ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №10. АНАЛОГОВЫЕ КОМПАРАТОРЫ И СХЕМЫ НА ИХ ОСНОВЕ: ОПИСАНИЕ

Цели работы – изучить принцип действия аналогового компаратора как компонента, собрать и исследовать схемы сравнения напряжений без гистерезиса и с гистерезисом, собрать и протестировать схему аналогового автомата управления освещением на основе фотодиода, включающую осветительные приборы при снижении уровня естественного освещения.

ОУ имеют два режима работы – усилительный (линейный) и режим насыщения. В линейном режиме ОУ стремится выполнить правило относительно равенства напряжений на входах. Если напряжение на неинвертирующем входе U(+) превышает напряжение на инвертирующем входе U(–), выходное напряжение ОУ UВЫХ растет до выравнивания напряжений входов, что достигается благодаря наличию отрицательной обратной связи (ООС). Если разность напряжений на входах ненулевая и U(+) < U(–), то ОУ, стремясь выровнять напряжения на входах, наоборот, уменьшает UВЫХ. В итоге при работе в правильно рассчитанных усилительных схемах ОУ удается выровнять напряжения на входах за счет наличия ООС: увеличение UВЫХ увеличивает U(–) или уменьшает U(+), и наоборот. Если ОУ не удается выполнить правило равенства напряжений на входах, он переходит в насыщение, и выдает на выходе напряжение, близкое +/–UП.

Если спроектировать схему вообще без ООС, то малейшее превышение U(+) над U(–) обеспечит высокое выходное напряжение, а если U(–) хоть сколько-нибудь превышает U(–) – низкое. Иными словами, ОУ без ООС можно использовать для весьма точного сравнения напряжений: малые разности напряжений на входах схемы будут приводить к выдаче выходных напряжений порядка +/–UП.

Однако при использовании ОУ в роли устройства сравнения напряжений (в схеме компаратора) возникает ряд проблем. Во-первых, диапазон выходных напряжений обычных ОУ уже диапазона питания на 1-2 В сверху и снизу. Во-вторых, многие ОУ рассчитаны на линейный режим работы и имеют на входе встречно-параллельно включенные диоды, благодаря которым выполняется условие |U + – U –| < 0.7 В. Такой ОУ нельзя использовать для сравнения напряжений, отличающихся на бо́льшие значения, чем 0.7 В. В-третьих, ряд ОУ ведет себя непредсказуемо при подаче на входы сильно различающихся напряжений в полном диапазоне питания (например, вместо положительного насыщения на выходе можно наблюдать отрицательное, т.н. эффект инверсии фазы). Те ОУ, которые без ограничений могут быть использованы для сравнения напряжений, обычно имеют на это прямое указание в документации, например, популярный компонент AD8542.

Вышеуказанное привело к тому, что были разработаны специальные микросхемы, похожие на ОУ, но предназначенные только для сравнения напряжений – компараторы. Как видно, у термина «компаратор» есть два смысла – это и схема для сравнения напряжений, в которой с известными оговорками может быть использован ОУ, и отдельный тип аналоговых микросхем, которые, в отличие от ОУ, совершенно непригодны для линейных усилительных схем.

Для того чтобы отличать микросхемы-компараторы от ОУ на схемах, в их условное графическое обозначение иногда добавляют символ сравнения в виде двух знаков равенства (==), но очень часто компараторы обозначаются вообще точно так же, как ОУ. Отличить на схеме компаратор от ОУ в этом случае можно только по наименованию.

Как и у ОУ, у компаратора есть инвертирующий и неинвертирующий вход, два входа питания и один выход. Однако, в отличие от ОУ, на выходах компараторов чаще всего стоят транзисторные ключи. Эмиттер транзистора соединен с выводом –UП, база управляется входным транзисторным дифференциальным усилителем через промежуточные каскады, а коллектор выведен на выход микросхемы. Такой выход называется выходом с открытым коллектором. Выходной транзистор никогда не пребывает в активном режиме. Если он открыт (насыщен),

выходное напряжение микросхемы составляет порядка –UП, а если закрыт – микросхема вообще не управляет своим выходом. В этом случае обычно удобнее всего иметь на выходе схемы сравнения напряжений +UП, для чего между выходом микросхемы-компаратора и цепью питания +UП ставится резистор подтяжки номиналом в несколько кОм, часто называемый «pull-up резистором». Благодаря этому резистору, алгоритм работы простейшей схемы сравнения напряжений предельно прост:

если U(+) < U(–),UВЫХ = –UП;

если U(+) > U(–),UВЫХ = +UП.

Выполнение условия U(+) = U(–) невозможно: в мире материальных вещей нет ничего математически одинакового. Если входные напряжения микросхемы-компаратора очень близки, на практике мы получим частые переключения уровня выходного напряжения вследствие наличия в схеме шумов и электромагнитных помех.

Чаще всего компараторы используются для сравнения выходного напряжения какой-то сложной схемы с неким заранее установленным значением (постоянным в течение длительного времени). Это напряжение называется пороговым (UПОР), реже – опорным. В системах с двуполярным питанием оно может принимать любые значения от –UП до +UП, включая нулевое. В системах, где питание однополярное, т.е. –UП = GND, нулевое значение порогового напряжения, соответственно, бессмысленно.

Различают инвертирующий и неинвертирующие схемы компараторов, согласно полярности подключения их входов (см. Рис. 1).

а б

Рис. 1. Неинвертирующая (а) и инвертирующая (б) схемы сравнения напряжений на компараторе с открытым коллектором

С точки зрения микросхемы-компаратора эти схемы тождественны, он «не знает», какое из входных напряжений мы считаем входным, а какое – пороговым. Вместе с тем, статические характеристики схем, очевидно, противоположны (см. рис. 2). Обе схемы имеют бесконечные входные сопротивления, а выходное сопротивление определяется резистором RП.

Рис. 2. Статические характеристики неинвертирующей (а) и инвертирующей (б) схемы сравнения напряжений

Типичная задача для схемы компаратора – сравнить некое входное напряжение, изменяющееся непрерывно (не дискретно), с пороговым. Под непрерывно изменяющимся напряжением имеется ввиду некий периодический или апериодический сигнал, форма которого не является прямоугольными импульсами. Рассмотрим практический пример. В термостатов, управляющих при помощи реле мощными нагревательными элементами на 220 В, для снижения уровня создаваемых помех и для продления срока службы реле рекомендуют включать и выключать реле строго в моменты времени, когда мгновенное значение напряжения в сети равно нулю. Чтобы выделить эти моменты времени, достаточно разделить фазное напряжение высоковольтным высокоомным делителем так, чтобы амплитуда синусоидального сигнала не превышала UП, а затем сравнить полученное напряжение с уровнем нуля вольт, например, при помощи инвертирующей схемы. На выходе, очевидно, должны возникнуть прямоугольные импульсы с частотой 50 Гц и коэффициентом заполнения 50%. Если это сделать любой из схем, показанных на рис. 2, выходной сигнал будет искажен. Дело в том, что синусоидальное входное напряжение сильно зашумлено и пребывает в районе UПОР достаточно долго для того, чтобы изза шума соотношение UВХ и UПОР изменилось несколько раз (см. рис. 3)

UВХ

t

UВЫХ

t

Рис. 3. Эффект сравнения зашумленных напряжений

Из-за шума один факт пересечения линией тренда входного напряжения уровня UПОР приводит к тому, что компаратор переключается несколько раз, и вместо одного фронта сигнала на выходе их возникает несколько (своего рода дребезг). Подобного недостатка лишена схема сравнения напряжений с гистерезисом. Такая схема имеет два порога переключения: один для переключения выхода компаратора из –UП в +UП, второй – для обратного переключения, из +UП в –UП. Шириной петли гистерезиса называют разность между этими порогами. Чтобы вызвать сбой схемы с гистерезисом, как показано на рис. 3, амплитуда шума должна, очевидно, превышать ширину петли гистерезиса. Рассчитывая на определенный уровень шума, инженер может создать необходимую ширину этой «зоны нечувствительности» схемы сравнения напряжений.

С точки зрения архитектуры, инвертирующая и неинвертирующая схемы компараторов с гистерезисом похожи. Для определенности рассмотрим схему инвертирующего компаратора с гистерезисом (рис. 4, а) и симметричным двуполярным питанием +/–UП (напряжения питания равной величины, но разного знака).

UВЫХ UГ

+UП

UВХ

–UП

UПОР2 UПОР UПОР1

Рис. 5. Статическая характеристика инвертирующего компаратора с гистерезисом

Нетрудно рассчитать, как отличаются величины UПОР1,2 от UПОР:

Как следует из (3) и (4), при симметричном двуполярном питании петля гистерезиса (см. рис. 5) симметрична относительно уровня UПОР. Введем понятие ширины петли гистерезиса UГ = (UПОР1 – UПОР2). Нетрудно вывести, что

Если микросхема-компаратор подключена выводами питания к цепям +UП, GND (схема с однополярным питанием), а UПОР – некоторое напряжение в пределах (GND…+UП), соотношение

(5) имеет вид

Неинвертирующий компаратор с гистерезисом по логике работы аналогичен инвертирующему (см. рис. 6). Это, фактически, та же схема, но источники напряжений UВХ и UПОР меняются местами.

Как и для предыдущей схемы, следует отменить, что схема неинвертирующего компаратора топологически очень похожа на схему инвертирующего усилителя на ОУ. Аналогично описанному выше, в отличие от схемы усилителя резисторы здесь создают не ООС, а ПОС. При анализе незнакомых схем начинающему инженеру следует обращать на это обстоятельство отдельное внимание и не путать компараторы и ОУ.

Практические отличия схем заключаются в трех моментах. Во-первых, форма статической характеристики обратная (у неинвертирующего компаратора высокий входной уровень напряжения UВХ обеспечивает высокий выходной уровень UВЫХ = +UП). Во-вторых, неинвертирующий компаратор, в отличие от инвертирующего, имеет конечное входное сопротивление, которое определяется суммой сопротивлений (R1 + R2). Соответственно, для работы с высокоомными источниками сигнала UВХ инвертирующая схема предпочтительнее.

UВЫХ UГ

+UП

UВХ

–UП

UПОР2 UПОР UПОР1

Рис. 6. Ненвертирующий компаратор с гистерезисом (а) и его статическая характеристика (б)

Третье отличие касается ширины петли гистерезиса. Пренебрегая падением напряжения на резисторе подтяжки, запишем выражение для порогового напряжения UПОР1. Очевидно, если в данный момент выходное напряжение компаратора равно –UП, то переключение произойдет при равенстве напряжений на входах микросхемы при таком UВХ = UПОР1, что справедливо выражение:

ПОР1 − 1 = ПОР,

где = ПОР1−(−П) – некоторый ток, протекающий через резисторы R1 и R2 из источника UВХ =

1+ 2

UПОР1 в выход микросхемы-компаратора. Тогда:

Если же в данный момент на выходе компаратора действует уровень напряжения +UП, то переключение случится при выполнении равенства

Где = П−ПОР2 – ток, который протекает из выхода микросхемы-компаратора в источник

1+ 2

входного напряжения UВХ = UПОР2. Приравняв (8) и (9) через UПОР, получим:

Другое распространенное название компаратора с гистерезисом – триггер Шмитта.

На основе компараторов с гистерезисом строят простейшие автоматические устройства регулирования температуры, давления, освещённости и т.п. Обобщенная схема автоматического регулятора на компараторе представлена на рис. 7. В таких устройствах один вход компаратора подключают к датчику, преобразующего некую физическую величину в напряжение. На другой вход подают напряжение уставки – пороговое напряжение, по достижению которого будет

требоваться воздействие на объект регулирования (включение или выключение нагревателя, насоса, осветителя и т.п.). В простейшем случае напряжение уставки может быть подано со скользящего контакта переменного резистора, включенного по схеме потенциометра.

Если при превышении порогового значения, заданного уставкой, воздействие на объект управления необходимо прекратить (например, выключить насос по достижении заданного давления), то компаратор подключают по инвертирующей схеме. Если же, наоборот, воздействие необходимо начать при превышении установленного значения (например, включить охлаждающий вентилятор при превышении порога температуры), то используют неинвертирующую схему.

Выход компаратора в автоматических регуляторах подключают к цепи управления исполнительным устройством, воздействующим на объект регулирования.

Рис. 7. Обобщенная схема автоматического регулятора на компараторе с гистерезисом

В данной лабораторной работе моделируется схема простейшего автомата включения освещения, задача которого – включать нагрузку, когда становится темно. В качестве датчика освещенности, преобразующего интенсивность оптического излучения в напряжение, используется фотодиод, ток которого преобразуется в напряжение при помощи т.н. трансимпедансного усилителя (см. рис. 8, а).

а б

Рис. 8. Трансимпедансный усилитель: обычный (а), с повышенным коэффициентом преобразования (б)

Свое название данная схема получила из-за того, что она преобразует обратный ток фотодиода VD в выходное напряжение UВЫХ, а коэффициент преобразования схемы имеет размерность [В/А].

Принцип ее действия чрезвычайно прост. ОУ поддерживает на своих входах одинаковые напряжения, в случае рис. 8, а – равные нулю, так как неинвертирующий вход ОУ подключен к земле. Таким образом, фотодиод работает на нулевом смещении и для него реализуется фотовольтаический режим работы. В этом режиме с ростом потока оптического излучения, падающего на площадку фотодиода, обратный ток фотодиода IФ растет линейно. Данный ток вызывает падение напряжения на резисторе R1, а поскольку его левый вывод «виртуально заземлен» операционным усилителем, выходное напряжение UВЫХ в статическом режиме может быть легко вычислено по формуле:

UВЫХ = IФ R1.

Конденсатор C предназначен для снижения коэффициента преобразования схемы по переменной составляющей фототока на высоких частотах и, таким образом, снижения чувствительности схемы к быстрым вариациям потока оптического излучения и получения лучшей помехозащищенности схемы. Значения номинала резистора R1 зависят от характеристик фотодиода, интенсивности оптического излучения и обычно выбираются из диапазона в сотни кОм или даже единицы МОм. Входные токи смещения ОУ TL084 составляют сотни пА, так что выбор сопротивления в мегаомы не создает проблем.

Если фототоки чрезвычайно малы, а номинал R1 уже достигает порядков мегаом, то одним из простых способов повышения коэффициента преобразования является установка в схему делителя R2-R3 (см. рис. 8, б). Напряжение, вычисляемое по формуле (13), в данной схеме оказывается приложено к верхнему выводу резистора R3, вызывая протекание через этот резистор тока вида

IД = IФ R1 / R3.

Этот ток, то есть, ток делителя R2-R3, вытекает из выхода ОУ. Тогда выходное напряжение всей схемы с учетом закона Ома можно вычислить, как

ВЫХ = Ф ∙ 1 ∙ 2+ 3.

3

Очевидно, что приведенные рассуждения относительно коэффициента преобразования схемы, показанной на рис. 8, б, справедливы, когда IД >> IФ, а среднюю точку делителя R2-R3 можно считать идеальным источником напряжения для нагрузки в виде резистора R1, левый вывод которого виртуально заземлен. Для выполнения этого условия проще всего выбирать R2,3 так, чтобы сумма номиналов R2+R3 была равна нескольким килоомам, а номинал R1 составлял большие сотни кОм или несколько МОм.

В лабораторной работе выход схемы датчика освещенности подключается к инвертирующему входу компаратора с гистерезисом, а порог срабатывания компаратора задается при помощи переменного резистора.