Operaatiovahvistinvertailijat tarjoavat yksinkertaisen tavan vertailla jännitteitä ja muuntaa analogiset signaalit selkeiksi korkeiksi tai mataliksi lähtöiksi. Niitä käytetään laajasti kynnyspohjaisissa piireissä, mutta luotettava toiminta riippuu niiden käyttäytymisen ja rajojen ymmärtämisestä. Tässä artikkelissa selitetään, miten ne toimivat, miten ne konfiguroidaan ja milloin ne ovat käytännöllisiä käyttää.
Vertailun yleiskatsaus
Vertailulaite on piiri, joka vertaa kahta tulojännitettä ja muuttaa lähtötilaa sen mukaan, kumpi on korkeampi. Se muuttaa analogisen tason yksinkertaiseksi kynnysarvopäätökseksi määrittämällä, onko signaali määritellyn viitepisteen yläpuolella vai alapuolella.
Tätä funktiota käytetään yleisesti kynnysarvojen tunnistuksessa. Esimerkiksi anturijännitettä voidaan verrata viitetasoon, joka laukaisee toiminnon, kun ehto saavutetaan. Tällaisissa tapauksissa hystereesiä lisätään usein estämään epävakaa kytkentä, joka johtuu pienistä vaihteluista.
Miten operaatiovahvistin toimii vertailijana
Operaatiovahvistin (operaatiovahvistin) voi toimia vertailulaitteena, kun sitä käytetään ilman palautetta. Tässä tilassa se vahvistaa jännite-eroa tulojen välillä, kunnes lähtö saavuttaa yhden rajoistaan.
Jos ei-invertoiva tulo (+) on korkeampi kuin käänteinen tulo (–), lähtö menee korkealle. Jos päinvastoin tapahtuu, ulostulo menee matalaksi. Toisin kuin lineaarisessa toiminnassa, operaatiovahvistin ajetaan kyllästymiseen, jolloin saadaan selkeä korkea tai matala lähtö suhteellisen signaalin sijaan. Lähtö liikkuu kohti syöttökiskoja, mutta se ei välttämättä saavuta niitä, ellei operaatiovahvistin ole kisko-kisko.
Toiminnan varmistamiseksi syöttöjännitteiden on pysyttävä operaatiovahvistimen yhteismoodi-alueella, vaikka käyttäisin yhtä virtalähdettä. Kun perusoperaatio on ymmärretty, seuraava vaihe on määritellä, miten vertailija on kytketty ja mihin se kytkeytyy.
Vertailukonfiguraatio ja kynnysarvojen suunnittelu
Operaatiovahvistin voidaan liittää kahdella yleisellä tavalla: ei-invertoivalla tai invertiivisellä tavalla.
Ei-invertoiva vertailija
• Tulosignaali → ei-invertoiva (+) liitin
• Viite → invertoivalle (–) terminaalille
• Ulostulo nousee KORKEALLE, kun syöte ylittää viitearvon
Käänteinen vertailulaite
• Tulosignaali → invertiivinen (–) liitin
• Viite → ei-invertiivinen (+) terminaali
• Lähtö laskee ALEMMAKSI, kun syöte ylittää viitearvon
Referenssijännite määrittää kytkentäpisteen. Se voidaan valmistaa vastusjakajalla yksinkertaisissa piireissä tai zenerillä tai tarkkuusreferenssillä, kun tarvitaan parempaa vakautta. Jos referenssi ei ole vakaa, kohina tai jännitteen poikkeama kynnyksen läheisyydessä voi aiheuttaa väärää kytkentää.
Hystereesin käyttö vakaassa kytkennässä
Hystereesis tekee vertailijasta vakaamman luomalla kaksi kytkentäkynnystä yhden sijaan positiivisen palautteen kautta. Yläkynnys määrittää pisteen, jossa ulostulo menee KORKEALLE, ja alempi kynnys määrittää pisteen, jossa lähtö menee MATALAKSI. Tämä Schmittin laukaisutoiminto auttaa estämään väärät kytkennät, kun syöte on äänekäs tai muuttuu hitaasti.
Ei-invertiivisessä vertailijassa hystereesi voidaan lisätä liittämällä vastus ulostulosta takaisin ei-invertoivaan tuloon. Tämä palaute siirtää tehokasta kytkentäkynnystä nykyisen lähtötilan mukaan. Kun ulostulo on KORKEA, kynnys nousee hieman ylöspäin. Kun ulostulo on MATALA, se liikkuu hieman alaspäin. Näiden kahden kynnyksen eroa kutsutaan hystereesin leveydeksi.
Palautevastus säätelee, kuinka paljon hystereesiä lisätään. Suurempi vastus antaa kapeamman hystereesin, kun taas pienempi vastus antaa leveämmän hystereesin. Arvo tulisi valita huolellisesti, sillä liian vähäinen hystereesis ei välttämättä vaimenna kohinaa, kun taas liiallinen määrä voi vähentää herkkyyttä todellisille signaalimuutoksille. Hysteresis on erityisen hyödyllinen anturipiireissä ja muissa hitaasti muuttuvissa tulosovelluksissa, jotka vaativat puhtaan kytkimistä.
Operaatiovahvistimen ja omistetun vertailun vertailu
| Aspekti | Operaatiovahvistin käytettynä vertailuna | Omistettu vertailija |
|---|---|---|
| Kytkentänopeus | Hitaampi rajoitetun slow-nopeuden ja sisäisen kompensoinnin vuoksi | Nopeampi ja suunniteltu kytkentätoimintoihin |
| Lähtöreaktio | Etenemisviive vaikuttaa | Reagoi nopeammin syötteen muutoksiin |
| Sähkönkulutus | Voi olla korkeampi, kun se ajetaan kyllästymään | Yleensä sopivat paremmin kytkentätehokkuuteen |
| Syöttöalue | Rajoitettu yhteisen tilan syöttörajoitteisiin | Tyypillisesti suunniteltu vertailijan syöttöoperaatiolle |
| Lähtötaso | Ei välttämättä saavuta ihanteellisia rautatietasoja ilman rautatie-rautatie-yhteensopivuutta | Tarjoaa puhtaampia digitaalisia tuloksia |
| Signaalinkäsittely | Voi hidastua tai epätarkkaa nopeasti muuttuvien signaalien kanssa | Parempi nopeille ja korkeataajuisille signaaleille |
| Lähtötyyppi | Tavallinen operaatiovahvistimen lähtövaihe | Sisältää usein avoimen tyhjennyksen tai avoimen keräimen ulostulot |
| Paras käyttötapaus | Yksinkertaiset, hitaat sovellukset | Nopeat, korkeataajuiset tai ajoituskriittiset sovellukset |
Operaatiovahvistimien vertailusovellukset
Operaatiovahvistinvertaimia käytetään piireissä, jotka vaativat yksinkertaisia jännitepohjaisia päätöksiä, kuten:
Havaitseminen
• Lämpötilakynnysohjaus — kytkee lämmittimen, tuulettimen tai hälyttimen, kun anturin jännite ylittää tietyn tason
• Valontunnistuspiirit — havaitsevat, milloin ympäröivä valo nousee valitun kynnyksen yläpuolelle tai alle
Suojaus
• Akun jännitteen seuranta — osoittaa, milloin akun jännite laskee liian alas tai saavuttaa vaaditun lataustason
• Ylijännite- tai alijännitesuojaus — laukaisee sammutuksen, varoituksen tai eristyksen, kun syöttöjännite liikkuu turvallisen alueen ulkopuolelle
Signaalin käyttäytyminen
• Nollaristeyksen tunnistus — tunnistaa, milloin vaihtovirta tai muuttuva aaltomuoto ylittää 0 V ajoituksen tai synkronoinnin vuoksi
• Tason tunnistus analogisissa signaaleissa — muuntaa vaihtelevan syötteen selkeäksi ON/OFF-ulostuloksi ohjauslogiikkaa varten
Jokaisessa tapauksessa muuttuva signaali muunnetaan selkeäksi lähtötilaksi, jota muu piiri voi käyttää.
Yhteenveto
Operaatiovahvistin voi toimia vertailijana piireille, jotka vaativat yksinkertaista jännitekynnysarvon tunnistusta. Luotettava toiminta riippuu oikeasta konfiguraatiosta, vakaasta referenssistä ja hystereesin käytöstä epävakaan kytkennän estämiseksi. Kuitenkin nopeuden, syöttöalueen ja lähtökäyttäytymisen rajoitukset on otettava huomioon. Nopeampaan vasteeseen tai vaativampiin olosuhteisiin erikoistuneet vertailulaitteet tarjoavat sopivamman ratkaisun.
Usein kysytyt kysymykset [UKK]
Mikä on ero slew-nopeuden ja etenemisviiveen välillä vertailijassa?
Slew-nopeus määrittelee, kuinka nopeasti lähtöjännite muuttuu, kun taas etenemisviive on aika syötteenvaihdon ja lähtövasteen alun välillä.
Voiko operaatiovahvistinvertain havaita hyvin pieniä jännite-eroja?
Kyllä, mutta tarkkuus riippuu offset-jännitteestä ja kohinasta. Pienet erot saattavat vaatia suodatusta tai tarkkaa operaatiovahvistinta.
Miksi operaatiovahvistin tuottaa hitaan tai pyöristetyn ulostulon?
Tämä johtuu rajoitetusta leivutusnopeudesta ja sisäisestä kompensaatiosta, jotka estävät nopeat siirtymät.
Milloin operaatiovahvistinta ei tulisi käyttää vertailulaitteena?
Sitä tulisi välttää nopeissa, korkeataajuisissa tai ajoituskriittisissä sovelluksissa, joissa tarvitaan nopea kytkentä.
Miten valitset hystereesis-arvot?
Aseta hystereesis tarpeeksi leveäksi hylkäämään kohinan, mutta tarpeeksi pieneksi säilyttämään herkkyys. Tätä ohjaa takaisinkytkentävastuksen suhde ja ulostulo swing.
