Схемы компаратора с использованием IC 741, IC 311, IC 339

Основная функция схемы компаратора заключается в сравнении двух уровней напряжения на его входных контактах и ​​создании выходного сигнала, показывающего, какое входное напряжение имеет более высокий потенциал, чем другое.

В этой статье мы подробно узнаем, как правильно спроектировать схемы компаратора с использованием популярных микросхем, таких как IC 741, IC 311 и IC LM339.

Разница между компаратором и операционным усилителем

IC 741 - идеальный пример одиночного операционного усилителя, а IC LM311 можно считать хорошим примером специализированного одиночного компаратора.

Вы обнаружите, что оба этих устройства имеют внутри идентичный символ устройства в форме «треугольника», который мы обычно распознаем и используем для рисования схем компаратора. Однако выходная характеристика этих двух форм компараторов может иметь несколько существенных отличий.

Хотя операционный усилитель и компаратор могут быть настроены для сравнения дифференциальных сигналов на их входных контактах, основные различия между двумя аналогами заключаются в следующем:

• В состоянии питания выход операционного усилителя будет либо положительным, либо отрицательным, в зависимости от уровней входного напряжения на контактах, но никогда не может быть разомкнут. Напротив, выход компаратора может быть открытым, заземленным (отрицательным) или плавающим.
• Выход операционного усилителя может работать без каких-либо подтягивающих или понижающих резисторов, но компаратору всегда потребуется внешний подтягивающий или понижающий резистор, чтобы выходной каскад мог нормально работать.
• Операционный усилитель может использоваться для построения схем усилителя с высоким коэффициентом усиления, компаратор не может использоваться для таких приложений.
• Реакция переключения выхода операционного усилителя обычно медленнее по сравнению с микросхемой компаратора.

Классическую схему компаратора можно увидеть на следующем рисунке:

Здесь выход отвечает «высоким» цифровым сигналом всякий раз, когда напряжение на неинвертирующем (+) входе выше, чем на инвертирующем (-) входе. Напротив, выходной сигнал превращается в цифровой сигнал с низким уровнем всякий раз, когда неинвертирующее входное напряжение ниже, чем инвертирующее входное напряжение.

Ссылаясь на приведенный выше рисунок выше, мы можем увидеть стандартное соединение схемы компаратора, имеющей один вход (инвертирующий вход в этом примере), настроенный с опорным напряжением, и другой входной вывод, который является неинвертирующим входом, подключенным к входному сигналу напряжения. .

Во время Vin удерживается на более низком напряжении, чем опорное напряжение V + 2, выход остается низким на около -10 V. Если Vin увеличивается чуть выше +2 V, выход мгновенно изменяет состояние, и повороты с высокой до около + 10 В. Это изменение состояния на выходе в диапазоне от -10 в до +10 в указывает на то, что Vin становится выше, чем ссылки +2 В.

Основным компонентом любого компаратора является схема операционного усилителя, настроенная на очень высокий коэффициент усиления по напряжению. Чтобы точно изучить работу компаратора, мы можем взять пример IC 741, как показано ниже:

Здесь мы можем видеть, что инвертирующий входной контакт 2 (-) связан с землей или уровнем 0 В. Синусоидальный сигнал подается на контакт 3, который является неинвертирующим входом операционного усилителя. Этот поочередно изменяющийся синусоидальный сигнал заставляет выходной сигнал переключаться между высоким и низким состояниями выхода, как показано в правой части изображения.

Когда вход Vin перемещается даже на милливольт по сравнению с опорным значением 0 В, разница усиливается внутренним операционным усилителем с высоким коэффициентом усиления ИС, в результате чего выходной сигнал становится высоким при положительном уровне насыщения выходного сигнала. Это условие поддерживается так долго, как пребывание сигнала Vin выше ссылок 0 V.

Теперь, как только уровень сигнала падает тень ниже ссылки 0 В, выходной сигнал приводится к его более низкому уровню насыщения. Опять же, это условие сохраняется до тех пор, как локотники входного сигнала Vin ниже опорного уровня 0 V.

Приведенное выше объяснение и форма волны, представленная на изображении, ясно указывают на цифровой отклик выхода для линейно изменяющегося входного сигнала.

Для обычных приложений опорный уровень не обязательно должен быть на уровне 0 В, скорее, это может быть любой положительный уровень в соответствии с требованиями. И, в случае необходимости, опорный сигнал также может быть подключен либо к положительной, либо к отрицательной линиям питания, в то время как входной сигнал подается на другой входной контакт.

Использование IC 741 в качестве компаратора

В следующем примере мы узнаем, как эффективно использовать операционный усилитель в качестве компаратора

На рисунке мы можем видеть схему операционного усилителя, работающую с положительным опорным сигналом, установленным на инвертирующем входном контакте (-). К выходу прикреплен светодиод.

Использование делителя напряжения сети формулу, мы можем вычислить значение напряжения на Другой крупный в (-) вход штифт IC.

Vref = 10 k / 10 k + 10 k x +12 V = +6 V

Поскольку это задание связано с выводом (-) ИС, если напряжение Vin на входе (+) становится выше этого задания или становится более положительным, чем задание, выход Vo переключится на положительный уровень насыщения.

При этом загорится светодиод, указывая на то, что Vin стало более положительным, чем опорный уровень +6 В.

Противоположно, если вход неинвертирующего (+) сконфигурирован в качестве опорного штифта и Vin поступает на вход инвертирующего (-) штырь, выход будет низким, как только входной сигнал Vin опускается ниже опорного значения, и наоборот.

Это мгновенно приведет к выключению светодиода.

Следовательно, светодиод может быть включен или выключен для заданного входного сигнала, соответствующим образом подключив входной контакт с опорным уровнем и входным сигналом.

Использование специализированных компараторных ИС

Обычно операционные усилители отлично работают в качестве схем компаратора, но использование специальной микросхемы компаратора работает даже лучше, чем операционный усилитель для приложения компаратора.

ИС компаратора специально разработаны для функции компаратора и демонстрируют улучшенный отклик, например более быстрое переключение на выходе между положительным и отрицательным уровнями.

Эти ИС обладают более высокой устойчивостью к шумам, и во многих случаях их выходы могут использоваться напрямую для управления нагрузкой.

Давайте узнаем о нескольких популярных микросхемах компаратора подробно из следующего обсуждения.

Схема компаратора на IC 311

На рисунке выше показана внутренняя компоновка и детали распиновки компаратора IC 311. Эта микросхема предназначена также для работы от двойного источника питания в диапазоне +15 В и -15 В, что является стандартным совместимым уровнем для всех. современные цифровые ИС.

Выходной каскад внутри ИС имеет биполярный транзистор с плавающими выводами коллектора и эмиттера. Это означает, что выход этого транзистора может быть настроен двумя разными способами:

1. Путем добавления подтягивающего резистора к контакту 7 коллектора и заземления контакта 1 эмиттера с последующим использованием коллектора в качестве выхода.
2. Соединив коллектор с положительной линией и используя эмиттер в качестве выхода.

Транзисторный выход также можно использовать для управления реле или небольшой нагрузкой, например лампой, напрямую без внешнего буферного каскада.

Микросхема также имеет балансный вход и стробоскоп, который можно стробировать с выходом.

Мы обсудим несколько полезных применений этой ИС в следующих разделах:

На рисунке выше показано, как IC 311 может быть сконфигурирован как детектор перехода через нуль компаратор для измерения входного напряжения всякий раз, когда он пересекает нулевую линию.

Видно, что инвертирующий вход (-) 311 соединен с землей. В течение периода, когда входной сигнал находится на положительном уровне, выходной транзистор остается включенным, что создает низкий уровень (-10 в этом примере) на выходе (коллектор транзистора).

Как только входной сигнал становится отрицательным или становится ниже 0 В, транзистор выключается. Это создает положительное + 10В на выходе коллектора ИС. Это позволяет нам узнать, когда входной сигнал выше нулевого уровня, а когда он упал ниже нулевого уровня.

На следующем рисунке показано, как компаратор IC 311 может быть использован для создания стробированной схемы.

В этом примере схемы компаратора, выход pin7 получится высокий уровень, когда pin3 уровень напряжения поднимается выше pin2 ссылки. Но это может произойти только при низком уровне входного сигнала строба pin6 или 0 В.

Когда к базе транзистора применяется строб высокого уровня TTL, на выводе 6 становится низкий уровень, в результате чего выходной транзистор IC отключается, и, таким образом, вывод 7 становится высоким.

Выходной сигнал остается высоким, пока на входе TTL сохраняется высокий уровень, независимо от состояния входного сигнала на выводе 3.

Однако, если сигнал TTL применяется в стробированной форме, то выход реагирует на входной сигнал на выводе 3. Проще говоря, выход остается заблокированным на высоком уровне, пока не будет сброшен контакт 6.

Как подключить реле к компаратору

На следующем рисунке ниже показано, как компаратор 311 можно использовать непосредственно для управлять реле .

Здесь, когда уровень напряжения на входном выводе 2 падает ниже 0 В, вывод 3 становится более положительным, чем вывод 2. Это приводит к выключению коллектора внутреннего транзистора, что включает реле. В контакты реле может быть подключен к более высокой нагрузке для выполнения желаемого действия переключения.

Пока вход (+) на контакте 2 остается ниже 0 В, реле остается включенным. И наоборот, когда на контакте 2 имеется положительный сигнал, реле остается выключенным.

Схема компаратора с использованием IC 339

IC 339, также известная как LM339, представляет собой микросхему с четырьмя компараторами. Это означает, что он включает в себя 4 отдельных компаратора напряжения, входы и выходы которых соответствующим образом подключаются через соответствующие внешние контакты корпуса IC, как показано ниже.

Как и любой другой компаратор, каждый блок компаратора имеет пару входов и один выход. Когда микросхема питается от подачи напряжения на контакты Vcc и заземление, она питает все компараторы вместе. Таким образом, даже если используется один компаратор, все остальные 3 будут потреблять некоторую мощность.

Все компараторы имеют точно идентичные характеристики, поэтому мы можем проанализировать любую из них, чтобы изучить базовую функцию компаратора.

Когда на входные клеммы подается положительный дифференциальный вход, то есть когда разница между подаваемыми сигналами положительна, выходной транзистор выключается. Это приводит к тому, что выход показывает обрыв цепи или плавающий обрыв.

Когда дифференциальный вход отрицательный, то есть когда разница между подаваемыми сигналами на входных контактах отрицательная, он включает выходной транзистор компаратора, что приводит к тому, что выходной контакт компаратора становится отрицательным или имеет V-потенциал.

Ссылаясь на рисунке выше, можно понять, что, когда неинвертирующий (+) вход интегральной схемы, используется в качестве опорного штифта, напряжение ниже этой ссылкой на инвертирующий входной контактный (-) приведет к выходу из компаратор станет открытым. С другой стороны, если (-) используется в качестве опорного штифта, уровень напряжения на (+) вход выше ссылки вызовет выход, чтобы включить отрицательные или V-

Чтобы понять, как IC 339 работает как компаратор, следующий пример показывает IC как детектор перехода через нуль.

В момент, когда входной сигнал поднимается выше 0 В, выходной сигнал становится высоким на уровне V +. Выход отключается при V- только тогда, когда на входе поддерживается ниже 0 В.

Как объяснялось ранее, опорный уровень не обязательно должен быть 0 В, его можно изменить на любой другой желаемый уровень. Кроме того, вы также можете использовать другой входной контакт (+) в качестве опорного штифта, и (-) входного контакт в качестве входного вывода сигнала для приема входного сигнала Различных.

Преимущество плавающего выхода в микросхемах компаратора

Как обсуждалось в предыдущих пояснениях, выход компараторов переключается через BJT, который имеет открытый коллектор в качестве выхода. Это дает преимущество прямого подключения выходов двух компараторов от IC 339, как и ИЛИ ворота .

Хороший пример схемы оконного компаратора можно увидеть ниже. Здесь два блока компараторов IC 339 сконфигурированы с одним общим входным сигналом, а выходы соединены как логический элемент ИЛИ.

Выход соответствующих компараторов становится низким всякий раз, когда входной сигнал пересекает либо нижний заданный порог, либо верхний заданный порог, что позволяет пользователю узнать, когда сигнал выходит за пределы заданного уровня окна.

Компаратор окон может использоваться для таких полезных приложений, как протектор высокого низкого напряжения цепь, и солнечный трекер цепь и т. д.

Вывод

Из приведенных выше объяснений мы узнали, что:

Компараторы - это в основном блоки, имеющие два дополнительных входа и один ответный выход. Выход включается высокий или низкий, когда уровень напряжения на одном из входов идет выше или ниже, чем на другой вход, в зависимости от того, какой вход используется в качестве эталона или на фиксированном уровне напряжения.

Хотя операционный усилитель также может использоваться как компаратор, специализированные ИС компаратора лучше спроектированы для работы как компараторы.

Специализированные микросхемы компаратора, такие как LM311, LM339, специально разработаны для применения в компараторах, с более быстрым откликом и гибкой возможностью вывода большого тока.

Если у вас есть какие-либо связанные вопросы, не стесняйтесь задавать их через поле для комментариев ниже.