6. 11 Komparatorji (primerjalniki)

6.11 Komparatorji (primerjalniki)
Komparatorji so nelinearna elektronska vezja s katerimi primerjamo dve napetosti med seboj. Primerjalnik ima dva vhoda in ga je možno krmiliti z dvema signaloma hkrati. Običajno je na enem izmed vhodov konstantna referenčna napetost, s katero primerjamo (kompariramo) nek drug signal. Primerjalniki so pomembna povezava med analognimi in digitalnimi signali. Zaradi podobne zgradbe se lahko tudi operacijski ojačevalnik uporablja kot primerjalnik.
6.11.1 Operacijski ojačevalnik kot primerjalnik
Komparator je v bistvu operacijski ojačevalnik, ki deluje brez povratne vezave.
Sl. 6.57 Operacijski ojačevalnik s prenosno karakteristiko
Če je u2 malo večja od u1, je izhod operacijskega ojačevalnika v pozitivnem nasičenju, ko pa je u2 < u1, se nahaja v negativnem nasičenju. Prehodno nedefinirano področje
je zelo ozko, saj je ojačenje ojačevalnika Če je na primer , je to področje
Bistvena razlika med komparatorjem in operacijskim ojačevalnikom v aktivnem področju je, da komparator ni frekvenčno kompenziran. Zaradi tega ni omejen s slew-rate-om. Enostavna uporaba operacijskega ojačevalnika kot komparatorja je prikazana na sliki 6.58.
Sl. 6.58 a. neinvertirajoči komparator b. invertirajoči komparator
Ker se nivoji napetosti analognih in logičnih vezij velikokrat ne ujemajo, je potrebno z rezalnikom omejiti izhodno napetost (slika 6.59). V tem vezju je izhodna napetost omejena na območje od .
Referenčno napetost UR lahko priklopimo preko upora tudi na isti vhod kot signal (slika 6.60 ) V tem primeru je napetost prehoda iz enega v drugo stanje določena z razmerjem upornosti.
Sl. 6.60 a. Neinvertirajoči komparator b. Invertirajoči komparator.
Če upoštevamo, da je operacijski ojačevalnik idealen (brez prehodnega področja), preide izhodna napetost iz enega v drugo stanje, ko je oziroma, ko je
Enako velja za primer b, le da izhajamo iz vozliščne enačbe za invertirajoči vhod.
Zaradi zelo velikega ojačenja, ki ga imajo komparatorji z operacijskim ojačevalnikom v področju preklopa, lahko pride do težav, če imamo na vhodu komparatorja signal zelo nizke frekvence, ki vsebuje določen šum. V tem primeru lahko pride do dodatnih neželenih preklopov zaradi šuma (slika 6.61).
Sl. 6.61 Vezje komparatorja s prikazanim vplivom motilnega šuma
Tem nevšečnostim se izognemo z uporabo bistabilnega komparatorja s histerezo (Schimitt-ov sprožilnik).
6.11.2. Schmitt-ovi prožilniki kot primerjalniki 6.11.2.1 Invertirajoči Schmitt-ov prožilnik (bistabilni komparator, bistabilni multivibrator, komparator s histerezo)
Bistabilni komparator s histerezo uporablja pozitivno povratno vezavo za dosego dveh stabilnih stanj. Invertirajoči bistabilni komparator je prikazan na sliki 6.62.
Sl. 6.62 Invertirajoči bistabilni komparator
Če zanemarimo vhodni tok operacijskega ojačevalnika je
.
Napetost ni konstanta, temveč je odvisna od izhodne napetosti. Za določitev napetostne prenosne karakteristike predpostavimo, da je izhodna napetost operacijskega ojačevalnika . V tem primeru je
Toliko časa, dokler je , je Mejna vhodna napetost, ko preskoči izhodna napetost na vrednost je
Ko je je Razlika napetosti se ojačuje z ojačenjem odprte zanke komparatorja in izhod preskoči v nizko stanje . V tem primeru je
Ker je , je vhodna napetost uvh še vedno večja od in izhod ostane v nizkem stanju, četudi uvh narašča. Predpostavimo, da vhodna napetost upada. Dokler je
,
je izhod komparatorja v nizkem stanju . Mejna (pragovna) vhodna napetost, ko pride do preklopa je
Ko presežemo napetost UTB, je in izhod preskoči v visoko stanje Razmere prikazuje slika 6.63.
Sl. 6.63 a. Napetostno prenosna karakteristika, ko uvh narašča
b. Napetostna prenosna karakteristika, ko uvh upada
c. Združena prenosna karakteristika s prikazano histerezo
6.11.2.2 Invertirajoči Schmittov prožilnik z referenčno napetostjo
6.64. Invertirajoči Schmittov prožilnik z referenčno napetostjo
napetost na neinvertirajočem vhodu
uiz=UA. Dokler je je , ko preskoči izhodna napetost na nizki nivo, izračunamo iz enačbe za napetost, da je
6.11.2.3 Neinvertirajoči Schmitt-ov prožilnik
Sl. 6.66 Neinvertirajoči Schmitt-ov prožilnik
Napetost na neinvertirajočem vhodu je v tem primeru odvisna od vhodne in izhodne napetosti. Po teoremu o superpoziciji dobimo
Ker je , preskoči izhodna napetost iz negativnega v pozitivno nasičenje (). Spodnjo mejno vhodno napetost izračunamo iz enačbe za napetost na neinvertirajočem vhodu, pri pogoju, da je in .
,
.
Sl. 6.67 Prenosna karakteristika neinvertirajočega Schmittovega prožilnika
6.11.2.4 Neinvertirajoči Schmittov prožilni z referenčno napetostjo
Sl. 6.68 Neinvertirajoči Schmittov prožilnik z referenčno napetostjo.
Če je , je in je tudi negativna za Ko uvh narašča, doseže pragovno napetost ravno, ko je Iz enačbe za napetost na neinvertirajočem vhodu
izračunamo vhodno pragovno napetost UTA
Z enakim razmišljanjem dobimo tudi spodnjo mejno vhodno napetost, ko preklopi izhod iz visokega() v nizko stanje()
Namesto baterije lahko kot referenčno napetost UR uporabimo delilnik napetosti.
Zgled 1: Izračunajmo vrednosti upornosti R1, R2 in R3 invertirajočega Schmittovega prožilnika, ki ima namesto referenčne baterije delilnik napetosti. Histerezo podajata mejni napetosti in . Napajalna napetost je . Izhodna napetost operacijskega ojačevalnika je .
Sl. 6.70 Schmittov prožilnik z delilnikom
Ker sta UTA in UTB pozitivni, izberemo za .
Vozliščna enačba za neinvertirajoči vhod
Če je je mejna vhodna napetost . Za pa je mejna vhodna napetost . Ko vstavimo te pogoje v vozliščno enačbo za neinvertirajoči vhod , dobimo
,
.
Z upoštevanjem številčnih vrednosti imamo dve enačbi s tremi neznankami
Izberemo in izračunamo
Zgled 2. Za neinvertirajoči Schmittov prožilnik izračunajmo razmerje upornosti in Podano imamo napajalno napetost, napetosti nasičenja operacijskega ojačevalnika in mejne preklopne napetosti
Če upoštevamo, da je pri obeh mejnih vhodnih napetostih, dobimo enačbi
,
Spodnjo enačbo odštejemo od zgornje
Iz poznane referenčne in napajalne napetosti določimo še razmerje upornosti
6.11.2.5 Schmittov prožilnik z omejilnikom na izhodu
Izhodna napetost Schmittovih prožilnikov je pozitivna ali negativna napetost nasičenja. Vrednost te napetosti ni natančno določena, saj je odvisna od napajalne napetosti in od izbire prožilnika. Z omejilnikom na izhodu postane izhodna napetost točno definirana. Enostavno omejevanje izhodne napetosti dosežemo z dvema Zener diodama na izhodu (slika 6.72)
6.72 Schmittov prožilnik z omejilnikom na izhodu
Upor R določa tok skozi Zener diode. Izhodna napetost je omejena na vrednost . Pri tem je UK napetost kolena Zener diode polarizirane v prevodni smeri. Mejni vhodni napetosti, ko pride do preskoka izhodne napetosti sta
|