Сходинка десята. Операційні підсилювачі та компаратори (Продовженя)


Статью просмотрели: 50 человек

Продовження, початок статті за посиланням.

 

Компаратори

Мал. 27
Умовно-структурна схема компаратора

Компаратор, це спеціалізована аналогова мікросхема, основне призначення якої порівняння напруги на двох входах (про це каже і її назва, адже comparation – порівняння значення змінної величини із мірою). Як і операційний підсилювач мікросхема має два входи – прямий та інверсний. Внутрішня будова компаратора схожа на ОП (Мал. 2), але його не можна використовувати для лінійного підсилення бо він має найважливішу відмінність – особливість реалізації вихідного каскаду. У компаратора цей каскад, на відміну від ОП, реалізований на одному транзисторі. По суті, це звичайний силовий ключ, адже колектор транзистора – вихід компаратора, а емітер вихідного транзистора – маса (земля), отже стиль роботи компаратора – ключовий режим. Існують компаратори у яких виводи вихідного транзистора, як колектор, так і емітер виведені назовні (Мал. 27).

 

 

 

Отже, компаратор виконує функцію диференціювання вхідних сигналів. Якщо опорний рівень потенціалу подано на інверсний вхід, а порівнюваний, тобто досліджуваний, на прямий, кажуть – компаратор увімкнений без інверсії. Якщо навпаки опорним є прямий вхід, а порівнюваним інверсійний – компаратор увімкнений з інверсією. В залежності від способу увімкнення відрізняється і реакція компаратора на різницю порівнюваних потенціалів.

Для того, що продовжити – звернемо увагу на вихідний каскад цієї МС. Сигнал управління вихідним транзистором компаратора його закриватиме або відкриватиме в залежності від реакції системи на рівень порівнюваного сигналу стосовно опорного. А от для того, щоб сформувати якийсь рівень потенціалу на виході МС (колекторі транзистора), на нього слід подати потрібну нам напругу. Скажімо для фіксації "одиниці" TTL рівня, тобто 5.0 В, на колектор подають саме таку напругу, але обов'язково через pull-up резистор, тобто – резистор підтягування (фіксації) потенціалу (Мал. 28). Резистор повинен бути і не малим, і не завеликим. Чим менший опір резистора, тим краща швидкодія, але не забувайте і про дозволені межі навантаження вихідних кіл. Найчастіше застосовуються резистори від декількох сотень Ом до декількох тисяч Ом.

 

 

Мал. 28
Компаратор із резистором підтягування потенціалу

Вихід можна налаштувати на будь-який рівень напруги "одиниці", адже у технологічно різних цифрових МС він може бути різним: 3.3 В, 5.0, 9.0 В. Виходячи із цього, можна припустити, що за допомогою компаратора досить легко реалізувати каскад перетворення рівнів потенціалу для узгодження МС різноманітної технологічної логіки. Втім, не забувайте, що таку особливість мають компаратори із відкритим колектором, бо існують МС із фіксованим рівнем виходу.

 

 

Мал. 29
Реакція компаратора на спосіб увімкнення

Тепер повернемося до розгляду реакції компаратора на пряме та інверсне його увімкнення (Мал. 29).

При прямому увімкненні, коли опорна напруга подана на інверсний вхід, а вхідна на прямий – компаратор чітко відпрацьовує миті перевищення потенціалу вхідної напруги у порівнянні з опорною виставляючи на виході встановлений високий рівень напруги, тобто 5.0 В (транзистор закритий). При інверсному увімкненні все відбувається із точністю до навпаки. Миті перевищення потенціалу вхідної напруги відносно опорної, скидають високий рівень вихідної напруги виходу до низького рівня, тобто 0 В (транзистор відкритий). Перемикання рівня вихідного сигналу відбувається чітко і, практично, миттєво. Необхідний рівень вихідної напруги встановлюється користувачем і жодним чином не залежить ані від рівня контрольованого потенціалу на входах, ані від напруги живлення.

Компаратори мають більш вищу швидкість реакції та суттєво меншу затримку проходження сигналу, ніж операційний підсилювач. Плюс конструктивна особливість вихідного каскаду дозволяє зробити висновок, що ці МС краще пристосовані для роботи у цифрових системах в якості диференційних вузлів. Досить часто можна зустріти застосування компараторів у ланках аналого-цифрового перетворення: пристроях автоматики у поєднанні із термо-, фото-, тензо-, магнітними датчиками і т. ін. 

Ви не знайдете схем із компараторами охопленими НЗЗ, такий зворотний зв'язок зробить його роботу нестабільною, непередбачуваною. Навпаки, часто зустрічаються схеми де компаратор охоплений ПЗЗ (позитивним зворотним зв'язком). До речі, такі кола ПЗЗ можна зустріти і у схемах ОП, які працюють в режимі компаратора (хочу наголосити ще раз – вводячи ПЗЗ до каскаду з ОП слід робити це обдумано і усвідомлено!). Для чого компаратору ПЗЗ?

Існує цікава проблема з обома схемами увімкнення наведеними на Мал. 29. І виникає вона тоді, коли на обох входах встановлюється напруга на рівні опорної. Ну і що, скажете ви, на виході буде 0. Теоретично – так, практично – ніколи. Річ у тім, що на практиці чистого нуля не існує. У реальності будь-який сигнал має "шумову" складову. Чутливість компаратора дуже висока. Тож на його виході, у такий ситуації, ми матимемо не чітку фіксацію результату порівняння сигналів, а якісь хаотичні пачки імпульсів. Для деяких подальших електронних каскадів таке явище особливого значення не матиме, а для деяких воно критичне! Скажімо, сигнальний світлодіод почне невпевнено мерехтіти, виконавче реле відгукнеться своєрідним брязкотом.

 

Мал. 30
Пряме увімкнення компаратора

Саме для того, щоб позбутися такого явища, компаратор охоплюють ПЗЗ. Це призводить до появи гістерезису (ми знайомилися із таким явищем у попередніх дописах). Отже, у компаратора з'являється зона своєрідної "амортизації", яка ігнорує невеличкі відхилення вхідного сигналу. З'являються дві різні порогові напруги – увімкнення та вимкнення. Давайте розглянемо це явище детальніше.

 

На Мал. 30 зображено емуляцію прямого увімкнення компаратора та його реакцію на напругу на інверсному вході, адже прямий вхід обрано для опорної напруги 5.0 В.

Перевищення опорної напруги на 0.01 В викликає відповідну реакцію – вихідний транзистор компаратора відкривається, напруга на виході падає до практичного 0 В. Повернення величини вхідної напруги на інверсному вході до 5.0 В миттєво закриває транзистор.

 

     Мал. 31
Компаратор охоплений ПЗЗ


Тепер спробуємо охопити компаратор ПЗЗ (Мал. 31). Зміни у схемі помітні візуально, з'явилися два додаткові резистори. Як і раніше, відкриття вихідного транзистора викликає збільшення контрольованої напруги на 0.01 В. А от із напругою його закриття відбулися зміни. Навіть при напрузі меншій за опорну – 4.56 В транзистор продовжує лишатися відкритим, на виході компаратора утримується 0 В. І лише зменшення контрольованої напруги на інверсному вході до 4.55 В викликає закриття вихідного транзистора – на виході компаратора з'являється 5.0 В. І відкриється транзистор знову лише тоді, коли напруга на інверсному вході підніметься до 5.01 В.

Отже додавання до компаратора ПЗЗ веде до виникнення явища гістерезису. Як і усе в електроніці, функціонал позитивного зворотного зв'язку підлягає розрахунку. За допомогою досить простих формул можна розрахувати потрібну ширину петлі гістерезису. Давайте перевіримо правдивість такого твердження.

Мал. 32
Схематичне зображення НЗЗ

На Мал. 32 маємо схематичне зображення нашої проведеної емуляції із мітками використаних резисторів: 10 кОм – R1; Rпзз – 100 кОм; (резистор у колі колектора) – 1 кОм. Uоп (опорна напруга) – 5.0 В. Uктр (контрольована напруга) – величина змінна.

 

У випадку проведеної емуляції петля гістерезису має вигляд представлений на Мал. 33. "Вимкнення" компаратора відбувається при напрузі на Uктр – 5.01 В, "увімкнення" при напрузі на Uктр – 4.55 В.

 

Мал. 33
Петля гістерезису

Давайте перевіримо це за допомогою стандартних формул.

 

Формула розрахунку значення точки увімкнення має вигляд:

         UУВМ = Uоп*Rпзз / R1+Rпзз = 5*100 / 10+100 = 4.545

Значення резисторів можна взяти в Ом чи кОм, але одиниці опору повинні бути обов'язково однакові.

Формула розрахунку значення точки вимкнення:

        UВМК = Uк*R1+Uоп(Rпзз+Rк) / R1+Rпзз+Rк,

де – напруга ланки колектора вихідного транзистора компаратора.

Зазвичай Rк суттєво менший за Rпзз, тому їхнім співвідношенням можна знехтувати спростивши формулу до вигляду:

UВМК = Uк*R1+Uоп*Rпзз / R1+Rпзз = 5*10+5*100 / 10+100 = 5.0

Ще одна коротенька формула для оперативного розрахунку ширини петлі гістерезису:

        ΔUг = (R1/R1+Rпзз)*Uк = (10/10+100)*5 = 0.45

 

$ 1 0.000005 15.472767971186109 74 5 50 5e-11

401 256 224 368 224 1 8\s15\s-15\s1000000\s4.999999995098039\s4.95\s100000 0\s20\s10000000000 1\s0

r 368 224 368 144 0 1000

R 368 144 368 112 0 0 40 5 0 0 0.5

p 368 224 432 224 1 0 0

R 176 240 128 240 0 0 40 5 0 0 0.5

172 256 208 192 208 0 7 4.95 5.5 4.5 0 0.5 Voltage

p 256 208 256 112 1 0 0

r 256 304 368 304 0 100000

w 256 240 256 304 0

w 368 224 368 304 0

r 176 240 256 240 0 1000

Мал. 34
Емуляція ПЗЗ компаратора

Чому так відбувається і як працює ПЗЗ на компараторі простежте самостійно. Встановіть на емуляцію ПЗЗ компаратора (Мал. 34) вольтметри, амперметри у колах зворотного зв'язку і змінюючи напругу на вході проаналізуйте поведінку компаратора. Як це зробити – дізнаєтеся у відступі.

Важливою особливістю компаратора є можливість його живлення на кшталт ОП від біполярного джерела. Коли це потрібно?

Річ у тім, що чутливість компаратора (контроль рівня потенціалів) при уніполярному живленні обмежена рівнем напруги вищим за 0 на 0.3-0.5 вольта.

Тобто, при уніполярному живленні неможливо реалізувати контроль переходу потенціалу через нуль. Після падіння рівня контрольованого потенціалу нижче граничного рівня, вказаного вище, поведінка компаратора стає непередбачуваною, на вихід починають проходити синфазні перешкоди, що викликає хаотичну поведінку подальших каскадів, якими управляє компаратор.

Саме для виправлення такої ситуації використовують біполярне живлення. Ситуація при такому живленні радикально змінюється. Зона чутливості компаратора розширюється до ±1 В від напруги живлення. Тобто, при біполярній напрузі живлення ±15 В – зона чутливості становитиме +15 - 1 = +14 В; -15 + 1 = -14 В, отже від -14 до +14 вольтів. Як бачите до зони чутливості компаратора потрапляє не лише нуль, а навіть досить широкий діапазон негативних значень напруги. Тепер нам ніщо не заважає реалізувати контроль вхідного сигналу на рівень нуля.

Зверну вашу увагу, що живлення транзистора вихідного каскаду, за умови, що він відокремлений, це не стосується.

Стосовно використання компараторів слід сказати, що це досить універсальний компонент. На його базі виготовляють різноманітні пристрої контролю напруги, різноманітних аналогових параметрів, як то: температура, рівень освітленості і т. п. Дуже зручно за допомогою компаратора реалізувати перетворювач рівня вихідного сигналу. Його можна використати як простий аналогово-цифровий перетворювач із точністю один біт, визначник нульового рівня для змінного сигналу (при цьому він буде видавати чіткий сигнал при переході вхідного сигналу через нуль). За допомогою двох компараторів можна реалізувати двопороговий компаратор – вузол, який буде контролювати дозволений "коридор" рівня напруги. Іще дуже багато іншого.  

Як і завжди поданий матеріал не є повним стосовно роботи, використання операційних підсилювачів та компараторів, це швидше основи, призначення яких – дати аматору розуміння роботи розглянутих елементів та заохотити зацікавлених до більш глибокого самостійного вивчення їхнього функціонування.

 

 

-------------------------------------------------------------------

ВІДСТУП

Java-аплет Cirkuit JS1

Ви не могли не звернути уваги на викладені малюнки емуляції різноманітних варіантів увімкнення ОП. Для експериментів я використав Java-аплет Circuit Simulator версії 2.5.3js. Java-аплет, або ж програмний додаток на Java реалізував Paul Falstad (http://www.falstad.com/circuit/). Iain Sharp конвертував його у JavaScript (http://lushprojects.com/circuitjs/), що дало змогу користуватися ним безпосередньо за допомогою браузера, який підтримує HTML5.

В результаті цього вийшов універсальний додаток, який здатен працювати як через Інтернет з будь-якого комп'ютера, планшета, смартфона, так і відокремлено під управлінням Java-машини на ПК.

Circuit Simulator –  безкоштовний додаток, який дає змогу користувачу просто і легко моделювати різноманітні електронні вузли.

Забезпечуючи рівень візуального зворотного зв'язку, який ідеально підходить аматорам-початківцям, додаток має досить високий рівень складності, щоб можна було провести досить точний аналіз спроектованої схеми.

За допомогою доступних інструментів, заготовок у симуляторі можна візуально проконтролювати вплив вибору якогось елемента чи сигналу на реалізований каскад або вузол пристрою.

Коли симулятор запуститься, ви побачите просту анімовану схему LRC. Зелений колір означає позитивну напругу. Сірий колір вказує на землю. Червоний колір означає негативну напругу. Рухливі жовті крапки демонструють рух струму.

Симулятор має можливість змінити мову інтерфейсу. Робиться це через пункт меню Options за допомогою опції Other Opnions... та спадаючого переліку у пункті Change Language вікна Edit Component.

 

Мал. 35
ОП обмеження струму

Декілька слів від автора програми: машинне моделювання не завжди відповідає реальному, пам'ятайте це і не припускайте, що моделювання та реальність ідентичні! Моделювання ідеалізує багато компонентів. Дроти та провідники компонентів не мають опору. Джерела напруги ідеальні – вони намагатимуться віддати безмежний струм, якщо ви це їм дозволите. Конденсатори та індуктори є на 100% ефективними. Входи логіки мають практично нульовий струм – не дуже погано для логіки CMOS, але не типово для TTL 1980-х. Безумовно, користуйтеся цим симулятором, щоб отримати візуалізацію роботи схеми, але найточніші результат дасть лише тест на реальних компонентах.

 

Для роботи On-line симулятор широко використовує функції HTML5 і, безумовно, потребує сучасного браузера. Він також виконує багато обчислень у JavaScript, і швидкість цього також сильно залежить від браузера. На даний момент Chrome, Firefox та Edge мають найкращу продуктивність та підтримку функцій для цієї програми. Симулятор багато виграє за наявності досить швидкого комп’ютера.

 

 

Мал. 36
Панель оперативного
управління

Як на мене, досить цікава програмка для побіжного, оглядового аналізу якогось вузла електронної схеми, відстеження її поведінки при зміні параметрів обраних компонентів. Для більш серйозного застосування слід, звісно, користуватися програмами SPICE-моделювання. Втім, пробуйте, експериментуйте, помиляйтесь, виправляйте помилки! До речі, програма підтримується автором і періодично оновлюється.

 

Давайте, для прикладу, змоделюємо частину схеми розглянутого у минулих дописах блока живлення. Нашу увагу зупинимо на вузлі контролю обмеження струму (Мал. 35).

Елементи, які пов'язані з фільтрами живлення не використовуються, адже живиться цей вузол чистою DC напругою.

Застосовані DC джерела на 33.0 В та 10.0 В.

Використані вольтметри показують напругу позитивної та негативної половин живлення і сумарну напругу.

За допомогою ще одного вольтметра можна спостерігати напругу на базі транзисторного ключа.

Світлодіод є індикатором відкритого ключа, тобто миті встановленого перевищення рівня струму.

 

Два амперметри допомагають орієнтуватися у процесах, які відбуваються під час роботи схеми. Один контролює струм на виході ОП і чітко фіксує мить повного насичення вихідного транзистора. Другий показує рівень струму загального навантаження каскаду.

 

$ 1 1 382.76258214399064 69 5 50 5e-11

w 96 144 192 144 0

w 192 96 192 144 0

w 160 304 240 304 0

g 96 304 64 304 0 0

w 96 304 160 304 0

w 96 368 192 368 0

r 256 368 192 368 0 220

34 zener-5.1-2 0 1.7143528192810002e-7 0 2 5.1 0

z 256 368 256 304 2 zener-5.1-2

p 416 432 416 368 1 0 0

w 416 256 416 368 0

w 256 368 304 368 0

w 192 96 240 96 0

w 416 96 416 160 0

w 256 304 304 304 0

162 240 256 240 304 2 default-led 1 0 0 0.01

r 240 176 240 256 0 3900

w 240 96 288 96 0

w 304 368 352 368 0

w 352 368 416 368 0

w 304 304 352 304 0

w 416 96 496 96 0

w 416 368 496 368 0

p 496 96 496 368 1 0 0

t 288 160 240 160 0 -1 -0.5973001680125947 -0.6554631069619887 100 default

w 240 144 240 96 0

r 288 96 288 160 0 2200

w 288 96 416 96 0

r 288 160 288 224 0 10000

c 288 272 464 272 0 3.3000000000000005e-10 17.607856355575244 0.001

w 464 240 464 272 0

w 720 272 720 304 0

w 288 224 288 272 0

w 352 304 496 304 0

r 720 304 640 304 0 0.47

r 656 272 464 272 0 10000

174 592 112 544 176 1 1700 0.9950000000000001 Resistance

w 464 144 464 208 0

w 464 144 544 144 0

w 656 272 720 272 0

w 496 304 592 304 0

r 592 176 592 304 0 58000

w 592 304 640 304 0

r 656 112 656 272 0 33

w 592 112 656 112 0

174 720 32 736 112 0 300 0.9950000000000001 Resistance

w 496 32 496 96 0

w 720 240 720 272 0

w 736 80 768 80 0

w 720 128 768 128 0

w 768 80 768 128 0

p 416 96 416 48 1 0 0

p 288 160 416 160 1 0 0

v 96 368 96 304 0 0 40 10 0 0 0.5

v 96 304 96 144 0 0 40 33 0 0 0.5

409 464 224 368 224 3 0.06 -21.95987758589187 0.023100000000000002 0

r 720 128 720 240 0 8

w 416 160 416 192 0

370 368 224 288 224 1 0 0

370 496 32 720 32 1 0 0

w 240 304 256 304 0

Мал. 37
Текстовий опис схеми емуляції

Для регулювання межі спрацювання обмеження струму є потенціометр R1. Для встановлення вихідного струму – потенціометр R2. Управління потенціометрами відбувається за допомогою повзунків на панелі оперативного управління праворуч від робочого поля (Мал. 36). Верхній повзунок – R1, нижній – R2. Можна просто захопити повзунок мишкою і совати уздовж смужки, або клацати по стрілочкам ліворуч та праворуч від смужки.

 

Швидкість реакції емулятора на зміни процесів, номіналів деталей, чи то елементів управління, залежить від налаштованої тривалості кроку часу. Її можна змінити через OptionsOther OptionsTime step size. Тривалість задається у секундах. У мене тривалість кроку, саме для цієї емуляції, – 1 секунда. До того ж, швидкість процесу відтворення, у певних межах, можна оперативно змінювати за допомогою повзунка Simulation Speed на панелі управління.

Давайте звернемо увагу на увімкнення ОП у цій схемі. Операційний підсилювач увімкнений безпосередньо, без НЗЗ. Просте пряме увімкнення показане у основному дописі на Мал. 4 і там же описане. При такому увімкненні ОП реагує на найменшу різницю потенціалу на входах.

Ще одне зауваження стосовно особливості позначення номіналів резисторів. Зверніть увагу на шунт, він має позначку 470m. Це резистор опором 0.47 Ом, тобто 470 мОм (мілі-омів).

Досить цікавою особливістю, на мій погляд, є можливість обмінюватися схемами за допомогою текстових фалів. Який можна навіть редагувати у текстовому редакторі, звісно досягши певного рівня навичок та розуміння текстового опису елементів.

Текстовий файл опису схеми створюється за допомогою опції Export As Text... у меню

File. Завантажується за допомогою опції Import From Text... із того самого меню.

Для наочності, у рамці (Мал. 37), я навів текстовий файл схеми зображеної на Мал. 35, якщо захочете спробувати – будь ласка. В аплеті працюють комбінації клавіш Ctrl+C – скопіювати, Ctrl+V – вставити. Отже, копіюєте текст із рамки за допомогою засобів браузера і переносите до аплету.

Неможливо у двох словах описати усі можливості аплету. Детального посібника не існує. Тому все залежить від вас. Пробуйте. Експериментуйте. Вчіться.

 

До наступної зустрічі. Хай вам щастить.

 

Наступний допис – огляд МС NE555.

Практична частина – виготовлення простого генератора імпульсів на базі МС NE555.

 

 

 

 

 

Комментарии к статье

Отсутствуют
  • Вы, клиент нашего интернет-магазина? Войдите чтобы оставить комментарий
    Войдите
    Впервые в интернет-магазине? Чтобы продолжить вам нужно зарегистрироваться, это займет несколько минут
    Зарегистрируйтесь