, является компаратор напряжения. Целью компаратора напряжения является генерирование выходного сигнала, который соответствует соотношению «больше или меньше» между напряжениями на входных клеммах операционного усилителя.

Если мы думаем о выходе компаратора как о цифровом сигнале, мы можем сказать, что компаратор генерирует высокий логический уровень, когда напряжение на неинвертирующем входе выше напряжения на инвертирующем входе, и низкий логический уровень, когда напряжение на неинвертирующем входе. -инвертирующий вход ниже напряжения на инвертирующем входе.

Работа компаратора является естественным результатом чрезвычайно высокого коэффициента усиления операционного усилителя. Как показано на диаграмме ниже, полный коэффициент усиления (AOL) применяется к разнице между напряжением на неинвертирующей входной клемме и напряжением на инвертирующей входной клемме.

\[V_{OUT} = A_{OL} \times (V_{IN+} - V_{IN-}) = A_{OL} \times V_{DIFF}\]

Таким образом, даже очень небольшой положительный VDIFF приведет к насыщению выхода операционного усилителя при положительном напряжении питания или около него, и даже очень небольшой отрицательный VDIFF приведет к насыщению выхода при отрицательном напряжении питания или около него. Если отрицательный источник питания подключен к земле, компаратор выдает цифровой сигнал, который варьируется от низкого логического уровня (≈0 В) до высокого логического уровня (≈VCC, который может составлять 3,3 В или 5 В).

Хотя операционные усилители можно использовать в качестве компараторов, важно понимать, что типичные операционные усилители не оптимизированы для такого типа функций — насыщение разомкнутого контура с размахом сигнала сильно отличается от усиления сигнала на основе отрицательной обратной связи. Если вы хотите улучшить характеристики схемы компаратора, вы можете использовать микросхему усилителя, которая продается специально в качестве компаратора.

Обычное приложение компаратора генерирует выходной сигнал, который указывает, находится ли входной сигнал выше или ниже заданного порогового напряжения. Например, вы можете захотеть вручную отключить один из компонентов на плате, когда напряжение его питания упадет ниже 3 В.

Эти типы задач компаратора выполняются путем генерации опорного напряжения и использования этого напряжения в качестве одного из входов компаратора. Если вам нужен чрезвычайно точный порог, вы можете использовать микросхему опорного напряжения, но во многих случаях достаточно резистивного делителя.

Топология компаратора с разомкнутым контуром, обсуждавшаяся до сих пор, имеет серьезное ограничение: шум приводит к тому, что операционный усилитель создает ложные выходные переходы, когда VDIFF близко к 0 В.

Например, предположим, что микроконтроллеру необходимо выполнять блок кода каждый раз, когда периодический сигнал датчика превышает пороговое напряжение. Мы будем использовать компаратор для генерации сигнала, который инициирует выполнение этого блока кода.

Однако, когда сигнал датчика приближается к пороговому значению, высокочастотные изменения малой амплитуды могут привести к быстрому перемещению сигнала выше и ниже порогового значения. Это приводит к тому, что VDIFF варьируется между отрицательными и положительными значениями, что, в свою очередь, приводит к множественным выходным переходам. Эти переходы нежелательны, поскольку они представляют собой шумовое поведение, а не поведение «подлинного» входного сигнала.

Проблема ложных выходных переходов решается путем включения