Вообще говоря, сделать из операционного усилителя хороший компаратор невозможно. Чтобы получить оптимальные характеристики и не тратить дополнительное время на отладку, лучше всего использовать специализированную микросхему компаратора.
Компаратор – отличная схема, поскольку обеспечивает почти идеальный переход от аналогового сигнала к цифровому. Компаратор выглядит как устройство с двумя линейными входными сигналами, уровень цифрового выхода которого может быть либо высоким, либо низким, в зависимости от соотношения входных сигналов. Просто, но очень полезно.
Если в вашем устройстве должна быть подобная схема, лучше всего использовать микросхему компаратора, предназначенную именно для таких приложений. Однако многим разработчикам известно, что стандартный операционный усилитель (ОУ) также можно использовать в качестве компаратора. Это особенно привлекательно в тех случаях, когда в устройстве остается незадействованный ОУ, и его использование не потребует ни дополнительных затрат, ни места на печатной плате.
Однако, весьма вероятно, что получившийся из ОУ компаратор не оправдает ваших ожиданий, и его характеристики, возможно, будут далеки от оптимальных. Ошибки, обусловленные непрофессиональным подходом, могут привести к тому, что время разработки и отладки намного превысит планируемое. Лучше всего, если вам нужен компаратор, и вы хотите избежать проблем и получить наилучший возможный результат, использовать микросхему компаратора.
В чем реальные различия между операционным усилителем и компаратором?
Основные различия между ними следующие:
- Встроенные цепи фазовой коррекции, необходимые для обеспечения устойчивости ОУ, делают устройство слишком медленным для операций переключения.
- Входные каскады ОУ обычно защищены диодами или дополнительными транзисторами, которые нередко препятствуют использованию ОУ в схеме компаратора.
- Выходной каскад ОУ рассчитан на использование в линейном режиме. При двуполярном питании его выходное напряжение изменяется от одной шины питания до другой, и для использования в цифровых схемах требует смещения уровней.
- Выходной каскад истинного компаратора сконструирован для работы в режиме насыщения со стандартными логическими уровнями сигналов. Часто его выход делается по схеме с отрытым коллектором (стоком).
- Для установки коэффициента усиления и других характеристик схемы ОУ обычно включается с резисторами обратной связи. Компаратор, как правило, работает с разомкнутой петлей, то есть, без обратной связи.
- По сравнению с ОУ компараторы имеют меньшие времена задержки и очень высокую скорость нарастания выходного напряжения.
Несмотря на внешнее сходство, две схемы различны и предназначены для разных приложений.
Так можно ли использовать ОУ в качестве компаратора? [1] Возможно. Многие инженеры используют. Нередко так делают, когда требуется лишь один компаратор, а в корпусе счетверенного ОУ остался «свободный» усилитель. Необходимая для устойчивой работы ОУ фазовая коррекция означает, что такой компаратор будет очень медленным, но если особых требований к быстродействию не предъявляется, может быть достаточно и операционного усилителя. Иногда такой подход вполне приемлем, но в некоторых случаях он непригоден.
Работа компаратора
Один из способов разобраться с работой компаратора – изучить базовую конфигурацию ОУ, показанную на Рисунке 1а. Усилитель имеет очень большой коэффициент усиления без обратной связи (AOL >> 1000). То, что он усиливает, – это разность между двумя входами V1 и V2. Выходное напряжение равно
Из-за высокого коэффициента усиления для положительного или отрицательного насыщения выхода большого входного дифференциального сигнала (V2 – V1) не требуется. Например, при напряжении источника питания ±5 В и коэффициенте усиления без обратной связи, равном 100,000, выходное напряжение достигнет шины питания при дифференциальном входном сигнале с уровнем 5/100,000 = 50 мкВ или выше. Передаточная характеристика вход-выход изображена на Рисунке 1б.
 |
||
| Рисунок 1. | Операционный усилитель в инвертирующем включении (а) и его передаточная характеристика вход-выход (б). |
|
Истинный компаратор работает от одного источника питания, как правило, того же, который используется для цифровой логики. Выход через подтягивающий резистор подключен к шине питания (Рисунок 2а). На входы компаратора поданы опорное напряжение VREF и сигнал VIN, уровень которого сравнивается с опорным уровнем. В качестве опорного и сигнального может использоваться любой из двух выходов компаратора. Обычно опорное напряжение постоянно, а входной сигнал изменяется. Компаратор может включаться в двух основных конфигурациях:
- Инвертирующая:
VIN подключается к инвертирующему входу усилителя (–), а VREF – к неинвертирующему (+) входу (Рисунок 2). Если VIN > VREF, уровень выходного напряжения низкий. Если VIN < VREF, уровень выходного напряжения высокий.
- Неинвертирующая:
(Подключение входов противоположное изображенному на Рисунке 2). VIN подключается к неинвертирующему входу усилителя (+), а VREF – к инвертирующему (–). Если VIN > VREF, уровень выходного напряжения высокий. Если VIN < VREF, уровень выходного напряжения низкий.
На Рисунке 2 показана инвертирующая схема с фиксированным постоянным опорным напряжением и сигналом треугольной формы (Рисунок 2в). Пока входное напряжение ниже порога, уровень выхода остается высоким (см. передаточную характеристику на Рисунке 2б). Когда входной сигнал превысит порог, выход переключится в низкое состояние. Затем во время спада входного сигнала уровень выхода вновь станет высоким.
 |
||
| Рисунок 2. | Типичное включение инвертирующего компаратора (а), его передаточная характеристика (б), а также сигналы на входе и выходе (в). |
|
Шумы
Одной из часто возникающих проблем является шум или многократные кратковременные переключения выхода вблизи пороговых уровней компаратора. Этот так называемый «дребезг» возникает при медленном изменении входного сигнала и может стать причиной неправильной работы приложения. Это будет происходить даже при очень чистых входных сигналах, поскольку компараторы, как и ОУ, имеют собственные шумы. К такому же эффекту иногда приводят помехи, возникающие при больших скачках выходного напряжения, которые могут проникать обратно на вход через шины питания или другие цепи.
Единственным способом решения этой проблемы может быть использование гистерезиса [2] (Рисунок 3). Опорное напряжение подается через два резистора, обеспечивающих регенеративную, или положительную обратную связь, которая увеличивает скорость переключения и практически полностью исключает дребезг.
 |
||
| Рисунок 3. | Гистерезис в компараторе (а) позволяет устранить дребезг при переключениях выхода (б). |
|
Гистерезис устанавливает напряжения верхнего (VU) и нижнего (VL) порогов переключения вокруг опорного уровня. Небольшое окно, или мертвая зона, обеспечивает свободное от дребезга чистое переключение выхода. Резисторы R1 и R2 задают пороговые напряжения, уровни которых могут быть рассчитаны с помощью следующих выражений:
Узнайте больше
Если вы хотите больше узнать о специфике использования операционных усилителей в качестве компараторов, обратите внимание на учебные курсы Texas Instruments. Урок 14 [3] посвящен принципам работы компаратора и описанию его ключевых характеристик по постоянному и переменному току. Рассказано, как добавить гистерезис для защиты компаратора от входных шумов, а также приведены аргументы «за» и «против» использования ОУ в качестве компараторов.
