Операційний підсилювач проти компаратора; Наука і технології

Ось я знову зі статтею, що пояснює різницю між операційним підсилювачем і компаратором.

Дуже часто в мережі ми бачимо схеми з підключеним AOP, щоб працювати в нелінійному режимі, найчастіше в режимі порівняння. Цей спосіб робити речі дуже поганий, тому що AOP робиться не для порівняння, а, як випливає з назви, для посилення, а отже, для роботи в лінійному режимі.

AOP - це електронний компонент, який, як випливає з назви, має особливість посилення різниці в потенціалі між двома його входами (інвертування e- та неінвертування e +). Цей коефіцієнт посилення дуже великий, часто між 80 і 120 дБ (тобто посилення між десятьма тисячами і мільйоном разів різниці в потенціалі між двома входами).

компаратора

Першим додатком, про який ми можемо відразу подумати, було б порівняння двох сигналів. Різниця, що підсилюється в 100000 разів (в межах напруг живлення АОП), якщо перший сигнал більший, ніж другий, тоді вихід АОП переходить до верхньої межі, інакше вихід виходить на низьку зупинку. Таким чином, ми маємо AOP, що дозволяє порівняти два сигнали.

Тільки це неправильний шлях. Ось причини:

  • AOP має частотну компенсацію (фільтр низьких частот), щоб забезпечити кращу стабільність у лінійному режимі, але раптово AOP обмежує нас по частоті (приблизно до 100-200 кГц, іноді більше залежно від моделі AOP).
  • Час, необхідний для переключення AOP, не визначений. Це залежить від частотної компенсації (що відповідає фільтру низьких частот порядку більше 2). Прибуваючи з певною частотою, коромисло не тільки займає значну кількість часу, але крім того, він не спрацьовує миттєво, але має затримку.
  • Вихідні напруги залежать від напруги живлення.
  • Нарешті, вихідні напруги не дорівнюють напругам живлення, але зменшуються тим, що називається напругою відходів АОП

У цих випадках, якщо ми не можемо порівняти два сигнали, у чому сенс АОП? Ну, якщо нам вдасться підключити тим чи іншим способом (провід, резистор, конденсатор) вихід на інвертуючий вхід АОП, цей намагатиметься максимально зменшити різницю потенціалу між двома входами. Потім ми говоримо, що PDO працює в лінійному режимі.

Невеликий простий приклад, AOP, встановлений у режимі послідовника.

Тут ми маємо сигнал, що надходить на неінвертуючий вхід. Інвертуючий вхід безпосередньо з'єднаний з виходом проводом.

Уявімо, що вихід спочатку знаходиться у позитивній зупинці. У цьому випадку напруга на інвертуючому вході (e-) більша, ніж напруга на неінвертуючому вході (e +). Потім AOP перемикається на негативну зупинку. Отже, напруга на e- тепер нижча за напругу на e +, вихід перемикається назад в інший напрямок і так далі.

Однак ми щойно побачили, що АОП має компенсацію частоти, що означає, що насправді вихідна напруга стабілізується і синхронізується з напругою на інвертуючому терміналі. Тому вихід буде копіювати напругу на неінвертуючий термінал. Це називається послідовним складанням.

Звичайно, існує безліч лінійних режимів редагування, деякі поводяться як послідовники, інші як підсилювачі, інтегратори, диференціатори, логарифмічні підсилювачі, літо тощо.
Якщо ви зацікавлені у цих монтажах, я раджу вам зробити невелике дослідження в Google, існує безліч сайтів на цю тему (наприклад: Вікіпедія)

Щоб покласти край АОП у лінійному режимі, ось кілька правил, які дозволяють розрахувати вихідну напругу відповідно до вхідних напруг (лише в лінійному режимі!)

  • Правило 1: В АОП немає струму
  • Правило 2: Різниця напруги між двома входами прагне до нуля (e + = e-)

Маючи ці два правила, вам часто просто потрібно застосувати теорему Міллмана про інвертуючий вхід (e-), (встановивши e- = e +), щоб знайти вихід як функцію входів.

Тому ми вже бачили, що ми не можемо використовувати AOP для порівняння двох сигналів. На щастя, для цього існують специфічні компоненти, всі вони є просто компараторами. На відміну від AOP, компаратор не може працювати в лінійному режимі, а лише в нелінійному. Перевагами компаратора є:

  • Фіксований час переключення (часто кілька наносекунд)
  • Вихідні напруги, які не залежать від напруги живлення
  • Немає компенсації частоти, тому немає більше проблем при порівнянні

Єдиним недоліком є ​​те, що вам потрібно додати деякі компоненти (дуже часто достатньо простого підтягуючого резистора), щоб отримати вихід, який можна використовувати. Дійсно, на відміну від AOP, компаратор не забезпечує вихідну потужність.

Ось схема компаратора LM311. Зверніть увагу, що він має вихідний транзистор. Саме цей транзистор дозволить вам вибрати напругу коромисла.

Таким чином, щоб мати вихід, який коштує або Vee, або Vcc, ви повинні підключити випромінювач (EMIT OUT) до Vee і підключити колектор (COL OUT) до Vcc через резистор (так званий підтягуючий резистор). Вихід компаратора знаходиться на виході колектора. Отже, ми маємо наступну збірку.

R1 діє як підтягуючий резистор, щоб надати високий стан Vcc. Однак при цій збірці вихідний імпеданс не дорівнює нулю, як при AOP, він дорівнює значенню резистора R1.

Якщо вам потрібен дуже малий вихідний опір, вам потрібно буде додати транзистор, як на схемі нижче:

Тут ми знаходимо наш підтягуючий резистор, але він буде рухати транзистор. Коли стан високий, транзистор увімкнено, а вихід також високий (Vcc), з низьким вихідним імпедансом.

Коли стан низький, тоді транзистор вимкнений, струм протікає через діод, і на виході він низький (Vee).

Для ілюстрації моєї думки, ось невелике порівняння між компаратором та двома AOP у нелінійному режимі.

Компаратор - це LM311, підключений як загальний випромінювач (вихідний випромінювач до Vee плюс підтягуючий резистор на виході колектора). Два операційні підсилювачі - це TL081, який має досить пристойну швидкість нарощування (13 В/мкс), і LM318, який приблизно в чотири рази швидший.

Vcc та Vee - це напруги джерела живлення (12 В та -12 В відповідно). Синус на 100 кГц порівнюється з еталоном на 0 В. Тому AOP і компаратор повинні перейти на позитивну зупинку, коли синус менше 0 В, і на негативну зупинку, коли синус позитивний.

Тут ми бачимо проблеми. Ми знаходимось на частоті 100 кГц, але з двома АОП час перемикання не є незначним. Гірше того, що у TL081 існує затримка між переходом на 0В синуса і перемиканням виходу. У цих двох випадках вихідні напруги не дорівнюють напругам живлення, ми чітко бачимо напруги відходів.

Порівняно з компаратором, цих проблем немає.

Тепер ви знаєте, чому використовувати компаратор, а не AOP у нелінійному режимі.

Тож пам’ятайте про це: операційний підсилювач підсилюється в той час, коли компаратор порівнює !

3 коментарі до “Операційний підсилювач проти компаратора”

Привіт, ваш сайт дуже цікавий. Я спостерігав за цим з цікавістю, але все ще шукаю рішення простої проблеми.
Я шукаю схему, яка слід за зростанням напруги і яка розмикає реле, коли напруга починає падати.

Спасибі заздалегідь.

Ваша стаття дуже цікава.
Однак є 2 характеристики PDO, які, на мій погляд, не є абсолютно правильними:
1) • Вихідні напруги залежать від напруги живлення. -> Деякі компаратори теж (LMC6762).
2) • Нарешті, вихідні напруги не дорівнюють напрузі живлення, але зменшуються на так звану відхідну напругу AOP -> Не застосовується до всіх AOP (LMC6484).