Lm311P применение в схемах: LM311N(P) / LM311D — ОУ и Компараторы — МИКРОСХЕМЫ — Электронные компоненты (каталог)

Содержание

Компаратор. Описание и применение. Часть 1

В данной статье разберёмся как работает компаратор на операционном усилителе.

Операционные усилители – очень мощный инструмент современного радиолюбителя. Одной из самых простых схем его использования является подключение по схеме компаратора.

Название компаратор прижилось в отечественной литературе. Произошло оно от заимствования с английского слова compare = сравнить. Поэтому многие радиолюбители называют компаратор сравнивающим устройством.

Обычно для экономии стоимости данные схемы реализуют на операционных усилителях, но бывают и специализированные микросхемы компараторов. Они, как правило, имеют лучшее быстродействие и меньшее падение напряжения на самой микросхеме, но их невозможно использовать в качестве операционного усилителя. В данной статье речь пойдёт о использовании именно операционника (ОУ) в качестве компаратора. А вариант с использованием специализированных компараторов будет рассмотрен позже.

Наглядно эта схема показана на следующем рисунке:


Рис.1. Схема подключения операционного усилителя в качестве компаратора.

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Как правило, выход компаратора напряжения представляет собой выход с открытым коллектором.

Выход открытый коллектор имеет отрицательную полярность. Это означает, что на этом выходе не бывает положительного сигнала и нагрузка должна подключаться между этим выходом и источника питания.

В некоторых схемах к выходу компаратора подключают нагрузочный (подтягивающий) резистор для того, чтобы обеспечить сигнал высокого уровня поступающего на вход следующего элемента схемы.

Операционные усилители (ОУ), такие как LM324, LM358 и LM741 обычно не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжения из-за их биполярных выходов. Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компараторов напряжения, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор для того чтобы создать выход с открытым коллектором.

Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:

Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет ниже, чем напряжение на входе (-). И соответственно ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет выше, чем напряжение на входе (-).

Принцип работы

Для того, чтобы продемонстрировать, как работает быстродействующий компаратор с гистерезисом, нужно взять схему с двумя выходами.


Фото — схема работы компаратора

Схема включения, по которой можно понять принцип работы компаратора, показана выше. Используя аналоговый сигнал во + входе, именуемым «неинвертируемым», и выходе, который называется под названием «инвертируемый», устройство использует два аналогичных разнополярных сигнала. При этом если аналоговый вход больше, чем аналоговый выход, то выход будет «1», и это включит открытый коллектор транзистора Q8 на эквивалентной схеме LM339, которую нужно включить. Но, если вход находится на отрицательном уровне, то сигнал будет равняться «0», из-за чего, коллектор будет находиться в закрытом виде.

Практически всегда двухпороговый или фазовый компаратор (например, на транзисторах, без усилителя) воздействует на входы в логических цепях, соответственно, работает по уровню определенной сети питания. Это своеобразный элемент перехода между аналоговыми и цифровыми сигналами. Такой принцип действия позволяет не уточнять определенность или неопределенность выходов сигналов, т. к. компаратор всегда имеет некий захват петли гистерезиса (независимо от её уровня) или окончательный коэффициент усиления.

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Принципиальная схема «компаратор напряжения» эквивалентна работе операционного усилителя, например, LM358 или LM324, имеющим на выходе два транзистора типа NPN (см. выше). Таким образом, можно сделать все 4 выхода ОУ (LM339) с открытым коллектором. Каждый такой выход может выдерживать ток нагрузки 15 мА и напряжение до 50 вольт.

Выход включается или выключается в зависимости от относительных напряжений на плюсовом (+) и минусовом (-) входах компаратора. Входы компаратора крайне чувствительны и разница напряжения между ними всего лишь в несколько милливольт приводит к переключению его выхода.

Назначение

Зачем нужен компаратор и как его использовать без усилителя? В большинстве случаев, этот прибор применяется в несложных компьютерных схемах, где нужно сравнивать сигналы входящего напряжения. Это может быть зарядное устройство для ноутбука или телефона, весы (определитель массы), датчик сетевого напряжения AVR, таймер (компоратор типа lm 358, микроконтроллер и т. д. Также его применяют различные интегральные микросхемы для контроля входных импульсов, обеспечивая связь между источником сигнала и его центром назначения.


Фото — компараторы для компьютера

Наиболее популярным примером является компаратор триггер (регулятор) Шиммера. Он работает в режиме многоканальности, соответственно, может сравнивать большое количество сигналов. В частности, данный триггер применяется для того, чтобы восстановить цифровой сигнал, который искажает связь в зависимости от уровня напряжения и расстояния источника питания.

Это аналог стандартного компаратора, просто с более расширенным функционалом, который обеспечивает измерение нескольких входящих сигналов.


Фото — ОУ компаратор

Также есть компаратор шероховатости. Это устройство, которое помогает визуально определить состояние поверхности, которая уже подвергалась обработке. Применение этого приспособления обосновано необходимостью определять допуски обработанных ранее поверхностей.

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

Компараторы напряжения LM339, LM393 и LM311могут работать с одно- или двухполярным источником питания до 32 вольт максимум.

При работе с двухполярным питанием, режим сравнения напряжения остается таким же, за исключением того, что для большинства схем эмиттер выходного транзистора подключается к отрицательной шине питания, а не к общей цепи. Исключением из этого правила является операционный усилитель LM311, имеющий изолированный эмиттер, который можно подключить как к минусу однополярного источника питания, так или к общему проводу двухполярного.

При работе с двухполярным источником питания, входное напряжение может быть выше или ниже относительно общего провода блока питания. Кроме того, один из входов компаратора может быть подключен к общему проводу, таким образом создается детектор «пересечение нуля».

Как обозначается компаратор на схемах

На схемах компаратора и в электротехнических схемах графическое обозначение измерителя выполняется в форме треугольника, имеющего три выхода. Они обозначаются символами «+» и «-», соответствующих неинвертирующим/инвертирующим показателям, также представляется выходной маркирующий знак «Uout».


Обозначение на схемах

Когда (+) на входе микрочипа, степень сигнала станет больше, чем конкретно на инверсном ( — ), то на выводе будет образовываться устойчивое значение. Исходя из схемотехнической базы компаратора, это число имеет возможность принимать вариант логического «0» либо «1». В цифровых электронных устройствах за «12» принимается сигнал, степень напряжения которого имеет 5В, а за «0» установлено его отсутствие. Другими словами, положение выхода измерителя устанавливается как высокое либо низкое. Хотя обычно на практике за логический «0» принимают разность потенциалов до 2.7 В.

Описание работы компаратора

Следующий рисунок показывает простейшую конфигурацию для компаратора напряжения, а так же графическое изображение режима его работы. В этой схеме опорное напряжение составляет половину напряжения питания, а входное напряжение может меняться от нуля до напряжения питания. В теории опорное и входное напряжение могут иметь значение от нуля и до напряжения источника питания, но есть реальные ограничения, зависящие от конкретно используемого компаратора.

Сигнал на выходе:

  1. Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс (+) ниже, чем напряжение на входе минус (-).
  2. Ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс выше, чем напряжение на входе минус.

Компараторы. Устройство и работа. Виды и применение. Особенности

Компараторы — название произошло от принципа работы – сравнения. Так функционируют приборы, производящие измерения способом сравнивания с эталоном: весы с одинаковыми плечами, электрические потенциометры.

По своей принципиальной работе компараторы делятся на механические, электрические и оптические. Приборы с механической конструкцией применяются для проверки конечных мер длины. Компараторы для таких целей впервые применены во Франции в 1792 году, об этом имеется информация в энциклопедиях. Такой компаратор на механической основе работал для поверки эталонного метра во время появления метрической системы Франции. Точность таких замеров компаратора рычагами доходила до 0,0005 мм. Это большая точность для того периода времени.

Наша задача рассмотреть компараторы, применяющиеся в современное время в электротехнике для напряжения.

Принцип работы и виды интегральных компараторов

Компаратор с двумя входами и одним выходом. Причем один из входов является прямым, а другой инверсным. На эти входы поступает напряжение, которые устройство сравнивает. В зависимости от этого сравнения на своем выходе устройство устанавливает либо логический ноль, когда напряжение на инверсном входе выше, чем на прямом, либо логическую 1, когда напряжение входа прямого выше, чем на инверсном.

На схеме видно стандартное обозначение компаратора. Компаратор сам по себе достаточно универсален и находит широкое применение в радиолюбительской деятельности. На основе компаратора можно собрать таймер, мультивибратор и даже драйвер для светодиодов.

При выборе компаратора следует обратить внимание на следующие параметры:
  • Диапазон напряжения питания.
  • Диапазон входных напряжений.
  • Максимальный ток на выходе компаратора.
  • Тип выхода.

Не все компараторы могут установить плюс питания на выходе. Рассмотрим работу компаратора на простой схеме.

Данная схема построена на переменном резисторе 20 кОм, двух постоянных резисторов 10 кОм, которые образуют собой делитель напряжения на постоянных резисторах. Они подключены к инвертирующему входу. К нему же подключен делитель напряжения на переменном резисторе.

Выход компаратора представляет собой коллектор внутреннего транзистора, эмиттер которого подключен к земле. Этот транзистор либо подключает выход к земле, либо отключает его, поэтому плюса питания на выходе быть не может. Поэтому мы подтягиваем выход компаратора через резистор номиналом 1 кОм к плюсу питания.

Когда на неинвертирующем входе напряжение выше, чем на инвертирующем, транзистор закрывается. Добавленный нами резистор подтягивает к его к плюсу питания, вследствие чего светодиод загорается. Когда на неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем, то транзистор открывается и притягивает выход компаратора к земле, вследствие чего светодиод перестает светиться.

Если же на двух входах напряжение примерно одинаковое, то выход компаратора логично переключается из одного состояния в другое и обратно под воздействием внутренних и внешних помех. Для борьбы с помехами и четкого переключения компаратора из одного состояния в другое собираются схемы с гистерезисом.

Обозначения выводов выглядят следующим образом:

Первая ножка – это выход первого компаратора, вторая ножка – инвертирующий вход первого компаратора, третья – неинвертирующий вход первого компаратора, четвертая – земля, восьмая ножка – напряжение питания. Второй компаратор не используется. Выход подключен желтым проводом к подтягивающему резистору и к светодиоду, зеленый провод подключен к делителю напряжения на постоянных резисторах, белый провод подключен к средней ножке переменного резистора, который является делителем напряжения.

При измерении напряжения питания на делителе напряжения на постоянных резисторах 10 кОм. При включении схемы загорается красный светодиод. Включаем мультиметр для измерения постоянного напряжения диапазона до 20 В, подключим его ко второй ножке микросхемы. Показания напряжения 2,4 В. Это постоянные резисторы, делитель напряжения не будет изменять само напряжение. Так как переменный резистор установлен на неинвертирующем входе, то переключаемся на него. Показания 0,87 В. На неинвертирующем входе напряжение ниже, чем на инвертирующем. Следовательно светодиод не горит.

При превышении напряжения выше 2,4 В светодиод начинает светиться. При воздействии внешних помех происходит хаотичное переключение выхода компаратора. Здесь может пригодиться схема гистерезиса.

Компараторы применяются в интегральном исполнении в качестве составных деталей микросхем. Интегральные таймеры имеют в составе два входных компаратора. Этим определяется особенность работы прибора. Микроконтроллеры производят со встроенными компараторами. Независимо от конструкции и схемы принцип действия прибора не отличается.

Новые компараторы похожи на операционные усилители, у них высокий усиливающий коэффициент, не имеют обратной связи, входы такого же типа.

Работа компаратора напряжения

В различных описаниях работы устройства приводятся примеры сравнения с рычажными весами. На одну сторону весов ложится гиря – эталон, на другую товар. Когда вес товара станет равным массе гири, или больше, то гири поднимаются вверх, на этом взвешивание окончено.

С работой компаратора напряжения происходит похожий процесс. Вместо гирь выступает опорное напряжение, вместо товара – сигнал входа. При возникновении логической единицы на выходе устройства происходит сравнение напряжений. Это называют «пороговой чувствительностью» компаратора.

Для тестирования устройства не нужно сложной схемы. Необходимо включить вольтметр на выход устройства, а на входы подключить напряжение, которое регулируется. При изменении входного напряжения на вольтметре будет видна работа компаратора.

Характеристики компараторов

При применении приборов нужно учесть характеристики, делящиеся на динамические и статические. Статические – это параметры установившегося режима. Это пороговая чувствительность. Она является наименьшей разностью сигналов входа. При ней возникает логический сигнал на выходе.

Некоторые компараторы оснащены выводами для смещающего напряжения, осуществляющего смещение характеристики передачи от идеального положения. Важным параметром является гистерезис, то есть разница напряжений входа. Он обусловлен обратной связью положительного значения, предназначенного для устранения «дребезга» сигнала выхода при переключении компаратора.

Устройство

Схема прибора довольно сложная, большая и не слишком понятная. Рассмотрим простую функциональную схему по рисунку.

Показан дифференциальный каскад входа, схема уровневого смещения, логика выхода. Дифференциальный каскад производит основное усиление сигнала разности. Устройством смещения осуществляется оптимальное состояние выхода. Это дает возможность выбрать тип логики для работы. Такая настройка производится подстроченным резистором на выводах «балансировки».

Компаратор с памятью и стробированием

Современные инновационные компараторы оснащены стробирующим входом. Это значит, что сравнение сигналов входа осуществляется только при подаче импульса. Это дает возможность сравнить сигналы входа в необходимый момент.

Простая схема структуры устройства со стробированием.

Устройства по рисунку с парафазным выходом, подобно триггеру – прямой верхний выход, нижний (кружок) – инверсный. С – стробирующий вход. На рисунке а) стробирование сигналов входа осуществляется по высокому уровню входа С. На обозначении входа С изображают знак инверсии маленьким кружком.

Рисунке б) стробирующий вход с чертой /. Это значит, что стробирование проходит по восходящему импульсу. Стробирующий сигнал – разрешение сравнения. Итог сравнения появляется на выходе при действии импульса стробирования. На некоторых устройствах есть память (с триггером). Они сохраняют результат до следующего импульса.

Время импульса стробирования (фронта) должно хватать для того, чтобы сигнал входа успевал проходить через дифференциальный каскад до срабатывания ячейки памяти. Использование стробирования повышает защиту от помех, так как помеха изменяет состояние устройства за время импульса.

Классификация

Компараторы делятся на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. В практической деятельности чаще применяются устройства общего применения.

Такие устройства имеют особенности и свойства, привлекающие к себе внимание. Они потребляют небольшую мощность, могут работать при малом напряжении питания. В одном корпусе можно разместить 4 устройства. Эта группа иногда дает возможность производить полезные устройства.

Это простой преобразователь сигнала в унитарный цифровой код, который можно преобразовать в двоичный, цифровым преобразованием. На схеме имеется 4 компаратора. Напряжение опорное подается на инвертирующие входы по делителю резистивного типа. При одинаковых резисторах на инвертирующих входах устройства напряжение будет равно n * Uоп / 4, n – номер устройства. Напряжение входа подается на неинвертирующие входы, которые соединены вместе.

В итоге сравнения напряжения входа с опорным, на компараторных выходах образуется цифровой унитарный код напряжения входа.

Похожие темы:
  • Реле приоритета. Виды и особенности. Принцип действия
  • Реле напряжения. Принцип действия, виды, применения
  • Электронные весы. Виды и устройство. Работа и применение
  • Переключатель фаз. Виды и работа. Применение и как выбрать

Входное напряжение смещения компаратора

Компараторы не являются совершенными устройствами, и их работа может иметь недостаток от последствий такого параметра, как входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения для многих компараторов может составлять всего несколько милливольт и в большинстве схем может быть проигнорировано.

В основном проблема, связанная с входным напряжением смещения возникает, когда входное напряжение изменяется очень медленно. Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не полностью открывается или закрывается, когда входное напряжение находится недалеко от опорного напряжения.

Следующая диаграмма иллюстрирует эффект смещения входного напряжения возникающий в результате медленного изменения входного напряжения. Этот эффект возрастает при увеличении выходного тока транзистора. Поэтому, для уменьшения этого эффекта, необходимо обеспечить максимальное сопротивление резистора R4.

Последствия входного напряжения смещения можно уменьшить, добавив в схему гистерезис. Это приведет к тому, что опорное напряжение будет меняться, когда выход компаратора переходит на высокий или низкий уровень.

Программирование и компаратор

Компоратор используется не только как часть электрической схемы ШИМ и т. д., его часто используют для создания отдельных программ или их компонентов. Например, устройство часто используется для создания java-коллекций.

  1. Чтобы работать, Вам понадобится специальная программа Maven. Для начала Вам нужно создать проект, для полноценной работы необходимо подключение к интернету. Создаете новый проект, в структуре выберете два компонента: comparator и pojo. Наличие проверяется при помощи утилиты JUnit 4.11;
  2. Установите pom.xml и создайте новый файл. Прерывание процесса недопустимо, поэтому очень важно на каждом этапе сохранять. После осуществляется создание и настройка POJO, где указываются нужные настройки. Параметры зависят от требований к конкретной библиотеке. Это могут быть даты рождения, общая информация по проживанию и т. д.;
  3. И только после создается компаратор. Это класс, который используется для поверки данных и их распределения по нужным папкам. Использование данного класса необходимо, если нужно отсортировать определенную информацию по заданным параметрам (цвета, размеры, даты). Благодаря этому обеспечивается защита данных и их классификация по определенному принципу.

Купить готовый компаратор можно в любом магазине радиотехнических приборов и электротехники. Цена прибора варьируется в зависимости от его назначения и количества каналов.

Общая информация

Компаратор сравнивает два напряжения, откуда происходит название. При необходимости формируется либо условный сигнал в виде двоичного кода, либо знак разницы выдаётся иным способом:

  1. Крутой перепад напряжения (фронт или спад).
  2. Импульс с заданными характеристиками.
  3. Сменой полярности выходного напряжения.
  4. Двоичным кодом в системе логики данного набора микросхем.

Компаратор территориально входит в аналого-цифровой преобразователь, способен применяться и отдельно. От элемента напрямую зависит точность, как и от разрядности. К характеристикам компаратора относят:

  • Чувствительность.
  • Быстродействие.
  • Стоимость.
  • Долговечность.
  • Стабильность.
  • Нагрузочная способность.
  • Входное сопротивление и пр.

Большинство компараторов реализуется на базе операционных усилителей, данные в справочниках приводятся совместные. Это достигается за счёт введения обратной связи, что придумано в 30-е годы XX века.

Проектирование гистерезиса компаратора

уравнения (1) е (2) Они могут помочь решить, если сопротивление хочет создать напряжение порога гистерезиса VH и VL. Единственное значение (RX) Требуется быть выбраны произвольно.

В этой иллюстрации, RX был определен 47K, чтобы помочь уменьшить потребление тока. Резус Рассчитанное 270,25k, следовательно, была осуществлена ​​немедленно стандартное значение 270K.

Где применяется компаратор напряжения

Часто КН применяют в градиентном реле — схема, которая реагирует на скорость изменения сигнала, например, фотореле. Такое устройство может использоваться в тех ситуациях, когда освещение меняется довольно стремительно. Например, в охранных установках либо датчиках контроля выпущенных изделий на конвейерах, где прибор станет реагировать на прерывание светового потока.

Еще одна часто используемая схема — датчик измерения температуры и изменения «аналогового» сигнала в «электронный». Оба измерителя преобразовывают амплитуду входящего сигнала в ширину выходящего импульса. Такое превращение довольно часто применяется в разнообразных цифровых схемах. Преимущественно, в измерительных устройствах, блоках питания импульсного типа, электронных усилителях.

Триггер Шмитта

Как сказано выше для устранения ложных срабатываний компаратора, известных, как «дребезг контактов» необходимо использовать схему компаратора с петлёй гистерезиса, которая получила название триггера Шмитта.

В одной из статей я рассказывал о триггере Шмитта выполненном на транзисторах. Он характеризуется тем, что в отличие от компаратора имеет так называемую петлю гистерезиса. То есть компаратор переключается из высокого уровня напряжения в низкий при одной и той же величине входного напряжения, а триггер Шмитта имеет два уровня (порога) переключения

. Данное различие иллюстрирует изображение ниже


Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева).
Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП.

Для реализации триггера Шмитта применяют ОУ охваченные положительной обратной связью (ПОС), которая реализуется подачей на неинвертирующий вход части выходного напряжения. Схема триггера Шмитта изображена ниже


Триггер Шмитта на операционном усилителе.

Работа триггера Шмитта во многом похожа на работу компаратора, только в отличие от него в триггере опорное напряжение не постоянно, а зависит от разности выходного и опорного напряжений, то есть имеет различные значения.

Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном входное напряжение не превышает верхнего уровня срабатывания триггера UВП, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения UНАС+ (примерно на 1 – 2 В ниже положительного напряжения питания UПИТ+). Когда входное напряжение достигает верхнего порога переключения UВП выходное напряжение резко упадёт до уровня отрицательного напряжения насыщения UНАС-(примерно на 1 – 2 В выше отрицательного напряжения питания UПИТ-). Верхний уровень напряжения переключения триггера Шмитта определяется следующим выражением

Далее триггер остаётся в устойчивом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания UНП, а на выходе триггера установится положительное напряжение насыщения UНАС+. Нижний порог срабатывания триггера определяется следующим выражением

Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса UГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания UВП и нижнего порога срабатывания UНП

Триггеры Шмитта на ОУ являются основой для построения различных генераторов импульсов, поэтому важнейшими характеристиками ОУ работающих в импульсных схемах является быстродействие, которое зависит от задержек срабатывания и времени нарастания выходного напряжения.

Гистерезис с практическим примером

В эти дни я посвященные конструкции зарядного устройства, одна ниже упрощенная версия, используемая мной на макете, чтобы установить на фактическое поле значений, которые будут использоваться. Запрограммированный первоначально установлен таким образом, что выходной сигнал операционного усилителя становится высоким, когда pin3 напряжения выходит чуть выше значения стабилитрона pin2. Когда это происходит, PIN6 становится высокой и достигает следующий потенциал к напряжению питания. Это означает, что резистор обратной связи РЧ (в альт) Это практически параллельно с заданным сопротивлением в верхней половине потенциометра (показано в розовом цвете)

Это означает, что контактное напряжение 3 еще больше увеличивается. в настоящее время, когда напряжение батареи падает, шпилька 6 не отвечает, так как штифт 3 Он должен упасть стать гораздо ниже, чем штифт 2, Это означает, что уровень заряда батареи должен идти вниз относительно долго, чтобы штифт 3 упасть ниже штифта 2. Это заставило задержку между переключателем ОУ ВКЛ и ВЫКЛ в связи с резистором обратной связи называется гистерезис в операционном усилителе. После того, как PIN6 переключается на низком уровне этот раз РЧ расположена параллельно с нижней половиной потенциометра (зеленый) в результате чего порог pin3 еще ниже, и, таким образом, избегая, что несколько мВ изменения батареи может из снова переключить выходной.

На чертеже, зеленый светодиод на означает, что аккумулятор заряжен, а красный означает, что она заряжается. Этот операционный выходной усилитель может управлять теперь зарядкой батареи в автономном режиме без вмешательства схемы п дезактивации активации п.

Привет из A_X_C и AMILCARE

Примеры и использование устройств уточнения веса

Российским стандартом массы является платиновый цилиндр. Он был скопирован с французского образца 125 лет назад. За прошедшие годы, эталон потерял в виде окислов около 40 мкг от первоначального веса. Соответственно, его использование для нужд производств, с высокой точностью измерения массы сейчас затруднительно.

Был разработан новый стандарт массы. Ученые назначили таковым кремниевый шар с четным количеством атомов. Сейчас это наиболее точный вариант эталона килограмма. Его характеристики приняты международным сообществом для использования.

Созданный образец нуждается в многократном копировании. Так как современные направления в науке, особенно фармакология, биоинженерия, компьютерная электроника, нанотехнологические разработки требуют прецизионной точности измерений. Для таких областей науки и техники критичны сотые доли микрограмма. Эту задачу должен решить атомный компаратор массы – устройство способное определить разницу в несколько частиц.

Атомный компаратор использует для измерений опорный сигнал, полученный от высокоточного кварцевого генератора. Измеряемое напряжение берется с квантового дискриминатора, определяющего стабильность линии мельчайших частиц. Ее изменения вызываются расхождением в количестве атомов образца. Поэтому сейчас – это самый точный прибор измерения.

Существуют и менее точные компараторы массы. Их стоимость гораздо ниже атомных, но для них всех находится работа в промышленности, торговле, стандартизации.

Конструкция компаратора

КН нашли обширную область применения в радиоэлектронике разнообразной направленности. В магазинах радиотоваров можно увидеть огромное количество разнообразных микросхем. Но особенно часто применяемыми микросхемами у пользователей считаются:

  • LM No 339;
  • LM No 311;
  • MAX No 934;
  • К554СА3.

Они легкодоступны в торговой сети и имеют довольно бюджетную цену. Такие КН выделяются обширным спектром входных параметров. К выходу КН способна присоединяться разнообразная токовая нагрузка, как правило, не превосходящая 50.0 мА. Это могут быть микрореле, варистор, световой диод, оптрон либо абсолютно разные исполнительные модули, однако с предельными по току компонентами.

Фотореле контроля

Подобное реле выпускается методом навесного монтажа. Его применяют в охранных контролирующих системах либо для контролирования степени света. Входящее напряжение попадает на делитель R1 и фотодиод VD3. Их объединенная точка сочетания использует ограничивающие диоды VD1/ VD2, подключенные к входам DA1. В итоге входящая разность потенциалов КН будет отсутствовать, а следовательно, и восприимчивость измерителя станет максимальной.


Фотореле

Чтобы выходящий сигнал смог инвертироваться, потребуется обеспечить входную разницу в 1 мВ. По той причине, что к входу подсоединены С1 и сопротивление R1, размер U на нем станет увеличиваться с незначительной задержкой, равноправной периоду заряда С1.

Зарядный блок

Такой блок питания принимается функционировать непосредственно после сборки. Его базовые опции сводятся к установлению рабочего зарядного тока и порогов, по которым срабатывает КН. При подключении прибора зажигается световой диод, позиционирующий подачу напряжения. На протяжении процесса зарядки обязан непрерывно гореть алый световой диод, который погаснет после того, как аккумуляторная батарея будет полностью заряжена


Зарядный блок

Подводимое напряжение от питающего блока настраивается R2, а зарядный ток устанавливается с применением R4. Наладка выполняется с применением сопротивления на 160 Ом, подключающегося в параллель к контактам, которые держат батарейку. Транзистор VT1 размещается на радиаторе, взамен его можно применять КТ814Б. Подобную схему надо будет комплектовать на плате с размером не более 50×50 мм.

Кварцевый генератор

Этот генератор ортогональных импульсов выполняется с использованием российского компаратора K544C3, функционирующего на тактовой гармонике 32.768 Гц. Схема станет рабочей в спектре входящего напряжения 7-11В с частотой установленной кварцем ZQ1. Тем не менее, для эксплуатации такого девайса сверх 50.0 кГц потребуется понизить значение R5-R6.


Генератор

При замыкании другого вывода с 0-проводом КН становится подсоединённым по варианту с незакрытым коллектором, а R7 становится нагрузкой. Подстраивание частотности производится совместно, с применением C1. С применением R4 выполняется автозапуск генератора. Меняя значение R2, изменяется импульсная характеристика.

Дополнительная информация! Выбирая конденсаторы С1 или С2, генератор сможет применяться в виде бесконтактного жидкостного датчика. В роли детектора для этой цели потребуется применять микроконтроллер с ПО. Однако возможно использовать и ещё дополнительно компаратор, который станет фиксировать деформации напряжения.

Отсюда следует, что компаратор способен предназначать действия по уровням значений на собственных вводах. Когда они отличаются, то, исходя от дельты U, выход прибора меняет качественное положение. Именно такие их качества используют создатели, разрабатывая самые разные электроприборы с операционным усилителем.

Вопросы применения прецизионных компараторов

Всем доброго времени суток. В предыдущих статьях я рассказывал о применении операционных усилителей в линейных схемах, где ОУ охвачен отрицательной обратной связью, которая позволяет строить усилители, параметры которых будут в основном определяться элементами обвязки ОУ. Данная статья расскажет о применении ОУ без обратной связи или даже с положительной обратной связью (ПОС).

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Работа операционного усилителя без обратной связи

Как известно напряжение на выходе ОУ UВЫХ определяется произведением входного дифференциального напряжения UД (разность напряжений между входными выводами) на коэффициент усиления ОУ по напряжению КU

Операционные усилители имеют очень большой коэффициент усиления ОУ по напряжению КU = 105 … 106, а выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания (обычно несколько меньше). Поэтому, для того чтобы ОУ работал в качестве усилителя напряжения максимальное входное дифференциальное напряжение не должно превышать нескольких десятков мкВ (при UПИТ = 15 В, КU = 105, UД ≈ 150 мкВ). С учётом вышесказанного можно сделать вывод, что без применения отрицательной обратной связи, которая снижает усиление ОУ в схеме, применение ОУ бесполезно, так как при входных напряжениях в несколько милливольт ОУ войдёт в насыщение с выходным напряжением равным напряжению питания.

Но существуют схемы, в которых операционные усилители применяются без обратной отрицательной связи, а в некоторых случаях специально вводят положительную обратную связь

(ПОС) для увеличения коэффициента усиления схем. Одним из видов таких схем являются пороговые устройства, в состав которых входят различные компараторы, триггеры Шмитта, детекторы уровней напряжения.

Принцип работы компаратора

Простейшим пороговым устройством является компаратор. Он сравнивает напряжение, которое поступает на один из его входов, с опорным напряжением, которое присутствует на другом его входе. Простейший компаратор получается из операционного усилителя, в котором отсутствует отрицательная обратная связь. Рассмотрим принцип работы компаратора напряжений на основе ОУ, схема которого изображена ниже


Использование ОУ в качестве компаратора и графики входного и выходного напряжений.

В основе компаратора лежит ОУ на инвертирующий вход, которого поступает входное напряжение UBX, а неинвертирующий вход соединён с источником опорного напряжения UОП. Принцип работы компаратора изображённого на рисунке заключается в следующем: когда входное напряжение UBX больше опорного UОП, то выходное напряжение принимает значение отрицательного напряжения насыщения –UНАС и остаётся неизменным пока входное напряжение UBX не уменьшиться ниже опорного напряжения UОП, в этом случае на выходе будет напряжение положительного насыщения +UНАС.

На рисунке изображен компаратор с инвертирующим выходным сигналом

по отношению к входному сигналу. Для того, чтобы не происходило инверсии на выходе необходимо поменять подключение выводов ОУ, то есть входной сигнал должен поступать на неивертирующий вход, а опорное напряжение на инвертирующий вывод. Тогда при превышении опорного напряжения на выходе ОУ будет положительное напряжение насыщения, а при входном напряжении меньше, чем опорное напряжение на выходе будет присутствовать отрицательное напряжение насыщения ОУ.

Гистерезис в компараторах

Продолжаем серию статей, посвященных компараторам в измерительных приборах НПФ КонтрАвт. Ранее мы дали определение компараторам и привели основные функции компараторов.

В данной статье мы разберем для чего в компараторах вводят гистерезис.

В нашей первой статье мы упомянули, что в области порогов h и H в поведении компаратора может наблюдаться гистерезис и состояние выхода компаратора в этом случае зависит не только от соотношения измеренного сигнала и порогов, но и от предшествующей истории, т.е. от того, каким путем измеренный сигнал приближается к порогам.


Рисунок 1. Пример функции компаратора

Для чего же вводят гистерезис в компараторы?

Зачем нужен гистерезис в компараторах

Причина № 1

Как правило, измеренный сигнал имеет как регулярную составляющую (постоянную или плавно меняющуюся), так и случайную, вызванную действием внешних случайных электромагнитных помех.

В отсутствие гистерезиса (или при слишком малой величине его зоны), при подходе измеренного сигнала к пороговому значению случайная компонента вызывает многократное срабатывание компаратора, что нежелательно в системе (обгорание и износ контактов пускателя, хаотические срабатывания различных устройств и проч.).

Рисунок 2. Работа компаратора без гистерезиса

Однако, если выбрать зону гистерезиса (H-h) чуть больше, чем размах случайных изменений измеренного сигнала, то компаратор будет срабатывать только один раз, повторных возвратов в исходное состояние не будет. Таким образом, исключаются случайные срабатывания компаратора, его состояния фиксируются более четко.

Рисунок 3. Работа компаратора с оптимальной зоной гистерезиса

На практике с этим чаще всего сталкиваются в системах сигнализации и регулирования.

В задаче сигнализации отсутствие гистерезиса приводит к многократному срабатыванию сигнализации вблизи порога (см. рисунок 2). Если сигнализация управляет смежными устройствами и системами, то ложные и частые срабатывания будут крайне нежелательны. Кроме того, они вводят в заблуждение оператора. Наличие гистерезиса с оптимальной зоной обеспечивает однозначное срабатывание сигнализации (cм. рисунок 3).

В задачах позиционного регулирования гистерезис предотвращает частое и хаотическое переключение силового коммутационного элемента при переходе через уставку за счет шумоподобного изменения измеренного сигнала (рисунок 2). В случае больших мощностей это негативно сказывается как на электросети, так и на работе электромагнитных пускателей (обгорание контактов, износ, залипание контактов, неуправляемый нагрев, сокращение ресурса и т.п.) Наличие гистерезиса также делает переключение более четким (cм. рисунок 3).

Причина № 2

Существует и другая причина, по которой следует применять гистерезис в системах двухпозиционного регулирования.

Свойства системы могут быть таковы, что период срабатывания позиционного регулятора будет слишком малым. Это (так же как и влияние помех) приводит к частому срабатыванию коммутационных элементов с названными ранее последствиями.

В этих случаях специально увеличивают зону гистерезиса, чтобы увеличить период переключения. Однако, надо учитывать, что увеличение зоны гистерезиса ( > 0 + зона гистерезиса) неизбежно приводит к увеличению размаха колебаний, ухудшает точность регулирования. В таких ситуациях вопрос выбора величины зоны гистерезиса — это вопрос компромисса между точностью регулирования и повышением надежности и ресурса системы.


Рисунок 4. Пример увеличения периода переключения компаратора гистерезисом

Причина № 3

Существует ряд производственных задач, в которых введение гистерезиса в работу компаратора позволяет реализовать логику работы системы управления.

Например, в системах водоснабжениями (типа “Башня Рожновского”) точность вообще не играет ключевой роли, важно, что исполнительный механизм — насос — “не любит” частого включения/выключения.

При этом накопитель позволяет реализовать необходимое редкое включение/выключение насоса с помощью гистерезиса.


Рис 5. Пример использования гистерезиса в системах с накопителем

Выводы:

Таким образом, введение гистерезиса в компараторах необходимо в следующих случаях:

  1. Для устранения многократного срабатывания компаратора под действием быстрых случайных помех, как следствие устранения хаотических срабатываний различных устройств в системе, увеличение ресурса коммутационных и исполнительных устройств.
  2. Преднамеренное увеличение периода переключения компаратора в задачах позиционного регулирования. Обеспечивает увеличение ресурса и надежности системы, но ухудшается точность регулирования.
  3. Для реализация различных алгоритмов работы систем автоматики.

В следующих публикациях мы подробнее разберем прочие особенности работы компараторов. Следите за обновлениями материалов!

Основные схемы компаратора

Существует много разновидностей компараторов, но в из основе лежат две основные схемы: одновходовая и двухвходовая. Одновходовая схема позволяет сравнивать разнополярные напряжения по модулю

, то есть по абсолютной величине. Двухвходовый же компаратор
сравнивает два напряжения с учётом знака
. Расссмотрим обе схемы подробнее.
Схема одновходового компаратора.
На рисунке выше изображён одновоходовый компаратор, позволяющий сравнивать два разнополярных напряжения по абсолютному значению (по модулю). В его основе лежит инвертирующий сумматор, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому ослабления коэффициент усиления операционного усилителя не происходит. В результате чего на инвертирующем входе ОУ происходит суммирование входного напряжения UBX и опорного напряжения UОП приведённого к инвертирующему входу UПРИВ, а результат суммирования усиливается ОУ и выводится на его выход. Для того чтобы происходило сравнение необходимо фактически производить операцию вычитания, то есть напряжения на входах UBX и UПРИВ должны иметь разную полярность.

Приведённое напряжение UПРИВ можно вычислить по следующему выражению

Резистор R3 предназначен для компенсации входного тока смещения и должен быть равен величине параллельно соединённых резисторов R1 и R2

Основным недостатком данной схемы является необходимость использования стабилизированного отрицательного напряжения, что приводит к усложнению схемы. Поэтому одновходовый компаратор не получил широкого распространения.

Наибольшее распространение получила схема двухвходового компаратора, в котором отсутствует необходимость в отрицательном напряжении. Схема данного компаратора приведена ниже

Схема двухвходового компаратора.

В основе двухвходового компаратора лежит дифференциальный усилитель, в котором отсутствует отрицательная обратная связь, поэтому разность между входным напряжением UBX и UОП опорным напряжение усиливается ОУ, не имеющего снижения коэффициента усиления из-за отсутствуя ООС, и выделяется на выходе ОУ. В данной схеме входные резисторы R1 и R2 имеют одинаковое значение.

Компараторы применяются в широком спектре схем:

  1. Триггеры Шмитта и в схемах формирования сигнала, преобразующих сигнал произвольной формы в прямоугольный или импульсный сигнал.
  2. Детекторы уровня – схемы, в которых происходит индицирование момента достижения входным сигналом заданного уровня опорного напряжения.
  3. Генераторы импульсных сигналов, например, треугольной или прямоугольной формы.

При использовании компаратора в схемах, где входное напряжение медленно меняется и амплитуда сигнала очень близка к опорному напряжению, то шумы на входном выводе могут вызвать ложные срабатывания компаратора и на его выходе могут появиться дополнительные импульсы, что продемонстрировано на рисунке ниже

Появление ложных импульсов на выходе компаратора.

Для устранения таких ложных срабатываний компаратора, в его схему вводится некоторый гистерезис, путём добавления положительной обратной связи (ПОС) к операционному усилителю.

Компараторы National Semiconductor

28 ноября 2007

Очень часто нужно сравнить два сигнала по величине. В некоторых случаях необходимо зафиксировать момент, когда сигнал достигнет определенного значения. Для этих задач многие фирмы выпускают аналоговые компараторы. Без них не обходится ни один АЦП и ЦАП, ни один генератор пилообразных колебаний. В каждом цифровом вольтметре или другом измерительном приборе обязательно присутствует компаратор напряжения. Термин «компаратор» произошел от английского слова «compare» — сравнивать. Проще говоря, компаратор — это прибор для сравнения двух или нескольких напряжений с определенной точностью и выдачи результата с минимальной задержкой.

В качестве компаратора можно использовать дифференциальный (операционный) усилитель с очень большим коэффициентом усиления разностного сигнала. В зависимости от знака разности напряжений на входе дифференциального усилителя его выход оказывается в положительном или отрицательном насыщении. Раньше обычные ОУ использовали в качестве компараторов, но сейчас такой способ практически не используют, поскольку многие производители выпускают специализированные микросхемы для этой цели. Эти кристаллы имеют очень высокое быстродействие, но при повышении быстродействия компаратора приходится принимать меры для предотвращения глубокого насыщения транзисторов, работающих в ключевом режиме. Этого добиваются минимизацией паразитных емкостей и сопротивлений, ограничивающих скорость нарастания сигналов. К сожалению, уменьшение времени задержки связано с увеличением потребляемой мощности. Как правило, быстродействующие компараторы уступают прецизионным по точности сравнения.

Прецизионные компараторы отличаются от других классов компараторов повышенной точностью сравнения и стабильностью характеристик. Это достигается путем уменьшения входных токов смещения и существенного увеличения коэффициента усиления. Улучшение параметров точности обычно достигается ценой снижения быстродействия компараторов.

Выходные каскады компараторов в большинстве случаев оптимизированы для сопряжения с определенными логическими сериями (особенно это важно для микросхем с очень высоким быстродействием) или имеют открытый коллектор (открытый сток) для расширения возможностей разработчика. Компаратор также можно рассматривать в качестве аналогового коммутатора, который переключает уровни выходного напряжения, когда непрерывный входной сигнал становится выше или ниже заданного уровня.

Компания National Semiconductor выпускает широкую номенклатуру компараторов: скоростных (High-Speed) и c низким потреблением (Low-Power Comparators). Современные скоростные компараторы уже перешли наносекундный диапазон. Например, новые LMH7322 имеют задержку распространения* всего 700 пикосекунд. Необходимо отметить, что задержка распространения сильно зависит от величины перепада напряжения на входах компаратора, поэтому нужно всегда тщательно изучать графики, приводимые производителем в своей документации (datasheets). Это проиллюстрировано на рисунке 1 на примере широко распространенного компаратора LM319.

Рис. 1. Зависимость задержки распространения от Uвх в компараторе LM319

Из рисунка 1 хорошо видно, что задержка распространения сигнала зависит от величины перепада и от направления перехода входного напряжения. Время задержки значительно меньше при перепаде на входе от высокого уровня к низкому.

Основные параметры компараторов National Semiconductor приведены в таблице 1.

Таблица 1. Компараторы National Semiconductor

Наимено- ваниеКол- во кана- ловСвойстваIпотр. на ка- нал, мкАUпит., ВUсмещ.(макс), мВКонфиг. выходаCMVR*, BЗадерж ка сигна- ла, мксКорпус (а)
Скоростные компараторы (High-Speed Comparators)
LMH7322 (New)2700 пс задержка сигнала распрост- ранения30 мА2,7…128RSPECL **0,0007LLP-24
LMH7220 (New)12,5 нс, питание 2,7…12 В, LVDS выход8,2 мА2,7…129LVDS-0,2…100,0025SC70-6, SOT23-6
LMV721917 нс, питание 2,7…5В, rail-to-rail выход1,1 мА2,7…56Push- Pull-0,2…3,80,007SC70-5, SOT23-5
LMV7235(New)145 нс, ultra-low power, rail-to-rail выход652,7…56Откры- тый сток-0,2…5,20,045SC70-5, SOT23-5
LMV7239 (New)145 нс, ultra-low power, rail-to-rail выход652,7…56Push- Pull-0,2…5,20,045SC70-5, SOT23-5
LM1611скорост- ной диф ференци- альный компар.13 мА11…321Диф- ференц.20…230,014TO5-10
LM3611скорост- ной диф ференци- альный компар.13 мА11…321Диф- ференц.20…230,014MDIP-14, SOIC-14, TO5-10
LM1192скорост- ной сдвоен- ный компара- тор4 мА5…364Откры- тый колл.8…330,08CERDIP-14, CERPAK-10, LCC-20, TO5-10
LM2192скорост- ной сдвоен- ный компара- тор4 мА5…364Откры- тый колл.8…330,08CERDIP-14, CERPAK-10, LCC-20, TO5-10
LM3192скорост- ной сдвоен- ный компара- тор4 мА5…361,8Откры- тый колл.7…340,08MDIP-14, SOIC-14, TO5-10
Компараторы с низким потреблением (Low-power Comparators)
LPV7215 (New)1микро- мощный, rai-to-rail вход/ выход0,611,8…53Push- Pull0…5,06,6SOT-23, SC70-5
LMC72151потребле- ние < 1 мкА, rail-to-rail вход0,72…86Push- Pull-0,2…5,212SOIC-8, SOT23-5
LMC72251потребле- ние < 1 мкА, rail-to-rail вход0,72…86Откры- тый сток-0,3…5,312SOT23-5
LMC67622микро- мощный, rai-to-rail вход62,7…155; 15Push- Pull-0,3…5,34SOIC-8
LMC67722микро- мощный, rai-to-rail вход62,7…155; 15Откры- тый сток-0,3…5,34SOIC-8, MSOP-8, MDIP-8
LMC72111микро- мощный, rai-to-rail вход72,7…155; 15Push- Pull-0,3…5,34SOIC-8, SOT23-5
LMC72211микро- мощный, rai-to-rail вход72,7…155; 15Откры- тый сток-0,1…2,84SOIC-8, SOT23-5
LMV7271/ 721/2питание от 1,8 В, rail-to-rail вход101,8…54Push- Pull-0,1…2,80,88micro SMD-5, SOT23-5, SC70-5
LMV72751питание от 1,8 В, rail-to-rail вход101,8…54Откры- тый сток-0,1…2,80,88SC70-5, SOT23-5
LMV72911питание от 1,8 В, rail-to-rail вход101,8…54Push- Pull0…3,50,88SC70-5
LP3394микро- мощный, 4 в одном корпусе152…365Откры- тый колл.-0,1…4,28SOIC-14, MDIP-14
LMV3932микро- мощный, общего примене- ния432,7…57Откры- тый колл.-0,1…4,20,6SOIC-8, MSOP-8
LMV3394низко- вольтный, общего примене- ния502,7…57Откры- тый колл.-0,1…4,20,6SOIC-14, TSSOP-14
LMV3311низко- вольтный, общего примене- ния602,7…57Откры- тый колл.2…34,50,6SC70-5, SOT23-5
LM29032низкое напряже- ние смещения2002…367Откры- тый колл.2…34,50,4MDIP-8, micro SMD-8, SOIC-8
LM2932низкое напряже- ние смещения2002…362; 5Откры- тый колл.2…34,50,4TO5-8
LM3932низкое напряже- ние смещения2002…365Откры- тый колл.2…34,50,4MDIP-8, micro SMD-8, SOIC-8, TO5-8
LM1932низкое напряже- ние смещения2002…362; 5Откры- тый колл.2…34,50,4CERDIP-8, TO5-8
LM1394низкое напряже- ние смещения2002…362; 5Откры- тый колл.2…340,5CERDIP-14, CERPAK, CERPAK-14, LCC-20
LM2394низкое напряже- ние смещения2002…362; 5Откры- тый колл.2…340,5CERDIP-14
LM29014низкое напряже- ние смещения2002…367Откры- тый колл.2…340,5MDIP-14, SOIC-14
LM33024низкое напряже- ние смещения2002…2820Откры- тый колл.2…260,5MDIP-14
LM3394низкое напряже- ние смещения2002…362; 5Откры- тый колл.2…340,5CERDIP-14, MDIP-14, SOIC-14
LMV7611прецизи- онный, низко- вольтный2252,7…51Push- Pull-0,3…3,80,12SOIC-8, SOT23-6
LMV7622прецизи- онный, низко- вольтный2752,7…51Push- Pull-0,3…3,80,12SOIC-8, MSOP-8
LM3971компара- тор общего примене- ния2505…307Откры- тый колл.5…28,50,25SOT23-5
LM3921низкое потреб- ление5003…325Push- Pull3…301,5MDIP-8, SOIC-8
LM65111время установ- ления 180 нс2,7 мА2,7…365Откры- тый колл.3,2…34,750,18SOIC-8
LM1111компара- тор общего примене- ния5,1 мА5…363Откры- тый колл.0,5…340,2CERDIP-8/14, CERPAK, CERPAK-10, LCC-20
LM2111компара- тор общего примене- ния5,1 мА5…363Откры- тый колл.0,5…340,2TO5-8
LM3111компара- тор общего примене- ния5,1 мА5…367,5Откры- тый колл.0,5…350,2MDIP-8

*CMVR — Common-Mode Voltage Range (диапазон допустимого синфазного напряжения на входах) **RSPECL — положительная эмиттерно-связанная логика с малым размахом сигнала

Скоростные компараторы National Semiconductor

Среди последних новинок особого внимания достоин скоростной сдвоенный компаратор LMH7322. Он имеет самое низкое потребление энергии (типовое значение 21 мА). Задержка распространения сигнала составляет менее одной наносекунды (700 пс) при работе на логические микросхемы RSPECL (положительная эмиттерно-связанная логика с малой амплитудой сигнала). Этот компаратор является усовершенствованием компаратора LMH7220 с низковольтным дифференциальным выходом LVDS. В конце 2007 года компания National Semiconductor планирует начать поставку образцов счетверенного компаратора с параметрами, близкими к LMH7322. Раздельное питание входных и выходных цепей LMH7322 позволяет легко согласовать входные и выходные сигналы разных частей устройства, не используя специализированные микросхемы для сдвига уровней. Кроме того, LMH7322 допускает отрицательное напряжение на входе до -6 В при однополярном напряжении питания до 12 В.

Время нарастания и спада сигнала LMH7322 составляет 160 пс.

Рис. 2. Допустимые диапазоны входных напряжений LMH7322 и компараторов этого класса от других производителей

На рисунке 2 показаны допустимые входные диапазоны напряжений для LMH7322 и компараторов этого класса от других производителей.

Рис. 3. LMH7322. Схема преобразования аналогового сигнала в сигнал с уровнями LVDS и стандартное включение этого компаратора

На рисунке 3 приведены рекомендуемые производителем схемы включения скоростного компаратора LMH7322 для преобразования аналогового сигнала в сигнал с уровнями LVDS и стандартное включение этой микросхемы.

К длительности задержки распространения компаратора LMH7322 необходимо относиться очень внимательно, так как этот параметр зависит от окружающей температуры и напряжения питания, и в худших случаях может доходить до 1050 пс. Эти факторы разработчик должен обязательно учитывать, если проектируемая аппаратура предназначена для работы в широком диапазоне температур и напряжений питания. Упомянутые зависимости приведены на рисунке 4. Интересно отметить, что при низкой рабочей температуре задержка распространения минимальна и приближается к значению 650 пс.

Рис. 4. Зависимости длительности задержки компаратора LMH7322 от напряжения питания и температуры

Типовое применение и основные параметры компаратора LMH7220 (предшественника LMH7322) приведены на рисунке 5. Выход LVDS этого компаратора обеспечивает уровень сигнала 325 мВ для передачи по симметричной линии с волновым сопротивлением 100 Ом. Этим обеспечивается малая чувствительность к шумам и электромагнитным помехам. Выходной сигнал с уровнями LVDS минимизирует потребление энергии по сравнению с выходом эмиттерно-связанной логики (ECL). Благодаря характеристикам выходного каскада потребление энергии остается очень малым даже при увеличении скорости передачи данных.

Рис. 5. Типовое применение скоростного компаратора LMH7320 с выходом LVDS и низким потреблением

В этой статье уже отмечалось, что с ростом быстродействия увеличивается и потребляемая мощность. Однако, в линейке скоростных компараторов National Semiconductor есть LMV7235 и LMV7239 с током потребления всего 65 мкА (ultra-low power, по определению производителя) при задержке распространения сигнала 45 нс (см. таблицу 1). Эти компараторы отличаются только типом выходного каскада. LMV7235 имеет выход с открытым стоком, а у LMV7239 выход построен по схеме Push-Pull. Чтобы не быть голословным, проиллюстрируем зависимость тока потребления LMV7235 и LMV7239 рисунком 6, взятым из документации производителя. В худшем случае при напряжении 1,5 В ток потребления не превышает 30 мкА.

Рис. 6. Зависимость тока потребления от напряжения питания и температуры для быстродействующих компараторов LMV7235 и LMV7239 с низким потреблением и задержкой распространения 45 нс

National Semiconductor рекомендует использовать компараторы LMV7239 для схем кварцевых генераторов и приемников импульсов инфракрасного излучения, основываясь на их высоком быстродействии и низком потреблении. Примеры реализации этих схем приведены на рисунке 7.

Рис. 7. Кварцевый генератор и приемник импульсов инфракрасного излучения, выполненные на основе LMV7239

В документации производителя есть еще несколько интересных решений на описанных выше микросхемах. Заинтересованный читатель без труда найдет их на сайте National Semiconductor: www.national.com.

Компараторы National Semiconductor с низким потреблением

Широкое распространение техники с автономным питанием стимулирует производителей к выпуску электронных компонентов с низким потреблением энергии. В перечне выпускаемых микросхем компании National Semiconductor есть компараторы с минимальным напряжением питания (всего 1,8 В). Они имеют Rail-to-Rail вход и выход, а потребляемый ток находится в пределах 600 — 800 нА во всем диапазоне напряжений питания. Речь, конечно, идет о новых компараторах LPV7215. Производитель указывает задержку распространения для этой микросхемы 6,6 мкс. Но ранее в статье уже было отмечено, что, измеряя этот параметр, необходимо учитывать величину перепада напряжения на входах, температурный режим и напряжение питания. Для полной точности нужно еще учитывать и направление перепада напряжения на входе компаратора (с высокого уровня на низкий и наоборот). В своей документации National Semiconductor приводит все эти зависимости. Некоторые из них для компараторов LPV7215 показаны на рисунке 8.

Рис. 8. Зависимости тока потребления от напряжения питания и температуры, задержки переключения от перепада напряжения на входе для микромощного компаратора LPV7215

Популярные компараторы LM311 (LM211, LM111), которые выпускаются уже в течение многих лет, производитель относит к компараторам с низким потреблением, хотя при изучении таблицы 1 это представляется спорным. Но, учитывая огромную популярность этих микросхем, National Semiconductor до сих пор продолжает их выпускать. Больший интерес для разработчика могут представлять сдвоенные компараторы LM393 (LM293, LM193). Они имеют расширенный диапазон напряжений питания от 2 до 36 В, низкое напряжение смещения, низкий ток потребления при более высокой точности по сравнению с LM311. Но задержка распространения у LM393 больше и составляет около 0,4 мкс.

Отдельного внимания заслуживает прецизионные низковольтные компараторы LMV761 (одиночный) и LMV762 (сдвоенный) с диапазоном напряжений питания от 2,7 до 5 В. Они характеризуются высокой точностью при относительно высоком быстродействии. Основные параметры этих микросхем приведены на рисунке 9.

Рис. 9. Основные параметры и зависимости напряжения смещения LMV761 и LMV762 от напряжения смещения и температуры

Вся информация для статьи взята с сайта производителя: https://www.national.com/.

По вопросам получения технической информации, заказа образцов и поставки обращайтесь в компанию КОМПЭЛ. e-mail: [email protected]

Универсальный контроллер питания для мобильных приложений

LP3910 от National Semiconductor — это гибкое решение для создания универсального модуля питания (PMU — Power Management Unit), которое содержит в себе интегрированный повышающе- понижающий преобразователь и несколько различных регуляторов напряжения. Помимо этого, LP3910 имеет два отдельных входа для питания устройства и зарядки батарей от шины USB или сетевого адаптера.

Интегрированный контроллер заряда поддерживает автоматическое переключение источников энергии. Наличие интерфейса I2C позволяет разработчикам изменять электрические характеристики и режимы системы питания, такие как значения выходных напряжений и варианты переключения источников питания под конкретное приложение.

В портативных устройствах, где используется питание 3,3 В, повышающе- понижающий преобразователь позволит продлить время работы от батарей. Li-Ion аккумулятор, как самый популярный выбор для питания мобильных приложений, как правило, имеет диапазон рабочих напряжений от 2,9 до 4,2 В. Когда аккумулятор заряжен, конвертер понижает напряжение до необходимого значения. Когда аккумулятор разряжен до значения менее 3,3 В, преобразователь повышает напряжение. Технически это позволяет увеличить время работы устройства от батареи на 10%, по сравнению с обычным понижающим преобразователем.

Программируемый контроллер питания LP3910, доступный в 48-выводном корпусе LLP размером 6х6 мм, содержит 4-канальный 8-битный АЦП для контроля аккумулятора и двух внешних источников питания. Для приложений, не использующих Flash-память или жесткий диск, National Semiconductor выпустила модификацию LP3913 с такими же функциями, что и у LP3910, но без повышающе- понижающего преобразователя, который заменен только на понижающий, с максимальным рабочим током до 500 мА.

•••

Наши информационные каналы

Триггер Шмитта

Как сказано выше для устранения ложных срабатываний компаратора, известных, как «дребезг контактов» необходимо использовать схему компаратора с петлёй гистерезиса, которая получила название триггера Шмитта.

В одной из статей я рассказывал о триггере Шмитта выполненном на транзисторах. Он характеризуется тем, что в отличие от компаратора имеет так называемую петлю гистерезиса. То есть компаратор переключается из высокого уровня напряжения в низкий при одной и той же величине входного напряжения, а триггер Шмитта имеет два уровня (порога) переключения

. Данное различие иллюстрирует изображение ниже


Изменение входного и выходного напряжения компаратора (справа) и триггера Шмитта (слева).
Уровни напряжения, при которых происходит переключение триггера Шмитта называются верхним уровнем (порогом) срабатывания триггера UВП и нижним уровнем (порогом) срабатывания триггера UНП.

Для реализации триггера Шмитта применяют ОУ охваченные положительной обратной связью (ПОС), которая реализуется подачей на неинвертирующий вход части выходного напряжения. Схема триггера Шмитта изображена ниже


Триггер Шмитта на операционном усилителе.

Работа триггера Шмитта во многом похожа на работу компаратора, только в отличие от него в триггере опорное напряжение не постоянно, а зависит от разности выходного и опорного напряжений, то есть имеет различные значения.

Рассмотрим инвертирующий триггер Шмитта. В исходном входное напряжение не превышает верхнего уровня срабатывания триггера UВП, поэтому на выходе присутствует положительное напряжение насыщения UНАС+ (примерно на 1 – 2 В ниже положительного напряжения питания UПИТ+). Когда входное напряжение достигает верхнего порога переключения UВП выходное напряжение резко упадёт до уровня отрицательного напряжения насыщения UНАС-(примерно на 1 – 2 В выше отрицательного напряжения питания UПИТ-). Верхний уровень напряжения переключения триггера Шмитта определяется следующим выражением

Далее триггер остаётся в устойчивом состоянии до тех пор, пока входное напряжение не станет меньше нижнего порога срабатывания UНП, а на выходе триггера установится положительное напряжение насыщения UНАС+. Нижний порог срабатывания триггера определяется следующим выражением

Таким образом, петля гистерезиса будет зависеть от соотношения резисторов R2 и R3, а ширина петли гистерезиса UГИС определяется разностью верхнего порога срабатывания UВП и нижнего порога срабатывания UНП

Триггеры Шмитта на ОУ являются основой для построения различных генераторов импульсов, поэтому важнейшими характеристиками ОУ работающих в импульсных схемах является быстродействие, которое зависит от задержек срабатывания и времени нарастания выходного напряжения.

Компараторы напряжения

В этой статье мы сравним разность двух напряжений. Вроде бы ничего сложного, но мы постараемся это сделать так, чтобы  получить результат нашего сравнения  в течение микросекунды!

Для этого потребуется новая интегральная схема — компаратор напряжения. Мы также обсудим понятие дифференциального напряжения.

Как сравнить напряжение вручную?

Чтобы понять, зачем нужно сравнение двух разных напряжений, представьте следующую ситуацию: у вас есть две батареи AA с номинальным напряжением 1,5 В. Вы знаете, что одна из них разряжена, но не знаете, какая именно. В ваше устройство, например будильник, нужно поставить менее разряженную, то есть батапейку с более высоким напряжением.

Как сравнить напряжение двух батареек АА

Какая будет ваша первая мысль? Да, правильно, измерить напряжение каждой батареи с помощью мультиметра, и просто сравнить два числа друг с другом. Предположим, что результаты наших измерений следующие: 1,113 В и 1,521 В. Выбор батарейки в будильник очевиден.

Самый простой способ сравнить две батареи — измерить их напряжение мультиметром

Если у вас есть батарейки типа AA, то можете сами проверить их напряжение. Если батареи новые, то их напряжения должны быть одинаковыми (могут быть некоторые различия). Для сравнения вы можете использовать одну старую батареюку, взятую, например, из пульта дистанционного управления.

Однако, у такого метода измерения есть небольшой недостаток — для сравнения напряжения батареи нужно «целых» два измерения. Но эту операцию можно упростить до одного измерения! Достаточно совместить минусы обоих аккумуляторов, и затем прижать щупы мультиметра к их плюсам. Такое измерение покажет нам разницу с предыдущими результатами — мультиметр покажет так называемое дифференциальное напряжение.

Напряжение — это разность потенциалов между двумя точками, поэтому такое подключение, также является правильным — подключение черного щупа к плюсу батареи безопасно.
Схема измерения напряженияДифференциальное напряжение двух батареек АА

Что такое дифференциальное напряжение?

Дифференциальное напряжение — важная концепция в электронике, и идея, лежащая в основе этого проста — если у вас есть два источника напряжения с общей точкой отсчета, вы также можете определить напряжение между их неподключенными клеммами.

Нам нужно было узнать, какая батарея имеет больший заряд. Независимо от того, покажет ли мультиметр -1 В или -0,1 В, результат будет одинаковым. Это будет означать, что батарея справа имеет более высокий заряд (напряжение). Если бы результат был положительным при тех же подключениях, мы бы выбрали левую батарею.

Что такое компаратор напряжения?

Компаратор напряжения — это небольшая интегральная схема, которая позволяет сравнивать два напряжения друг с другом. Компаратор имеет два входа: инвертирующий (-) и неинвертирующий (+), а также выход. Кроме того, такая схема явно требует мощности.

На схемах часто не указывается информация о линиях электропитания, потому что опытному электронщику «очевидно», что каждая схема должна быть запитана.
Символ компаратора на схемах

Компаратор проверяет разницу напряжений между входами, и на основании этого устанавливает свой выход:

  • Если напряжение на неинвертирующем входе выше, чем на инвертирующем, то напряжение на выходе близко к положительному полюсу питания (например, 5 в).
  • Если напряжение на неинвертирующем входе ниже, чем на инвертирующем, то напряжение на выходе близко к отрицательному полюсу питания (например, к земле, 0 в).

На картинке ниже мы видим схему компаратора с питанием от 6 В. Кроме того, два его входа подключены к отдельным источникам напряжения, которые мы и хотим сравнить друг с другом. К выходу компаратора (и к земле) подключается мультиметр.

Слева большее напряжение на инвертирующем входе, а справа — на неинвертирующем входе

Сразу стоит запомнить, что при сравнении двух напряжений компаратор выдает информацию в виде нуля или единицы. Это означает, что на его выходе напряжение близко к положительной шине питания (здесь 6 В) или к отрицательной (здесь 0 В). Промежуточных состояний нет!

Таким образом, компараторы являются чрезвычайно важным «мостом» между аналоговыми и цифровыми схемами.

Компараторы напряжения также полезны там, где вам просто нужно сравнить два напряжения. В следующей статье мы обсудим так называемые аналоговые датчики, которые могут измерять, например, текущую температуру или яркость солнечного света. Объединив их с компараторами, мы построим термостат (систему, которая реагирует на превышение заданной температуры) и лампу, которая включается после наступления темноты. Однако, прежде чем мы перейдем к таким схемам, нам необходимо познакомиться с самим компаратором на практике.

LM311 — пример популярного компаратора

Мы проведем эксперименты с использованием микросхемы LM311, которая имеет один компаратор в небольшом восьмиконтактном корпусе. Эта схема выпускалась в различных вариантах уже несколько десятков лет, что можно назвать огромным успехом ее конструкторов.

Схема LM311 — аналоговый компаратор

Его основные параметры (при 25 ° C):

  • напряжение питания: 3,5–30 В,
  • максимальный ток, потребляемый входами: 100 нА,
  • максимальное смещение напряжения: 3 мВ,
  • максимальное смещение тока: 10 нА,
  • максимальный выходной ток: 50 мА.

Если вы еще не знаете, что означают эти параметры, не волнуйтесь — мы вернемся к этому позже. Достаточно, если теперь вы сделаете два вывода: микросхему LM311 можно безопасно запитать от наших 6В, а его входы также потребляют очень и очень небольшой ток.

Нумерация выводов

Сразу стоит запомнить:

1) Каждый вывод такой схемы имеет свой номер.

2) Выводы всех интегральных схем, выпускаемых в этих корпусах, пронумерованы одинаково — начните с первого вывода и опуститесь вниз, затем перейдите к другой стороне схемы и поднимитесь.

3) Нам нужно знать, как найти первый вывод (ножку) — здесь все очень просто. Мы всегда смотрим на такую ​​систему сверху (ножки направлены вниз). Затем на одной стороне корпуса находим бороздку или холмик. Вывод слева от этой отметки является номером 1.

Универсальный способ нумерации выводов интегральной схемы

Идентично биполярным транзисторам, в одном корпусе может быть несколько электронных компонентов. Поэтому всегда нужно проверять маркировку: в данном случае, имя элемента будет просто напечатано на корпусе. Конечно, на корпусе могут быть какие-то дополнительные знаки, но должен совпадать главный — „311”.

Функции выводов LM311

Пора узнать о функциях выводов. Обычно, в такой ситуации, смотрим на информацию в каталоге — вводим «LM311 datasheet» в поисковике Google и читаем найденный PDF-файл, подготовленный производителем. Однако на этот раз, для вашего удобства, мы собрали здесь самую важную информацию.

Символическое изображение внутренней части схемы LM311

Как показано на рисунке выше, функции отдельных выходов следующие:

  1. эмиттер выходного транзистора (обычно крепится к земле схемы),
  2. неинвертирующий вход (+),
  3. инвертирующий вход (-),
  4. отрицательный полюс источника питания (заземление схемы),
  5. баланс,
  6. баланс / блокировка,
  7. коллектор выходного транзистора,
  8. положительный полюс источника питания.

Правильное соединение выводов 5 и 6 позволяет вручную регулировать смещение напряжения и уменьшите его почти до нуля. Это сложная тема, но сейчас вам не о чем беспокоиться. Кроме того, ножка 6 позволяет выключить схему, но сейчас эта функция нам не понадобится.

Символ компаратора и транзистора «внутри схемы» на рисунке, служит лишь для удобства, чтобы помочь вам быстро понять, что это за схема, и как она работает. На самом деле, внутренняя часть этой схемы намного сложнее.

Выход LM311 относится к типу OC (открытый коллектор), что означает, что в цепи присутствует транзистор, который, в зависимости от результата работы схемы, либо забивается, либо насыщается. Коллектор этого транзистора подключен к выводу 7 и, следовательно, является выходом нашего компаратора. Вы можете найти больше информации об этом в конце этой статьи. А теперь, пора приступить к практике!

Компаратор LM311 на практике

Пора запустить компаратор и проверить его работу на практике. Мы построим схему, которая позволит нам точно наблюдать, что происходит при изменении разницы напряжений между двумя входами компаратора. Для выполнения упражнения вам потребуются следующие элементы:

  • 1 × LM311,
  • Резистор 4 × 10 кОм ,
  • Резистор 1 × 330 Ом ,
  • Потенциометр 1 × 5 кОм,
  • Конденсатор 1 × 100 нФ,
  • 1 × 220 мкФ конденсатор,
  • 1 × светодиод (выберите свой любимый цвет),
  • Батарея 4 × AA,
  • 1 × корзина для 4 батареек АА,
  • 1 × макетная плата,
  • Комплект соединительных проводов.

Эти элементы следует подключать согласно схеме ниже. Если вам все понятно, можно попробовать собрать эту схему на плате самостоятельно. Только помните о правильной полярности светодиода и электролитического конденсатора. Также обратите внимание на нумерацию выводов (ножек) LM311. Если вы не хотите рисковать или не знаете, как собрать такую ​​схему на плате, следуйте приведенным ниже инструкциям, которые пошагово описывают весь процесс сборки.

Обратите внимание на углубление в корпусе компаратора — сравните элемент с рисунком выше, чтобы найти правильные выводы схемы.
Схема первой цепи с компаратором LM311

Шаг 1. Начинаем с размещения компаратора в центре макетной платы — углубление в середине платы должно проходить под схемой. Если сомневаетесь, вспомните, как устроена макетная плата — другое расположение схемы может привести к короткому замыканию контактов.

Примеры неправильного и правильного размещения интегральных схем на макетной плате
При размещении схемы на плате, обратите внимание на положение выемки в корпусе (или точки), которая позволяет найти первый вывод схемы.

Шаг 2. Добавьте два фильтрующих конденсатора блока питания (C1 и C2 на схеме).

Шаг 1: размещение на макетной платеШаг 2: конденсаторы силового фильтра

Шаг 3: берем два резистора по 10 кОм (в схеме R3 и R4), создаем один делитель напряжения, центр которого совмещаем с инвертирующим входом компаратора (вывод 3).

Шаг 4. Подключите питание к восьмой ножке (выводу) компаратора. Дополнительно подключите светодиод с резистором к плате (на схеме LED1 и R5).

Шаг 3: делитель напряженияШаг 4: питание микросхемы, светодиод и резистор

Шаг 5. Используя следующие резисторы 10 кОм (R1 и R2 на схеме) и потенциометр 5 кОм (P1), создаем делитель напряжения, который подключаем к неинвертирующему входу компаратора LM311.

Шаг 6. Добавьте недостающие соединения, то есть соедините контакты 1 и 4 с землей схемы. Вы также должны подключить крайние положительные провода, расположенные на макетной плате, для передачи напряжения с одной стороны платы на другую.

Шаг 5: второй делитель напряженияШаг 6: последние штрихи

На практике, схема может выглядеть как на фото ниже. Сматывание проводов нужно только для того, чтобы сделать сборку более понятной. На практике, вся схема может выглядеть более хаотичной — это совершенно нормальный вид для сборки на макетной плате.

Подключение с помощью смотанных проводовПодключение без сматывания проводов

Как работает вышеуказанная схема?

На макетной плате есть делитель напряжения (R3 и R4), благодаря которому, на инвертирующем входе LM311 напряжение составляет около 3 В. Аналогичный делитель подключен к инвертирующему входу, но есть потенциометр, который влияет на сопротивление всего делителя, что позволяет вручную настроить подключение на небольшой диапазон (в диапазоне от ~ 2,4 В до ~ 3,6 В). Благодаря этому мы можем наблюдать, как LM311 ведет себя при разных напряжениях на неинвертирующем входе.

Включаем питание и наблюдаем за диодом, медленно поворачивая потенциометр. При низком состоянии светодиод должен гореть, а при высоком — нет.

Низкое состояние на выходе — светодиод горитВысокое состояние на выходе — светодиод не горит

В случае, когда потенциометр повернут в крайнее положение, на неинвертирующем входе будет около 2,4 В, что меньше 3 В на инвертирующем входе. Компаратор сравнивает напряжение на обоих входах. Итак, вспомним фрагмент из предыдущего описания:

  • Если напряжение на неинвертирующем входе ниже, чем на инвертирующем, то напряжение на выходе близко к отрицательному полюсу питания (например, к земле, 0 в).

Таким образом, в этой ситуации на выходе компаратора отображается потенциал, близкий к 0 В. Для упрощения — масса, то есть «минус от батареи». Следовательно, диод, подключенный к выходу компаратора, включен, потому что он подключен анодом (через резистор) к положительной шине питания, поэтому, когда на катоде с выхода компаратора появляется «минус», ток будет протекать и диод будет гореть.

После поворота потенциометра в другую сторону неинвертирующий вход будет иметь более высокое напряжение, поэтому на выходе компаратора мы получим напряжения, близкие к положительной шине питания. Проще говоря, будет «аккумулятор плюс». В этой ситуации светодиод будет подключен к плюсу «с двух сторон» (анод через резистор батареи и катод компаратора) и, следовательно, не будет гореть.

Неожиданные сбои

Однако есть положение (около половины оборота потенциометра), в котором светодиод горит мягко или быстро мигает. При таком положении, схема может быть чувствительной даже к приближению руки.

Откуда берутся помехи?

Компаратор на самом деле называется дифференциальным усилителем напряжения. Коэффициент усиления LM311 достигает 200 В / мВ, что означает, что 1 мВ дифференциального напряжения на входах усиливается до 200 В на выходе. Но успокойтесь: такого высокого напряжения на выходе этой схемы нет — это просто пропорциональные расчеты.

В этом случае, схема питается от 6 В, поэтому для полного переключения этой схемы достаточно (теоретически) 30 мкВ дифференциального напряжения.

Что, если нам удастся установить, например, около десятка микровольт дифференциального напряжения? Это очень сложно, но возможно — медленно поворачивая потенциометр, однажды мы найдем такую ​​настройку. Затем схема делает то, что может, т.е. усиливает, но не может полностью переключить диод. Дифференциальное напряжение слишком мало, чтобы решить, положительное оно или отрицательное. Тогда мы можем сказать, что мы находимся в переходной зоне компаратора.

Обратная связь компаратора

Нам не нужны схемы, которые ведут себя хаотично. В предыдущую схему необходимо внести некоторые изменения, чтобы в схеме никогда не возникало проблем с определением знака дифференциального напряжения.

На этот раз достаточно буквально одного резистора, но это будет элемент с очень высоким сопротивлением, мы говорим о резисторе 1 МОм! Он должен быть подключен между неинвертирующим входом и выходом компаратора (на схеме R6).

Принципиальная схема с добавленным резистором (обратная связь)

На практике такое подключение можно реализовать даже без дополнительных проводов. Вам просто нужно аккуратно подключить резистор над микросхемой.

Схема с подключенной обратной связьюСхема обратной связи на практике

Включаем питание и снова поворачиваем ползунок потенциометра. Что изменилось? Наш резистор R6 перенаправляет часть тока (очень небольшую) с выхода на неинвертирующий вход.

Обратная связь заключается в том, что схема (в данном случае компаратор напряжения) перенаправляет некоторую информацию со своего выхода на вход. В данном случае, эта информация представляет собой ток, протекающий через резистор 1 МОм. Обратная связь бывает двух типов:

  • отрицательная — возвращаемая информация стабилизирует схему, уменьшает ее искажения и усиление (такая связь используется в усилителях звука),
  • положительная — дестабилизирует схему и пытается вывести ее из равновесия.

Как работает обратная связь?

Работу этой схемы можно объяснить следующим образом: если светодиод не горит, это означает, что выходное напряжение близко к положительной шине питания. Ток протекает через R6 к неинвертирующему входу, что еще больше увеличивает его потенциал и увеличивает дифференциальное напряжение.

Однако уменьшение напряжения, с помощью потенциометра, в какой-то момент переключит состояние компаратора, т.е. ток, подаваемый R6, перестанет быть достаточным, и потенциал неинвертирующего входа будет ниже, чем у инвертирующего входа. В результате, на выходе компаратора появится потенциал до нескольких сотен милливольт, который можно упростить до массы (минус батареи). Светодиод загорится. Через R6 ток начнет течь в другом направлении — от неинвертирующего входа к выходу, благодаря чему дифференциальное напряжение снова будет увеличиваться, на этот раз с противоположной полярностью.

Такое свойство схемы называется гистерезисом — она ​​запоминает свое предыдущее состояние, поэтому следующий толчок, который смог бы ее переключить, должен быть достаточно сильным. Гистерезис необходим во всех схемах, в которых запоминающиеся процессы протекают медленно, особенно в термостатах.

Термостат включается при значительном падении температуры, ниже порога, и выключается при незначительном превышении порога. Промежуточных состояний нет.
Гистерезис представляет собой зону нечувствительности, в которой система не реагирует на изменения

Величина резистора R6 влияет на ширину гистерезиса, то есть на расстояние между напряжениями (устанавливается с помощью потенциометра P1), при котором схема меняет состояние выхода. При отсутствии этого резистора, что можно считать бесконечно большим сопротивлением, пороги включения и выключения находились практически в одном месте.

Уменьшение этого сопротивления до 1 МОм привело к четкой разнице между порогами переключения. Следуя этому пути, дальнейшее уменьшение значения R6 вызовет еще большую разницу между напряжением, при котором схема включает диод, и напряжением, при котором схема отключает его.

Это можно проверить, добавив второй резистор 1 МОм параллельно R6. Результирующее сопротивление будет тогда 500 кОм.

Причина этого кроется в большей интенсивности протекающего через него тока связи (поскольку здесь все еще действует закон Ома). Если сила этого тока выше, то он может сильнее повлиять на потенциал неинвертирующего входа — «добавляя» или «забирая» ток из части схемы (R1 + P1 + R2).

В случае отсутствия обратной связи, наш делитель напряжения с потенциометром смещает неинвертирующий вход на постоянное, задаваемое вручную напряжение. С другой стороны, в случае схемы обратной связи, ситуация немного сложнее, потому что через резистор R6 протекает относительно небольшой ток, который протекает один раз со входа на выход и один раз с выхода на вход компаратора. Это зависит от состояния выхода компаратора. Обе ситуации показаны на рисунках — путь дополнительного тока обратной связи отмечен красными стрелками.

Срабатывание гистерезиса — переход во включенное состояниеРабота гистерезиса — переход в выключенное состояние

Все зависит от выходного потенциала компаратора. Если выход низкий, дополнительный ток течет от входа к выходу. Однако, если выход компаратора высокий, ток течет в противоположном направлении. В зависимости от направления этот ток протекает через потенциометр или ту или иную половину делителя напряжения. Таким образом, он тонко меняет напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход. Благодаря этому схема работает более стабильно, потому что ей «кажется», что разница между входами компаратора немного больше, чем есть на самом деле.

Ток обратной связи, влияющий на выход компаратораТок обратной связи, протекающий с выхода компаратора
Однако более решительное изменение настройки потенциометра приводит к тому, что ток обратной связи становится слишком слабым, чтобы «исказить» результат, и компаратор переключается нормально.

Принцип работы компаратора (для любознательных)

Иногда, юные электронщики используют юмористический термин «магический треугольник», т.к. они еще не знакомы с внутренней структурой схемы. Чтобы полностью понять, как работает компаратор, нужно хорошо знать транзисторы — внутри компаратора нет никакого волшебства.

Ниже представлена ​​простейшая принципиальная схема компаратора. Схема ужасная, но она будет работать. Следующая информация должна рассматриваться чисто из любопытства — мы не будем использовать этот тип компараторов.

Построение простого компаратора на транзисторах
Компараторы, продаваемые как интегральные схемы, содержат дюжину и более транзисторов, поэтому они не удобны при ручном анализе работы.

Транзисторы Т1 и Т2 образуют так называемую дифференциальную схему, которая находится на входе каждого компаратора. Ее преимущество в том, что она позволяет изучать дифференциальное напряжение, ведь здесь важна только разница напряжений между их базами.

Если напряжение на Т1 ниже, чем на Т2, первый транзистор открывается, а второй забивается. Это связано со свойствами транзистора PNP — для его открытия необходим базовый потенциал ниже, чем у эмиттера. База T1 будет снижать потенциал эмиттеров ниже, чем база T2, вызывая засорение T2. Весь ток от резистора будет проходить через коллектор T1.

Транзисторы Т1 и Т2 постоянно конкурируют друг с другом за ток от резистора R1. Тот, кто побеждает (то есть начинает проводить ток от эмиттера к коллектору), устанавливает напряжение эмиттер-база около 0,7 В. Если его «противник» не проводит ток, его напряжение эмиттер-база ниже.

Если в ситуации, показанной ниже, транзистор T2 с базовым потенциалом 2,5 В должен был проводить ток, то его потенциал эмиттера был бы 3,2 В или 0,7 В. Однако тогда, напряжение эмиттер-база транзистора T1, поскольку их эмиттеры соединены, будет до 3,2 В — 2 В = 1,2 В, поэтому он будет проводить гораздо больший ток.

Простой компаратор — текущий путь в первой ситуации
В такой схеме проводящим может быть только один транзистор. Ситуация, в которой ток протекает через оба транзистора одновременно, невозможна.

В схеме напряжений, которую мы только что предположили, Т1 должен проводить ток. Потенциал эмиттера будет 2,7 В. Тогда напряжение эмиттер-база в транзисторе Т2 будет всего 2,7 В — 2,5 В = 0,2 В. Следовательно, Т2 останется забитым. Весь ток от R1 будет течь на землю через коллектор T1. Ток не будет течь в базу T3, и этот транзистор также будет забит.

Теперь поменяем местами провода, подающие напряжение на входы компаратора. Дифференциальное напряжение по-прежнему составляет 0,5 В, но его знак изменился. Теперь потенциал базы Т2 составляет 2 В, а Т1 — 2,5 В. Теперь можно сделать вывод, что Т2 придется открывать. Его напряжение эмиттер-база будет 0,7 В, а Т1 — 0,2 В, поэтому он останется забитым.

Простой компаратор — путь тока во второй ситуации

Весь ток от резистора R1 будет протекать через эмиттер T2 на базу T3. Этот транзистор, пока забитый, но сможет открыться и через его коллектор сможет протекать ток, например, от дополнительного резистора (подробнее об этой теме чуть позже), к земле системы. Если ток коллектора достаточно низкий, транзистор может насыщаться.

Таким образом, эта простая схема действует как реальный компаратор. Когда потенциал входа, отмеченного знаком «+», выше, чем «-», состояние выхода высокое (выходной транзистор забит). Если входной потенциал «-» выше, чем «+», выход будет закорочен на массу (выходной транзистор открыт).

Что такое выход с открытым коллектором?

Транзистор подключен как Т3, который выводится из коллектора, он называется выходом с открытым коллектором (англ. Open Collector , OC). У большинства компараторов есть такой выход. Обычно между этим выходом и положительным полюсом источника питания подключается резистор, который позволяет получить соответствующее выходное напряжение.

Открытый коллектор — это распространенный тип вывода в системах с двумя состояниями. Одно из состояний — низкое — сигнализируется замыканием этого выхода на массу системы, что реализуется встроенным выходным транзистором. Второе состояние, высокое, — это засорение этого транзистора. Оно определяется как высокое, потому что коллектор этого транзистора обычно подключен к нагрузке, подключенной с другой стороны к положительной шине питания. Когда через него не протекает ток, на нем нет падения напряжения, поэтому потенциал коллектора транзистора равен напряжению питания.

Принцип работы выхода типа OC

Преимущество этого типа выхода состоит в том, что на нагрузку может подаваться напряжение, отличное от напряжения остальной схемы. Это может быть, например, реле с катушкой на напряжение 12 В, тогда как остальная электроника получает 5 В. Переключение этого реле будет происходить в низком состоянии после насыщения выходного транзистора. В свою очередь, чтобы выключить его, достаточно прервать протекание тока (засорение транзистора).

В предыдущих рассуждениях мы сознательно опустили этот резистор, который представляет собой нагрузку, подключенную к выходу компаратора, чтобы не усложнять описание.

Когда компаратор перестает нормально работать?

Компаратор показывает нам знак дифференциального напряжения, приложенного к его входам. Что, если оба входа поляризованы с одинаковым потенциалом? Это можно сделать очень легко, закоротив их — тогда дифференциальное напряжение будет равно нулю.

Реальность такова — даже в такой ситуации компаратор примет решение и отобразит низкое состояние на своем выходе (т.е. насыщает выходной транзистор) или высокое состояние (забивает его).

Ранее мы предполагали, что транзисторы T1 и T2 в открытом состоянии имеют напряжение эмиттер-база 0,7 В. Это не совсем так — они отличаются друг от друга даже на десяток милливольт. Производители стараются уменьшить эти отличия, но такая проблема была, есть и будет… Итак, как и во многих других ситуациях — нужно помнить о некоторой погрешности и несовершенстве элементов.

Смещение напряжения и тока

Транзисторы дифференциальной схемы, помимо приложенных к напряжениям, также учитывают для сравнения их напряжение эмиттер-база. Эти напряжения складываются с внешними, что влияет на определение потенциала эмиттера и решение, какой транзистор подключить.

Это свойство называется смещением и является плохим явлением для схем с дифференциальным входом.

Под смещением следует понимать источник напряжения, который «имеет» компаратор и который последовательно подключен к одному из входов. Производители никогда не указывают точное значение смещения, так как оно зависит от агрегата, температуры и других факторов. Вместо этого они указывают диапазоны, например ± 5 мВ. Для электроники это означает, что такой компаратор должен возбуждаться дифференциальным напряжением, превышающим 5 мВ, потому что меньшие по размеру могут не правильно распознаваться.

Фрагмент каталожной записи LM311

В дополнение к смещению напряжения существует также смещение тока, то есть разница между токами, потребляемыми базами транзисторов, управляющих входами. Она упоминается гораздо реже, чем смещение напряжения, но вы должны знать о его существовании — это также вызвано различиями в параметрах транзисторов.

Диапазон входного напряжения компаратора

Компараторы также характеризуются приемлемым диапазоном входных напряжений. Для правильной работы транзисторов в дифференциальной цепи, потенциалы, приложенные к их базам, должны быть немного выше, чем напряжение на отрицательной части источника питания, и ниже, чем на положительной.

Ошибочно сравнивать напряжения, близкие к любой из линий питания (например, 5,8 В против 5,9 В на 6 В).

Типичные компараторы требуют напряжения питания примерно 1-2 В от напряжения питания. Однако есть группа компараторов, которые могут работать с гораздо меньшим запасом, порядка 20–100 мВ.

Вывод

Вот мы и прошли с вами очень важную тему, касающуюся компараторов напряжения. Если на этом этапе вам что-то непонятно, убедитесь, что вы понимаете общий принцип работы этих элементов. Детальные знания внутренней структуры компаратора сейчас не понадобятся, поэтому вам не нужно сосредотачиваться на этом — самое главное, вы можете воссоздать практическое упражнение.

Если в настоящее время вы не видите практического применения компаратора, подождите, пока мы не начнем комбинировать его с другими элементами, например, аналоговыми датчиками. Для этого, в следующей статье, мы построим лампу, которая автоматически включается после наступления темноты, а также соберем простой термостат.

С Уважением, МониторБанк

Примеры программирования микроконтроллеров, создание схем на микроконтроллерах, микроконтроллеры для начинающих

Новостная лента

Microchip расширяет экосистему Arduino-совместимой отладочной платформы chipKIT

Компания Microchip сообщила о расширении экосистемы отладочной платформы chipKIT. В состав Arduino-совместимой платформы chipKIT вошла высокоинтегрированная отладочная плата с Wi-Fi модулем и плата расширения для управления электродвигателями, разработанные компанией Digilent. Подробнее >>>

Источник: http://www.rlocman.ru

Просмотров: 28590

Дата добавления: 02.10.2014

MicroView — супер миниатюрная Arduino-совместимая отладочная плата с OLED дисплеем

На портале Kickstarter представлен проект супер миниатюрной отладочной платформы Arduino, выполненной в форм-факторе 16-выводного корпуса DIP и имеющей встроенный OLED дисплей с разрешением 64×48 точек. Несмотря на то, что отладочная плата является полностью завершенным решением, она может устанавливаться на макетную плату или непосредственно впаиваться в печатную плату для расширения функционала и управления внешней периферией. Подробнее >>>

Источник: http://www.rlocman.ru

Просмотров: 27934

Дата добавления: 17.04.2014

Размеры самого миниатюрного в мире ARM-микроконтроллера Freescale сократила еще на 15%

Freescale Semiconductor совершила новый технологический прорыв, добавив к семейству Kinetis самый миниатюрный и энергоэффективный в мире 32-разрядный микроконтроллер Kinetis KL03 с архитектурой ARM. Основанный на микроконтроллере предыдущего поколения Kinetis KL02, новый прибор получил дополнительную периферию, стал намного проще в использовании, и при этом сократился в размерах до 1.6 × 2.0 мм. Подробнее >>>

Источник: http://www.rlocman.ru

Просмотров: 1871

Дата добавления: 17.04.2014

Как вырастить микросхему с помощью белка

Без кремния немыслимо производство полупроводников, где он буквально нарасхват. При этом, естественно, большое значение имеют чистота вещества и строение кристаллов кремниевых соединений. Исследователи из Университета Лидса (Великобритания) предлагают способ выращивания таких кристаллов с помощью молекулярной биологии. По их мнению, это позволит создавать электронные микросхемы более высокого качества. Подробнее >>>

Источник: http://www.newscientist.com/

Просмотров: 3019

Дата добавления: 06.03.2014

Открытие нового раздела на сайте MCULAB.RU

На нашем сайте открыт новый раздел. Раздел посвящён моделированию различных схем по сопряжению микроконтроллеров и датчиков. Освещается схемотехника подключения к МК внешних устройств. В данной области до сих пор отсутствует систематизация, поэтому сделана попытка создать банк типовых решений, который в дальнейшем может дополняться, уточняться, расширяться. Подробнее >>>

Источник: /

Просмотров: 129718

Дата добавления: 04.02.2014

На сайте представлены примеры программирования, которые будут полезны как для опытного разработчика схем на микроконтроллерах, так и для новичка. Особо рассматривается программирование микроконтроллеров для начинающих пользователей. Программные примеры программирования разбиты на различные разделы. Основную массу составляют примеры программирования микроконтроллеров avr и микроконтроллеров microchip. Пользователю предлагается познакомиться с различными примерами программирования и различными средами программирования: MicroLab, AVRStudio, MikroC, FloweCode. Представлены схемы на микроконтроллерах ведущих производителей: PIC и AVR. Рассматривается огромное количество схем для начинающих разработчиков. Если Вы начинающий радиолюбитель, то для Вас мы приготовили раздел микроконтроллеры для начинающих.

Современные микроконтроллеры относятся к классу микропроцессорных устройств. В основе принципа действия таких элементов лежит исполнение последовательного потока команд, называемого программой. Микроконтроллер получает программные команды в виде отдельных машинных кодов. Известно, что для создания и отладки программ, машинные коды подходят плохо, так как трудно воспринимаются человеком. Этот факт привел к появлению различных языков программирования и огромного количества различных компиляторов.

В основе языков программирования микроконтроллеров лежат классические языки для компьютеров. Единственным отличием становится ориентированность на работу со встроенными периферийными устройствами. Архитектура микроконтроллеров требует, например, наличия битово-ориентированных команд. Последние выполняют работу с отдельными линиями портов ввода/вывода или флагами регистров. Подобные команды отсутствуют в большинстве крупных архитектур. Например, ядро ARM, активно применяемое в микроконтроллерах, не содержит битовых команд, вследствие чего разработчикам пришлось создавать специальные методы битового доступа.

Популярное в разделе «MikroC»

Популярное в разделе «FloweCode»

Популярное в разделе «MicroLab»

Популярное в разделе «AVR Studio»

Популярное в разделе «Теоретические основы эл-ки»

Популярное в разделе «Основы МП техники»

Популярное в разделе «Аналоговый и цифровой сигнал»

Популярное в разделе «Цифровая схемотехника»

Примеры программирования микроконтроллеров будут представлены на хорошо всем известном языке Си. А перед тем как постигать азы программирования микроконтроллеров и схемотехнику устройств на микроконтроллерах, авторам предлагается ещё раз вспомнить основы микропроцессорной техники, основы электроники, полупроводниковую электронику, аналоговую и цифровую схемотехнику, а так же азы аналогового и цифрового представления сигнала. Для тех, кому хочется получить новые знания в области современного программирования, можно будет познакомиться с графическим языком программирования LabView.

Выбор языка программирования зависит от множества факторов. В первую очередь, типо решаемых задач и необходимым качеством кода. Если Вы ведёте разработку малых по объёму и несложных программ, то можно использовать практически любой язык. Для компактного кода подойдет Ассемблер, а если ставятся серьезные задачи, то альтернативы С/С++ практически нет. Также необходимо учитывать доступность компилятора. В итоге самым универсальным решением можно назвать связку Ассемблера и C/C++. Для простого освоения языков, можно воспользоваться примерами программ для микроконтроллера. Использование примеров программирования упростит и ускорит процесс освоения

программирования микроконтроллеров.

Схемы на микроконтроллерах позволят начинающим разработчикам освоить тонкости проектирования, моделирования и программирования микроконтроллеров.

741 схема включения. Легендарные аналоговые микросхемы. Кафедра электротехники и информационных систем

Операционный усилитель 741

Операционный усилитель 741 (другие обозначения: uA741, μA741) — универсальный интегральных операционный усилитель второго поколения на биполярных транзисторах. Оригинальный μA741 был изобретен в 1968 году Дэвидом Фуллагаром из Fairchild Semiconductor на основе разработанного Бобом Видларом LM101. В отличие от LM101, который основывался на внешнем конденсаторе частотной коррекции, в μA741 этот конденсатор базировался на кристалле ИС. Простота применения μA741 и отличные для своего времени показатели привели к широкому использованию новой схемы и сделали её «типовым» универсальным ОУ.

Структура ОУ

Несмотря на то, что логично рассматривать операционный усилитель как чёрный ящик с характеристиками идеального ОУ, важно также обладать знаниями о внутренней структуре ОУ и принципах его работы, так как при разработке с использованием ОУ могут возникнуть проблемы, обусловленные ограничениями его схемотехники.

Структура ОУ от разных производителей отличается, но в основе лежит один и тот же принцип. ОУ второго и последующих поколений состоят из следующих функциональных блоков:

1. Дифференциальный усилитель

  • Входной каскад — обеспечивает усиление при малом уровне шума, высокое входное сопротивление. Как правило, имеет дифференциальный выход.

2. Усилитель напряжения

  • Обладает высоким коэффициентом усиления по напряжению, спад Амплитудно-частотной характеристики как у однополюсного фильтра низких частот, обычно единственный (то есть не дифференциальный) выход.

3. Выходной усилитель

  • Выходной каскад — обеспечивает высокую нагрузочную способность по току, низкое выходное сопротивление, ограничение выходного тока и защиту от короткого замыкания в нагрузке.

Токовые зеркала

Элемент схемы, обведённый красной линией является токовым зеркалом. Первичный ток, который задаёт все остальные токи, определяется напряжением питания ОУ и резистором 39 kΩ (плюс два падения напряжения на диодном переходе).

Дифференциальный входной каскад

Элемент схемы, обведенный синей линией, является дифференциальным усилителем. Транзисторы Q1 и Q2 работают как эмиттерные повторители, они нагружены на пару транзисторов Q3 и Q4, включенных как усилители с общей базой. Помимо этого Q3 и Q4 согласуют уровень напряжения и обеспечивают предварительное усиление сигнала перед подачей его на усилитель класса А.

Выходной каскад

Выходной каскад (обведён голубой линией) класса AB — двухтактный эмиттерный повторитель (Q14, Q20), смещение которого определяется с помощью умножителя напряжения Vbe (Q16 и резисторы, соединённые с его базой). На выходной каскад поступает сигнал с коллекторов транзисторов Q13 и Q19. Диапазон выходных напряжений ОУ примерно на 1 В меньше, чем напряжение питания; это обусловлено падением напряжения на полностью открытых транзисторах выходного каскада.

Оригинальный μA741 был разработан в 1968 году Дэвидом Фуллагаром из Fairchild Semiconductor на основе разработанного Бобом Видларом LM101. В отличие от LM101, использовавшего внешний конденсатор частотной коррекции, в μA741 этот конденсатор был выполнен непосредственно на кристалле ИС. Простота применения μA741 и совершенные для своего времени характеристики способствовали широкому применению новой схемы и сделали её «типовым» универсальным ОУ. Несмотря на появление значительно лучших по характеристикам аналогичных микросхем ОУ 741 и его клоны по состоянию на 2015 год все ещё выпускаются множеством производителей (например LM741, AD741, К140УД7).

Несмотря на то, что проще и полезнее рассматривать операционный усилитель как чёрный ящик с характеристиками идеального ОУ, важно также иметь представление о внутренней структуре ОУ и принципах его работы, так как при разработке с использованием ОУ могут возникнуть проблемы, обусловленные ограничениями его схемотехники.

Структура ОУ различных марок отличается, но в основе лежит один и тот же принцип. ОУ второго и последующих поколений состоят из следующих функциональных блоков:

Части схемы, обведённые красной линией являются токовыми зеркалами . Первичный ток, который задаёт все остальные токи, определяется напряжением питания ОУ и резистором 39 kΩ (плюс два падения напряжения на диодном переходе). Первичный ток составляет примерно

Токовое зеркало Q12/Q13 обеспечивает для усилителя класса А постоянный ток нагрузки, этот ток практически не зависит от выходного напряжения ОУ.

Часть схемы, обведённая синей линией, является дифференциальным усилителем. Транзисторы Q1 и Q2 работают как эмиттерные повторители , они нагружены на пару транзисторов Q3 и Q4, включённых как усилители с общей базой . Помимо этого Q3 и Q4 согласуют уровень напряжения и обеспечивают предварительное усиление сигнала перед подачей его на усилитель класса А.

Дифференциальный усилитель из транзисторов Q1 — Q4 имеет активную нагрузку — токовое зеркало, состоящее из транзисторов Q5 — Q7. Транзистор Q7 увеличивает точность (равенство токов в ветвях) токового зеркала путём уменьшения тока сигнала, отбираемого с коллектора Q3 для управления базами транзисторов Q5 и Q6. Это токовое зеркало обеспечивает преобразование дифференциального сигнала в недифференциальный следующим образом:

Таким образом, сумма вдвое превышает токи, текущие через транзисторы Q3 и Q4. Напряжение сигнала на коллекторе Q4 в режиме холостого хода равно произведению суммы сигнальных токов и сопротивлений коллекторов Q4 и Q6, включённых параллельно. Это произведение относительно велико, поскольку сопротивления коллекторов для токов сигнала большие .

Следует отметить, что ток базы входных транзисторов ненулевой и дифференциальное сопротивление входа ОУ 741 составляет примерно 2 MΩ .

ОУ имеет два вывода балансировки (на рисунке обозначены Offset ), которые обеспечивают возможность подстройки напряжения смещения входа ОУ до нулевого значения. Для подстройки нужно подключить к выводам потенциометр .

Часть схемы, обведённая пурпурной линией, является усилительным каскадом класса А. Он состоит из двух n-p-n транзисторов, включённых как пара Дарлингтона . Коллекторной нагрузкой является выходная часть токового зеркала Q12/Q13, благодаря чему достигается высокое усиление этого каскада. Конденсатор ёмкостью 30 пФ обеспечивает частотно-зависимую отрицательную обратную связь , которая повышает устойчивость ОУ при работе с внешней обратной связью. Такая техника называется компенсация Миллера , она функционирует практически так же, как и интегратор , построенный на ОУ. Полюс может находиться на достаточно низкой частоте, например 10 Гц для ОУ 741. Соответственно, на этой частоте происходит спад −3 дБ амплитудно-частотной характеристики ОУ при разомкнутой петле внешней обратной связи. Частотная компенсация обеспечивает безусловную стабильность ОУ в широком диапазоне условий и тем самым упрощает его применение.

Часть схемы, обведённая зелёной линией, предназначена для правильного смещения транзисторов выходного каскада. Эта часть схемы представляет собой умножитель напряжения база-эмиттер — двухполюсник, поддерживающий на своих выводах постоянную разность потенциалов вне зависимости от протекающего тока. Фактически, это аналог стабилитрона , выполненный на транзисторе Q16. Если считать ток базы транзистора Q16 равным нулю, а напряжение база-эмиттер равным 0.625 В (типичное напряжение база-эмиттер для кремниевых биполярных транзисторов), то ток, текущий через резисторы 4.5 kΩ и 7.5 kΩ будут одинаковы, а напряжение на резисторе 4.5 kΩ составит 0.375 В. Таким образом, напряжение на всем двухполюснике будет равно 0.625 + 0.375 = 1 В. Это напряжение поддерживает выходные транзисторы в чуть открытом состоянии, что уменьшает искажения типа «ступенька ».

Поддержание напряжения смещения путём умножения напряжения база-эмиттер примечательно тем, что при изменениях температуры напряжения база-эмиттер меняются одновременно и у смещаемого каскада, и у цепи смещения, то есть температурно-зависимые эффекты взаимно вычитаются. Это обстоятельство значительно улучшает термостабильность режима смещаемых транзисторов, особенно в интегральных схемах, где все транзисторы имеют одинаковую температуру (поскольку находятся на одном кристалле).

В некоторых усилителях, выполненных на дискретных компонентах, функцию смещения выходных транзисторов выполняют последовательно включённые полупроводниковые диоды (обычно два диода).

Выходной каскад (обведён голубой линией) класса AB — двухтактный эмиттерный повторитель (Q14, Q20), смещение которого устанавливается умножителем напряжения V be (Q16 и резисторы, соединённые с его базой). На выходной каскад подаётся сигнал с коллекторов транзисторов Q13 и Q19. Диапазон выходных напряжений ОУ примерно на 1 В меньше, чем напряжение питания; это обусловлено падением напряжения на полностью открытых транзисторах выходного каскада.

Резистор сопротивлением 25 Ω в выходном каскаде служит датчиком тока. Этот резистор совместно с транзистором Q17 ограничивает ток эмиттерного повторителя Q14 на уровне примерно 25 мА. Ограничение тока в нижнем плече (транзистор Q20) двухтактного выходного каскада осуществляется путём измерения тока через эмиттер транзистора Q19 и последующего ограничения тока, текущего в базу Q15. В более новых вариантах схемотехники ОУ 741 могут использоваться несколько иные методы ограничения выходного тока.

Наименование модели: LM741CN

Подробное описание

Производитель: National Semiconductor

Описание: ИС, операционный усилитель, COMPENSATED, DIP8, 741

Краткое содержание документа:
LM741 Operational Amplifier
August 2000
LM741 Operational Amplifier
General Description
The LM741 series are general purpose operational amplifiers which feature improved performance over industry standards like the LM709.

They are direct, plug-in replacements for the 709C, LM201, MC1439 and 748 in most applications. The amplifiers offer many features which make their application nearly foolproof: overload protection on the input and output, no latch-up when the common mode range is exceeded, as well as freedom from oscillations. The LM741C is identical to the LM741/LM741A except that the LM741C has their performance guaranteed over a 0°C to +70°C temperature range, instead of -55°C to +125°C.

Спецификации:

  • Тип ОУ: General Purpose
  • Количество усилителей: 1
  • Полоса частот: 1 МГц
  • Скорость нарастания: 0.5 В/мкс
  • Диапазон напряжения питания: 10 В… 36 В
  • Тип корпуса: DIP
  • Количество выводов: 8
  • SVHC: No SVHC (15-Dec-2010)
  • Тип усилителя: Compensated
  • Семейство: 741
  • Маркировка: LM741CN
  • Добротность: 1.5 МГц
  • IC Generic Number: 741
  • Рабочий диапазон температрур: Commercial
  • Напряжение смещения входа максимальное: 6 мВ
  • Количество логических функций: 741
  • Особенности ОУ: Compensated Amp
  • Напряжение питания (+) номинальное: 15 В
  • Способ монтажа: Through Hole

Дополнительные аксессуары:

  • Fairchild — LM741CN
  • Fischer Elektronik — ICK SMD A 8 SA
  • National Semiconductor — LM741CN

Исполнение: DIP8. IC, OP-AMP COMPENSATED,TUBE40; Amplifiers, No. of:1; Op Amp Type:General Purpose; Gain, Bandwidth -3dB:1MHz; Slew Rate:0.5; Voltage, Supply Min:10V; Voltage,…

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГОБУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра электротехники и информационных систем

Реферат по теме:

«Генераторы прямоугольных сигналов на операционных усилителях»

Выполнил:

Черечукин А.В.

Проверил:

Шагаев О.Ф

Москва

Генераторы прямоугольных сигналов на операционных усилителях

Операционный усилитель (ОУ )- усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющий высокий коэффициент усиления. ОУ почти всегда используются в схемах с глубокой отрицательной обратной связью, которая, благодаря высокому коэффициенту усиления ОУ, полностью определяет коэффициент передачи полученной схемы.

В настоящее время ОУ получили широкое применение, как в виде отдельных чипов, так и в виде функциональных блоков в составе более сложных интегральных схем. Такая популярность обусловлена тем, что ОУ является универсальным блоком с характеристиками, близкими к идеальным, на основе которого можно построить множество различных электронных узлов.

Операционные усилители (ОУ) являются основной частью всей современной электронной измерительной аппаратуры. Исторически ОУ получили свое развитие в области аналогового вычисления, где эти схемы разрабатывались для суммирования, вычитания, умножения, интегрирования, дифференцирования и т.д., с целью решения дифференциальных уравнений во многих технических задачах. Сегодня аналоговые вычислительные устройства в основном заменены цифровыми, однако высокие функциональные возможности ОУ по-прежнему находят себе применение и поэтому их используют во многих электронных схемах и приборах.

Внутренняя схема операционного усилителя 741 серии

  1. Дифференциальный усилитель — предназначен для усиления сигнала, имеет низкий уровень собственных шумов, высокое входное сопротивление и обычно дифференциальный выход.
  2. Усилитель напряжения — обеспечивает высокое усиление сигнала по напряжению, имеет спадающую амплитудно-частотную характеристику с одним полюсом, и обычно имеет один выход.
  3. Выходной усилитель — обеспечивает высокую нагрузочную способность, низкое выходное сопротивление, ограничение тока и защиту при коротком замыкании.

Генератор сигналов — это устройство, позволяющее получать сигнал определённой природы (электрический, акустический и т.д.), имеющий заданные характеристики (форму, энергетические или статистические характеристики и т. д.). Генераторы широко используются для преобразования сигналов, для измерений и в других областях. Состоит из источника (устройства с самовозбуждением, например усилителя охваченного цепью положительной обратной связи) и формирователя (например, электрического фильтра)

Применение . Неотъемлемой частью почти любого электронного устройства является генератор. Кроме генераторов испытательных сигналов, выполняемых в виде отдельных изделий, источник регулярных колебаний необходим в любом периодически действующем измерительном приборе, в устройствах, инициирующих измерения или технологические процессы, и вообще в любом приборе, работа которого связана с периодическими состояниями или периодическими колебаниями. Так, например, генераторы колебаний специальной формы используются в цифровых измерительных приборах, осциллографах, радиоприемниках, телевизорах, часах, ЭВМ и множестве других устройств.

Схемотехнически электронный генератор представляет собой усилитель, охваченный положительной обратной связью. В качестве усилителя могут быть использованы схемы на дискретных транзисторах, цифровые ИМС, интегральные таймеры, а также операционные усилители. Использование ОУ позволяет построить стабильные многофункциональные генераторы с хорошим воспроизведением формы выходного сигнала, минимальные по габаритам.


Генераторы импульсных сигналов, или генераторы импульсов, предназначены для получения от источника питания постоянного напряжения электрических колебаний резко несинусоидальной формы, называемых релаксационными. Для таких колебаний характерно наличие участков сравнительно медленного изменения напряжения и участков, на которых напряжение изменяется скачкообразно.

Для импульсных генераторов характерно наличие внешней и внутренней положительной обратной связи (ОС), обуславливающей возможность их самовозбуждения и скоротечный (лавинообразный, регенеративный) процесс перехода активных элементов генератора из одного крайнего (закрытого, открытого) в другое (открытое, закрытое) состояние.

Импульсные генераторы делятся на генераторы прямоугольных , трапецеидальных, пилообразных сигналов (импульсов)

Остановимся на прямоугольных ИП, которые могут работать в трех основных режимах: автоколебательном, ждущем и в режиме синхронизации.

Генераторы, предназначенные для получения колебаний прямоугольной формы, называют мультивибраторами. В отличие от генераторов гармонических колебаний в мультивибраторе используется цепь обратной связи первого порядка, а активный элемент работает в нелинейном режиме.

Мультивибраторы работают в режиме автоколебаний или в ждущем режиме. Соответственно, различают автоколебательные и моностабильные (ждущие) мультивибраторы.

Схема автоколебательного мультивибратора на операционном усилителе показана на рис. 6.4.1. Активным элементом является инвертирующий триггер Шмитта, реализованный на ОУ и резисторах R 1 , R 2 . Резистор R 3 и конденсатор C формируют времязадающую цепь, определяющую длительность формируемых импульсов.

Операционный усилитель охвачен положительной обратной связью (цепь R 1 — R 2) и находится в режиме насыщения, поэтому напряжение на выходе и вых = ±и нас. Переключение ОУ из положительного насыщения в отрицательное и обратно происходит, когда напряжение на инвертирующем входе достигает положительного и отрицательного порогов срабатывания, равных +PU нас и -0U нас соответственно. Здесь Р — коэффициент обратной связи: р = R 1 /(R 1 + R 2).

Постоянная времени т = R 3 C . В момент t l напряжение u C (t) достигает величины PU нас, ОУ переключается в состояние отрицательного насыщения. Выходное напряжение скачком принимает значение, равное — и нас. Начинается перезарядка конденсатора. Напряжение u C (t) изменяется по

Мультивибратор на рис. 6.4.1 является симметричным, поскольку положительные и отрицательные импульсы равны. Положительные и отрицательные импульсы различной длительности можно получить в несимметричном мультивибраторе, показанном на рис. 6.4.4. Перезарядка конденсатора во время формирования положительных и отрицательных импульсов осуществляется через различные резисторы. Когда напряжение на выходе ОУ положительно, открыт диод VD1 и перезарядка происходит с постоянной времени т 1 = R 3 C. Когда напряжение на выходе ОУ

отрицательно, открыт диод VD2 и постоянная времени т 2 = R 4 C. Можно менять длительность положительных и отрицательных импульсов, варьируя сопротивления резисторов R 3 и R 4 .


Ждущие мультивибраторы. Назначение таких устройств — получение одиночных импульсов заданной длительности. Схема ждущего мультивибратора показана на рис. 6.4.5. Импульс на выходе возникает при
подаче на вход специального запускающего сигнала. Поскольку на входе включена дифференцирующая цепь, форма и длительность такого сигнала могут быть произвольными.

Устойчивое состояние ждущего мультивибратора достигается включением диода VD параллельно конденсатору C l . Когда выходное напряжение и вых = -и нас, диод открыт и напряжение конденсатора и с ≈ 0.7 В.

Дифференциальное напряжение на входе ОУ отрицательно, и схема находится в устойчивом состоянии. Этому режиму соответствует интервал 0 — t l на рис. 6.4.6. При подаче на вход импульса положительной полярности в момент tj дифференциальное напряжение на входе ОУ становится положительным и ОУ переключается в состояние положительного насыщения: U вых (t x)=+U нас. Диод закрывается, и конденсатор C x начинает заряжаться. Когда напряжение на инвертирующем входе ОУ достигает величины ри нас (момент t 2), дифференциальное напряжение становится отрицательным и ОУ переключается в состояние отрицательного насыщения: U вых (t 2)=-U нас. Напряжение и С (t) начинает уменьшаться. Когда и С (t) достигает значения — 0.7 B, диод открывается и схема вновь оказывается в устойчивом состоянии.

Список используемой литературы.

http://beez-develop.ru/index.php/faq/useful-shems/73—square-generator

http://gendocs.ru/v12155

Среди множества микросхем, представленных на современном рынке микроэлектронных компонентов, есть настоящие легенды, по праву заслужившие свою высокую репутацию. В данной статье мы остановимся на рассмотрении четырех таких легендарных аналоговых микросхем, а именно: NE555, A741, TL431, и LM311.

Аналоговая интегральная микросхема является универсальным таймером. Она успешно служит во многих современных электронных схемах для получения повторяющихся или одиночных импульсов с постоянными временными характеристиками. Микросхема является по сути асинхронным , обладающим специфическими порогами входов, которые точно заданы внутренними аналоговыми компараторами и точным делителем напряжения.

Интегральная структура микросхемы включает в себя 23 транзистора, 16 резисторов и 2 диода. NE555 выпускается по сей день в различных корпусах, но наиболее популярна в корпусах DIP-8 и SO-8, именно в таком виде ее можно встретить на многих платах. Отечественные производители выпускают аналоги данного таймера под названием КР1006ВИ1.

История микросхемы NE555 начинается с 1970 года, когда уволенный в связи с экономическим кризисом, сотрудник американской микроэлектронной компании Signetics, специалист по схемам ФАПЧ, Ганс Камензинд, работая у себя в гараже, отладил схему ФАПЧ с ГУН, частота которого теперь не зависела от напряжения.

Эта разработка позже получила название NE566, и содержала все элементы будущего таймера NE555, включая компараторы, триггер и ключ. Схема могла вырабатывать треугольные импульсы с амплитудой задаваемой внутренним делителем, и с частотой задаваемой внешней RC-цепочкой.

Ганс Камензинд продал компании Signetics свою разработку, после чего предложил ее доработку до ждущего мультивибратора — генератора одиночных импульсов. Идею поддержали не сразу, однако руководитель отдела продаж компании Signetics, Арт Фьюри, настоял, и проект был одобрен, будущую микросхему назвали NE555 (NE от SigNEtics).

Доработка и отладка таймера заняли еще несколько месяцев, и в конце концов в 1971 году стартовали продажи NE555 в восьмивыводном корпусе по цене 75 центов. Сегодня функциональные аналоги оригинального NE555 выпускаются во множестве биполярных и КМОП-вариантов почти всеми крупными производителями электронных компонентов.

Рассмотрим теперь назначение выводов интегрального таймера NE555, это позволит читателю понять причину, по которой данная микросхема приобрела колоссальную популярность как среди специалистов, так и среди радиолюбителей.

    Первый вывод — земля. Подключается к минусовому проводу источника питания.

    Второй вывод — триггер. Когда напряжение на этом выводе ниже 1/3 напряжения питания, таймер запускается. При этом потребляемый данным входом ток не превышает 500 нА.

    Третий вывод — выход. Когда таймер включен, напряжение на этом выводе на 1,7 вольт меньше напряжения питания, а максимальный ток данного вывода достигает 200 мА.

    Четвертый вывод — сброс. При подаче на этот вывод напряжения низкого уровня, ниже 0,7 вольт, микросхема переходит в исходное состояние. Если сброс при работе в схеме не требуется, данный вывод просто соединяют с плюсом источника питания микросхемы.

    Пятый вывод — контроль. Данный вывод находится под опорным напряжением, и присоединен к инвертирующему входу первого компаратора.

    Шестой вывод — порог, стоп. При подаче на этот вывод напряжения выше 2/3 напряжения питания, таймер остановится и его выход будет переведен в состояние покоя.

    Седьмой вывод — разряд. Когда на выходе микросхемы низкий уровень, данный вывод внутри микросхемы соединяется с землей, а когда на выходе микросхемы высокий уровень, данный вывод от земли отсоединен. Этот вывод способен выдержать ток до 200 мА.

    Восьмой вывод — питание. Этот вывод подключается к плюсовому проводу источника питания микросхемы, напряжение которого может быть от 4,5 до 16 вольт.

Микросхема NE555 нашла широкое применение, благодаря своей универсальности. На ее основе строятся генераторы, модуляторы, реле времени, пороговые устройства и многие другие узлы различной электронной аппаратуры, разнообразие которой ограничено лишь фантазией и творческим подходом инженеров и разработчиков.

Примерами решаемых задач могут служить: функция восстановления искаженного в линиях связи цифрового сигнала, фильтры дребезга, импульсные источники питания, двухпозиционные регуляторы в системах автоматического регулирования, ШИМ-контроллеры, таймеры и многое другое.

Дополнительные материалы про микросхему NE555 :

uA741 — операционный усилитель на биполярных транзисторах. Этот операционный усилитель второго поколения, разработанный в 1968 году инженером компании Fairchild Semiconductor, Дэвидом Фуллагаром, является модификацией операционного усилителя LM101, к которому требовался внешний конденсатор частотной коррекции. К uA741 внешний конденсатор уже не требовался, ибо здесь он сразу установлен на самом кристалле микросхемы.

Характеристики uA741 были совершенными для того времени, а простота применения микросхемы способствовала широкому ее использованию. Так uA741 стал универсальным типовым операционным усилителем, и по сей день его аналоги выпускаются очень многими производителями микроэлектронных компонентов, например: AD741, LM741, и отечественный аналог — К140УД7. Данные микросхемы выпускаются как в корпусах DIP, так и в чиповых.

В основе операционных усилителей лежит один и тот же принцип, отличия заключаются лишь в структуре. Операционные усилители второго и следующих поколений включают в себя следующие функциональные блоки:

    Входной каскад — дифференциальный усилитель, обеспечивающий усиление при высоком входном сопротивлении и при малом уровне шума.

    Усилитель напряжения с высоким коэффициентом, АЧХ спадает как в однополюсном фильтре низких частот. Здесь не дифференциальный, единственный выход.

    Выходной каскад (усилитель), дающий высокую нагрузочную способность, низкое выходное сопротивление, и обеспечивающий защиту от короткого замыкание и ограничение выходного тока.

Интегрированный конденсатор на 30 пФ дает частотно-зависимую отрицательную обратную связь, повышающую устойчивость операционного усилителя при работе с внешней обратной связью. Это так называемая компенсация Миллера, функционирующая практически как интегратор, построенный на операционном усилителе. Частотная компенсация дает операционному усилителю безусловную стабильность в широком диапазоне условий и тем самым упрощает его применение в широком спектре электронных устройств.

В выходном каскаде uA741 присутствует резистор сопротивлением 25 Ом, служащий датчиком тока. Совместно с транзистором Q17, этот резистор ограничивает ток эмиттерного повторителя Q14 на уровне около 25 мА. В нижнем плече двухтактного выходного каскада ограничение тока через транзистор Q20 осуществляется посредством через эмиттер транзистора Q19 и последующего ограничения тока, текущего в базу Q15. В более современных модификациях схемотехники uA741 могут использоваться несколько отличающиеся от описанной здесь методы ограничения выходного тока.

Микросхема имеет два вывода Offset для балансировки, позволяющие подстраивать смещение входа операционного усилителя точно до нуля. Для этой цели можно использовать внешний потенциометр. Напряжение питания микросхемы может достигать от +-18 до +-22 вольт, в зависимости от модификации, однако рекомендуемый диапазон — от +-5 до +-15 вольт.

Смотрите также по этой теме:

Микросхема TL431 была выпущена в продажу компанией Texas Instruments в 1978 году, и позиционировалась как прецизионный регулируемый стабилизатор напряжения. Предшествующей версией была менее точная микросхема TL430. Сегодня TL431 выпускают многие производители под маркировками: LM431, KA431, а ее отечественный аналог — КР142ЕН19А.

TL431 по сути — управляемый стабилитрон, часто встречающийся в трехвыводном корпусе TO-92. Данную микросхему можно, пожалуй, увидеть на плате любого из современных , как минимум — в схеме гальванической развязки вторичных цепей.

Микросхема достаточно просто регулируется: при подаче на управляющий электрод напряжения выше порогового 2,5 вольт, внутренний транзистор, выполняющий функцию стабилитрона, переходит в проводящее состояние.

Значения выводов очевидны из блок-схемы:

    Первый вывод — электрод управления.

    Второй вывод — несет функцию анода стабилитрона.

    Третий вывод — играет роль катода стабилитрона.

Рабочее напряжение на катоде может быть из диапазона от 2,5 до 36 вольт, а ток в проводящем состоянии не должен превышать 100 мА, при этом ток управления не превышает 4 мкА. Внутренний источник опорного напряжения имеет номинал 2,5 вольта.

Микросхема настолько проста в настройке и в использовании, что уже нашла самое широкое применение в различных электронных устройствах, начиная с импульсных блоков питания, где она традиционно работает совместно с оптроном, заканчивая датчиками освещенности и температуры.

Сегодня трудно найти бытовой прибор, где бы не было TL431, именно по этой причине данная микросхема выпускается во множестве различных корпусов. Таким образом, TL431 отлично подходит для построения цепей обратной связи в совершенно различных аспектах этого понятия.

Примеры использования микросхемы TL431 :

Аналоговый компаратор LM311 выпускается с 1973 года компанией National Semiconductor (с 23 сентября 2011 года компания официально является частью Texas Instruments). Отечественный аналог данного компаратора — КР554СА3.

Для данного интегрального компаратора напряжения характерен очень малый входной ток (150 нА). Он разработан специально для применения в широком диапазоне питающих напряжений: от стандартного +- 15В до однополярного + 5В, традиционного для цифровой логики. Выход компаратора совместим с TTL, RTL, DTL и MOS — уровнями.

Его выходной каскад с открытым коллектором позволяет непосредственно нагрузить выход на реле или на лампу накаливания, и коммутировать ток до 50 мА при напряжении до 50 В. Потребляемая микросхемой мощность составляет всего 135 мВт при питании напряжением +-15 В. В даташите на компаратор LM311 приведено множество типовых схем его применений.

Микросхема содержит 20 резисторов, 22 биполярных транзистора, 1 полевой транзистор и 2 диода. Вход и выход LM311 можно изолировать от земли схемы так, чтобы выходная цепь микросхемы работала на заземленную нагрузку или на нагрузку, подключенную к отрицательному или положительному полюсу источника питания.

В схеме компаратора есть возможности балансировки сдвига и стробирования, а выходы нескольких LM311 можно соединять по схеме проводное ИЛИ. Вероятность возникновения ложных срабатываний у данной микросхемы очень низка.

comparator — Направление тока смещения LM311

Полярность тока входного смещения не может быть просто получена из упрощенных схем в листе данных. Часто внедрение внутри страны сильно отличается от того, что показано. Паразитные элементы не показаны, например, которые могут быть доминирующим (в данном случае) механизмом тока утечки.

Эффекты второго порядка, такие как работа с током утечки, очень важны для получения желаемых результатов и полного проектирования в операциях op = amp. Существует одно допущение, которое вы должны сделать, что явно не указано в любом техническом описании; что входные структуры выложены таким образом, чтобы они были максимально согласованы. На самом деле, если дизайнер (макет мудрый) не делает макет для соответствия шансов, что у устройства, вероятно, будет очень низкий доход). Я согласен с моими терминами, используя «возможно» просто потому, что я не хочу притворяться, что знаю, как все проекты идут, я могу представить некоторые проекты и иметь некоторый опыт, когда это нарушается намеренно. Но это совпадение предположений применяется в большинстве случаев.

Итак, что вам нужно сделать, убедитесь, что ваша внешняя схема также соответствует максимально возможной. Это означает, что входное сопротивление для клемм + и — одинаково, так что, когда «согласованные» токи утечки взаимодействуют с внешними компонентами, генерируемые генератором общего режима сдвигаются в одном направлении вместе (помните, что входной каскад является разностным цепи.

Эта философия применяется для соответствия TCR (температурный коэффициент сопротивления) и действительно для действительно точных конструкций, которые обычно выравнивают внешние компоненты, такие как резисторы в одном и том же направлении (в идеале — через градиент температуры на плате), но более важно, чтобы направление совпадение). На самом деле это одна из вещей, которую я ищу в обзоре дизайна печатной платы. «Учитывается ли макет факторов, чтобы компоненты были в одинаковых условиях?».

Таким образом, знак \ $ I_IB \ $ менее важен, так как величина эффекта учитывается с бюджетом ошибок проекта. Другими словами, держите вещи симметричными и не беспокойтесь о знаке.

Чипы для аналоговой музыкальной техники: часть 1

rpocc

Возможно, для кого-то это будет открытием, но далеко не все микросхемы — цифровые. Да и приборы, которые внешне содержат пару чипов и совсем немного дискретных компонентов, могут быть истинно аналоговыми и звучать тепло и винтажно. На дискретных компонентах слишком сложно, а подчас и дорого делать сложные схемы: резонансные фильтры, прецизионные управляемые усилители и тому подобное, поэтому в любой схеме, претендующей на стабильность, эффективно использовать интегральные схемы. В этой статье описывается базовый набор микросхем, с которыми стоит ознакомиться любому, кто занимается разработкой или доработкой схемотехники для аудио, обработки и синтезаторов.

В первой части охватывается самая популярная и распространённая категория: аналоговые микросхемы: транзисторные сборки, операционные усилители и усилители проводимости.

Транзисторные сборки

Сборки отличаются от набора дискретных транзисторов тем, что транзисторы внутри одной и той же сборки идентичны по коэффициенту передачи тока и другим характеристикам, а также температурно связаны. Подобные микросхемы часто используются в качестве подобранных пар транзисторов для построения дифференциальных усилителей, токовых зеркал, экспоненциальных конвертеров  и других узлов, требующих согласованной работы двух или более транзисторов.

CA3046, CA3096 — классические транзисторные сборки, разработанные RCA, и позже перешедшие к Harris, а ещё позже к Intersil. CA3046 (DIP14) состоит из 5 npn-транзисторов, два из которых имеют общий эмиттер, а CA3096 (DIP16) состоит из 3-х npn-транзисторов и 2-х pnp-транзисторов. Эти сборки используются в VCO фирм Arp, Doepfer, а также используются в фильтрах и VCA Moog и их клонах. С 2013 года классический LP-фильтр Doepfer A-120 (Moog Ladder FIlter) производится с использованием сборок.

SSM2210 — подобранная пара транзисторов в корпусе DIP8. рекомендуется Рэем Уилсоном в его реализации VCO, но может заменяться подобранной парой обычных транзисторов 2n3904. Близкими аналогами являются LM194 и LM394.

6N137 отнесён к той же категории скорей из удобства. Это более хитрое устройство — скоростная оптопара в компактном корпусе DIP8. Чип состоит из инфракрасного светодиода и логического ключа, на базу одного из транзисторов которого диод излучает свет. Это позволяет прибору принимать цифровой сигнал в виде изменений силы тока и, не допуская утечки, передавать его дальше. Такой функционал отдалённо напоминает трансформатор, но оптопара способна работать с постоянным током (например, длительной последовательностью логических единиц), а эта конкретная модель обладает достаточно высокой скоростью переключения состояния для приёма сигнала на частоте 10 МГц. Благодаря этим свойствам, компонент используется в MIDI-входах в качестве ресивера сигнала. Скорость передачи MIDI-сигнала намного ниже (31 кбит), но обычные оптопары, основанные на паре «Диод-транзистор», слишком медлительны даже для такого потока.

Операционные усилители

Операционные усилители используются в аналоговой технике наиболее часто. Все описанные ниже модели (кроме LM386) являются современными вариациями классического операционного усилителя µA741. Операционные усилители широко используются для преобразований аналоговых сигналов, поскольку с высокой точностью могут выполнять простые арифметические операции с поступающим напряжением. Краткое объяснение: если представить сигнал в конкретный момент времени как некое напряжение i, то ОУ делает верным выражение [v]>[o=ki+a], где v — напряжение питания ОУ, o — напряжение на выходе, k — коэффициент усиления заданный внешними компонентами, а a — напряжение смещения, которое опять-таки, задано внешними компонентами. Происходит это следующим образом. ОУ стремится подать на свой выход максимально усиленную разность потенциалов на его входах. Для задания коэффициента усиления используется отрицательная обратная связь: некая часть выходного сигнала отправляется на инвертирующий вход, а ОУ стремится к такому состоянию, при котором разность потенциалов на его входах оказывается равной нулю. В цепи обратной связи может находиться фильтрующая цепочка, и тогда ОУ образует активный фильтр.

TL071 — классический одиночный операционный усилитель с полевым входом, у которого можно тонко отрегулировать напряжение смещения. TL072 и TL074 — его сдвоенная и счетверённая версии, в которых выводы Offset Null отсутствуют. У этих трёх микросхем есть близкие аналоги: версии с более высокой скоростью реакции TL08x и версии с низким энергопотреблением TL06x. Усилители разнятся по своим параметром, но наиболее подходящим для аудио-задач вариантом можно назвать TL07x

NE5532 — Распространённый в профессиональном аудио малошумный ОУ с биполярным входом. Благодаря достаточно высокому допустимому выходному току, позволяет использовать весьма низкие сопротивления в обратной связи, что положительно сказывается на шумности образуемого усилителя при весьма низкой стоимости компонента. Этот ОУ рекомендуется Дугласом Сэлфом в книге «Small Signal Audio Design».

LM324 — счетверённый ОУ с биполярным входом. Рассчитан на работу с однополярным питанием. Устаревший дизайн, к использованию не рекомендуется.

JRC4558 — старая модель сдвоенного ОУ, обладающая пониженным энергопотреблением и очень своеобразным характером звучания при насыщении, благодаря чему она является популярным компонентом гитарных перегрузов, например Ibanez Tube Screamer. В требующих точности приложениях к использованию не рекомендуется. Существуют и другие «классические» операционные усилители, использование которых в аудио-тракте может ухудшить абсолютные характеристики, но может добавить некой «винтажности» в звучание. Пример: LM358, частенько используемый в блоках питания или LM1458.

Существуют прецизионные ОУ, некоторые характеристики которых улучшены по сравнению с типовыми моделями. В некоторых случаях их применение может существенно повысить качество конечного продукта. Как популярные, можно выделить: OP275, OP470, LME49740, OPA4228, OPA2604 (а также их версии с другим количеством усилителей). Как правило, малошумные ОУ имеют меньшую скорость реакции и повышенное энергопотребление. Также некоторые ОУ требовательны к сопротивлениям входа и нагрузки, максимальному входному напряжению и другим параметрам.

LM386 — Аудио-усилитель, который по включению напоминает одиночный ОУ, но не требует обязательного использования обратной связи. Отличается предустановленным фиксированным коэффициентом усиления (20) и особым выходом, которым можно напрямую нагружать маломощные потребители: сервомоторы, наушники, маленькие громкоговорители, светодиоды и т.п. Предусмотрены выводы для изменения коэффициента усиления. Компонент встречается в составе гитарных перегрузов, но обычно он широко используется в усилителях для наушников и компьютерных акустических системах.

LM311 и LM339 — особый вид операционных усилителей: компараторы. Они работают следующим образом. Если vi+>vi+h, то vo=v₊, а если vi+<vih иначе vo=v₋. Иными словами, это аналоговый логический прибор, который сравнивает напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах и, в зависимости от результата, выдают напряжение положительного или отрицательного питания на выходе. Ситуацию равенства этих входов обычно исключают с помощью обратной связи: петли гистерезиса h. По такой схеме может работать любой ОУ, но компараторы отличаются повышенным быстродействием и могут работать при любых входных напряжениях, поэтому рекомендуются для подобных приложений.

Другие аналоговые усилители

MC1496 — это особый прибор: балансный (кольцевой) модулятор. Также известен как 4-х квадрантный умножитель. (2-х квадрантным является VCA) Работает следующим образом: На выходе образуется сигнал, который состоит из частот, являющихся суммами и разностями всех возможных пар частот, представленных на входах X и Y. Обычно микросхема применяется как компактный широкополосный аналог классической пассивной схемы на двух трансформаторах и 4-х диодах. В музыке применяется исключительно как кольцевой модулятор.

LF398 — устройство выборки-хранения (Sample&Hold). Включает в себя эквивалент двух буферов и полевого транзистора, которые в зависимости от наличия на транзисторе тока, пропускают входной сигнал на выход, либо удерживают его последнее значение во внешнем конденсаторе.

CA3080 относится к типу усилителей, которые крайне скудно описаны в России: операционный усилитель проводимости. (Operational Transconductance Amplifier) Он отличается от традиционного операционного усилителя тем, что преобразует напряжение в ток, а коэффициент усиления может управляться током с помощью специального входа. Самое популярное применение CA3080 — управляемый током «резистор», на базе которого могут быть сделаны управляемые усилители, фильтры и даже осцилляторы. Сейчас этот компонент не производится, но в продаже всё ещё можно найти весьма большие объёмы производства RCA, Harris и Intersil. Этой микросхеме посвящена целая книга Томаса Генри «Making Music With The 3080 OTA».

LM13700 — Сдвоенная, более современная модель OTA, обладающая рядом улучшений, в т.ч. буферами на выходах, избавляющими от необходимости всегда размещать после выхода ОУ в качестве преобразователя ток-напряжение. В книге «Analog Synthesizer For The 21st Century» приведена схема, в которой LM13700 используется как управляемое сопротивление в составе VCO.

В следующей части речь пойдёт о логических компонентах: микросхемах CMOS.

Вконтакте

Facebook

Twitter

Google+

Компаратор напряжения LM311: 4 простая принципиальная схема

I Введение

LM311 — широко используемый линейный компаратор. LM311 экономичен, и по этой причине он широко используется в различных схемах сравнения. В этом блоге используется LM311, чтобы представить и проанализировать ряд схем, использующих LM311, таких как управление освещением и обнаружение утечки воды. Эти схемы имеют характеристики простой конструкции и низкой стоимости изготовления, что позволяет использовать LM311 в схемах.

Рисунок 1. Компаратор напряжения LM311

Каталог

II Базовая схема LM311

Рис. 2. Базовая схема LM311

Базовая принципиальная схема, основанная на конструкции LM311 выше, имеет следующие особенности и меры предосторожности:

  • Скользящий реостат для деления напряжения и максимального сопротивления можно выбрать.
  • Если вы хотите сделать компаратор с переходом через ноль, контакт 3 заземлен напрямую.
  • Подтягивающий резистор на выходе и вывод 1 должны быть заземлены.

Компаратор напряжения LM311 имеет всего 8 контактов. 7-й вывод среди них — это выход, который представляет собой структуру с открытым коллектором, то есть так называемый затвор с открытым коллектором, или сокращенно OC gate. Его роль заключается в удовлетворении некоторых особых потребностей, таких как управление светодиодами, освещением, реле и совместимость уровней со следующими цифровыми схемами.

Следовательно, когда должен выводиться высокий уровень, высокий уровень не будет получен. Необходимо подключить резистор между контактом 7 и контактом 8 положительного источника питания, например, около 1 кОм, чтобы коллектор больше не был открыт.

III LM311 Цепь обнаружения газа

Рис. 3. Цепь обнаружения газа LM311

Клемма 3 встроенного компаратора напряжения LM311 имеет постоянный вход 5 В.

Так как выходной ток датчика пропорционален концентрации газа (дыма) в помещении, то есть:

I = кКл

  • I: выходной ток датчика
  • C: концентрация газа в помещении
  • k: постоянная пропорциональности

Таким образом, мы можем использовать датчик и потенциометр 1R, чтобы преобразовать концентрацию газа в сигнал напряжения и ввести его на клемму 2 LM311 (то есть V = kC * 1R).

Компаратор напряжения может преобразовывать аналоговый сигнал в двоичный сигнал. LM311 — это интегрированный компаратор общего назначения с низким коэффициентом усиления разомкнутого контура, большим напряжением смещения и низким коэффициентом подавления синфазного сигнала; однако он имеет быструю скорость отклика, короткое время задержки передачи и может напрямую вводить высокоуровневые сигналы в микроконтроллер.

Из приведенного выше анализа видно, что верхний предел концентрации сигнала тревоги в помещении можно отрегулировать, регулируя сопротивление потенциометра.

IV LM311 Схема светового контроллера

Эта схема основана на интегральной схеме компаратора напряжения LM311, а резисторы R3 и R4 на неинвертирующем входе IC1 дают опорное напряжение 6 В. Поскольку сопротивление фоторезистора может достигать нескольких МОм в темноте, когда потенциал инвертирующей входной клеммы высокий, а компаратор низкий, Q1 не включается, и реле не срабатывает.

Напротив, поскольку сопротивление фоторезистора при освещении составляет 5-10 кОм, когда потенциал инвертирующей входной клеммы низкий, выход компаратора высокий, а когда Q1 включен, реле срабатывает.Если поменять местами вход LM311 + -, ситуация с точностью до наоборот. Регулируя R1, мы можем установить, какая освещенность запускает реле.

Рисунок 4. Схема светового контроллера LM311

В LM311 Схема обнаружения утечки воды

Принцип детектора утечки воды:

Когда вода протекает между двумя электродами водоприемной пластины, значение сопротивления между двумя электродами сильно изменится, так что можно определить, есть ли утечка воды.

Мостовая схема — это схема, которая измеряет различные физические величины методом сравнения. Самая простая — это схема, состоящая из четырех ветвей, каждая ветвь называется «плечом» моста. В реальной схеме обнаружения, используя превосходные характеристики мостовой схемы при обнаружении сопротивления, изменение значения сопротивления обнаруживается мостом обнаружения напряжения.

Рисунок 5. Цепь обнаружения утечки воды LM311

Можно считать, что электрод обнаружения утечки воды представляет собой переменный резистор, который служит ответвлением моста, а остальные три ветви имеют одинаковое значение сопротивления.Значение удельного сопротивления может быть определено в соответствии со значением сопротивления электрода утечки воды в присутствии и отсутствии воды. Диапазон должен быть между значением сопротивления при наличии воды и значением сопротивления при отсутствии воды, а среднее значение может быть принято как значение оставшегося трехстороннего сопротивления.

В мосту обнаружения, если нет утечки воды из электрода обнаружения, значение его сопротивления велико, поэтому V + ﹥ V﹣, а именно V_id ﹥ 0, V_out ﹥ 0.

Если электрод обнаружения протекает, значение его сопротивления невелико, поэтому V + ﹤ V﹣, а именно: V_id ﹤ 0, V_out ﹤ 0. Таким образом можно точно определить, есть ли утечка воды. Другими словами, уровень выходного уровня компаратора напряжения LM311 представляет наличие или отсутствие утечки воды.

Рисунок 6. Плата датчика утечки

При разработке схемы компаратора LM311 следует отметить, что, когда высокоскоростной компаратор используется для высокоскоростных входных сигналов и входных сигналов с низким импедансом источника, нормальный выходной отклик должен быть быстрым и стабильным.

Однако, когда входной сигнал является медленно изменяющимся сигналом или источником сигнала с высоким импедансом, компаратор может колебаться в точке порога сравнения, что вызвано высоким коэффициентом усиления и широкополосностью компаратора, а наличие помех также вызывает это колебание. Одна из прямых причин. При применении мы должны избегать таких колебаний и нестабильности. Генерация колебаний во многом связана с расположением конструкции.

Выходной конец сигнала должен быть далеко от входного контакта, а также должен быть далеко от двух балансных концевых контактов.Конденсаторы фильтра должны быть добавлены к положительным и отрицательным источникам питания, чтобы отфильтровать помехи источника питания, и конденсаторы должны быть размещены рядом с выводами. Увеличьте амплитуду входного сигнала, чтобы уменьшить вероятность колебаний. Установка резистора на выходе компаратора и подключение конденсатора соответствующей емкости на обоих концах существенно влияет на фильтрацию и уменьшение колебаний.


FAQ

LM311 — одноканальный компаратор.При его использовании подключите опорное напряжение и напряжение сравниваемого сигнала к его неинвертирующим и инвертирующим входным клеммам (контакт 2 и контакт 3), и его выход будет результатом сравнения. Если вы хотите получить результат прямого выхода, контакт 7 подключается к положительному источнику питания, а контакт 1 является выходом. Если результат должен выводиться в обратном порядке, контакт 1 заземлен, а контакт 7 является выходом с открытым коллектором.

LM311 — компаратор с одним напряжением, LM393 — с двойным напряжением.LM311 имеет ток нагрузки до 50 мА и напряжение 40 В. Он может управлять реле с минимальным напряжением питания 5 В.

Ток нагрузки LM393 составляет 16 мА, а минимальное напряжение составляет 2 В для одного источника питания.

Их функции такие же, и серия 1XX может использоваться в более суровых условиях.

Серия 3XX может использоваться только в коммерческой среде, обычно в соответствующем температурном диапазоне устройства.

Цена 1хх намного дороже 3хх.

Функция балансировки зеркального тока обратной цепи реализована подключением потенциометра посередине. В дополнение к функции баланса, 6-контактный вывод также имеет функцию стробирования, а 6-контактный вывод может быть заземлен через схему управления транзистором для вывода строба.

  • В чем разница между двойным источником питания компаратора напряжения lm311 и одним источником питания?

Все компараторы представляют собой выходы с открытым коллектором, без сопротивления нагрузки, они не могут выдавать сигналы напряжения.

Двойные блоки питания могут обнаруживать сигналы ниже нуля, а одиночные блоки питания могут обнаруживать только сигналы выше нуля.

  • Может ли компаратор lm311 питаться от двухпозиционного пятивольтового источника питания с положительным и отрицательным напряжением ?

Конечно, LM311 может питаться от двойного источника питания ± 5 В. Его требование для рабочего источника питания состоит в том, чтобы разница напряжений между положительным и отрицательным источником питания (или напряжением одного источника питания) была не менее 3.5 В и максимум 30 В, если он находится в этом диапазоне.

Прочитав блог, вы лучше поняли схему компаратора LM311?

Наконец, если у вас есть какие-либо вопросы о компараторе LM311, не стесняйтесь оставлять сообщение в разделе комментариев ниже!

Распиновка LM311, применение, аналог, описание, особенности

LM311 — ИС операционного усилителя компаратора напряжения со многими хорошими характеристиками; в этой статье мы обсудим распиновку LM311, применение, эквивалент, описание, особенности и другие подробности об этой ИС.

LM311 IC Характеристики / Технические характеристики:
  • LM311 требует очень низкого входного тока при смещении и смещении.
  • Может работать как от двойного, так и от одинарного источника питания
  • Может работать с широким диапазоном питающих напряжений.
  • Он может управлять нагрузкой до 50 В при 50 миллиампер.
  • Вход и выход ИС могут быть изолированы от земли цепи.
  • IC может легко использоваться со схемами TTL и MOS.
  • Конструкция с низким энергопотреблением.
  • Out защищен от короткого замыкания до 10 секунд.
  • ИС может работать с нагрузкой до 50 мА.
  • Возможность смещения баланса
  • Функциональность стробоскопа

LM311 Конфигурация выводов:
Контакт # Название контакта Описание контакта
1 Заземление Заземление / отрицательный вывод питания
2 Неинвертирующий вход Неинвертирующий вход IC.
3 Инвертирующий вход Инвертирующий вход IC
4 VEE Напряжение на общем эмиттере
5 Balance Этот вывод следует использовать для снятия напряжения смещения
6 Баланс / Строб Выходным каскадом можно управлять с помощью этого контакта.
7 Выход Выходной контакт IC.
8 Vcc + Положительный вывод питания ИС.

LM311 Описание:

LM311 — это интегральная схема операционного усилителя компаратора напряжения, доступная во многих корпусах. Внутренняя схема имеет некоторые из очень хороших функций. Он требует очень низкого входного тока при смещении и смещении. ИС имеет возможность балансировать смещение, а также имеет функцию стробоскопа. Одной из основных особенностей ИС является то, что она может работать от одного источника питания.ИС может работать с широким диапазоном питания до 36 В. Микросхема также может работать с двойным питанием, как и большинство микросхем операционных усилителей. Максимальная рабочая температура IC составляет +70 по Цельсию, а диапазон температур хранения от -65 до +150 по Цельсию. Кроме того, схема ИС также состоит из транзистора, что делает эту ИС идеальной для многих приложений.

Приложения:

Компьютерные схемы

Проекты автоматизации

Схемы компаратора

Управляющее реле и другие нагрузки до 50 мА

Источники питания

Бытовые электротехнические товары / электроприборы

Номера для замены / эквивалента / другие номера деталей:

LM111, LM211, LT111A.Если вы хотите чередовать ИС с другими ИС 8-контактного DIP-компаратора в случае, если он используется в общем приложении, вы также можете использовать другие ИС компаратора, такие как LM393, LM741, LM358 и т. Д.

Цепи приложений:

Ниже показаны две схемы с использованием микросхемы LM741. Эта первая цепь представляет собой датчик света, а вторая — цепь датчика темноты.

Тепловой датчик с использованием LM311 IC

Схема, показанная ниже, представляет собой схему теплового датчика.LM311 IC используется здесь в режиме компаратора. В схеме также используется термистор 10K NTC в качестве теплового датчика и некоторые другие пассивные компоненты. Переменный резистор 20K используется для установки необходимого уровня нагрева. На выходе ИС используется светодиод. Когда количество тепла вокруг термистора увеличится и достигнет предустановленного уровня, установленного переменным резистором 20 кОм, выходной сигнал микросхемы LM311 станет высоким, и загорится светодиод.

Как безопасно работать в цепи в течение длительного времени:

Чтобы обеспечить долгосрочную работу ИС, важно не использовать ИС при напряжении более 30 вольт.Всегда подключайте источник питания к микросхеме с соблюдением полярности. Не используйте нагрузку более 50 мА, поэтому не используйте нагрузку более 50 мА. Всегда используйте ИС при температуре ниже +70 по Цельсию и всегда храните ИС при температуре выше -65 и ниже +150 по Цельсию.

LM311P datasheet, Распиновка, схемы применения Дифференциальный компаратор со стробоскопами

LM311PSRE4 Техасские инструменты Высокоскоростной, 30 В, дифференциальный компаратор со стробами 8-SO от 0 до 70
LM311PW Техасские инструменты Высокоскоростной, 30 В, дифференциальный компаратор со стробами 8-TSSOP от 0 до 70
LM311PWE4 Техасские инструменты КОМПАРАТОР, OFFSET-MAX 10000 мкВ, ВРЕМЯ ОТКЛИКА 115 нс, PDSO8, ЗЕЛЕНЫЙ, ПЛАСТИКОВЫЙ, TSSOP-8
LM311PE4 Техасские инструменты Высокоскоростной, 30 В, дифференциальный компаратор со стробоскопами 8-PDIP от 0 до 70
LM311PWRG4 Техасские инструменты Высокоскоростной, 30 В, дифференциальный компаратор со стробами 8-TSSOP от 0 до 70
LM311PWR Техасские инструменты Высокоскоростной, 30 В, дифференциальный компаратор со стробами 8-TSSOP от 0 до 70
LM311PWG4 Техасские инструменты Высокоскоростной, 30 В, дифференциальный компаратор со стробами 8-TSSOP от 0 до 70
LM311PWLE Техасские инструменты Дифференциальный компаратор со стробоскопами 8-ЦСОП
LM311P Техасские инструменты Высокоскоростной, 30 В, дифференциальный компаратор со стробоскопами 8-PDIP от 0 до 70
LM311PWRE4 Техасские инструменты КОМПАРАТОР, OFFSET-MAX 10000 мкВ, ВРЕМЯ ОТКЛИКА 115 нс, PDSO8, ЗЕЛЕНЫЙ, ПЛАСТИКОВЫЙ, TSSOP-8

Введение в LM311 — инженерные проекты

Всем привет! Я надеюсь, что вы все будете в полном порядке и весело проведете время.Сегодня я поделюсь подробным обсуждением Introduction to LM311. LM 311 — это в основном высокоскоростной компаратор напряжения. Он может работать в широком диапазоне напряжений, то есть от -15 В до 15 В, в случае операционного усилителя. LM-311 также может работать от 5В для логических систем.

Выходные уровни

LM-311 совместимы со схемами уровней транзисторной логики (TTL). При 50 мА и 50 В LM-311 может управлять лампами и реле. LM 311 может работать от 0 до 70 градусов Цельсия.LM-311 имеет несколько различных функций. К этим характеристикам относятся быстрое время отклика, возможность стробирования, широкий диапазон напряжения питания, максимальный входной ток, работа в диапазоне одного источника питания 5 В, низкое энергопотребление, большие входные дифференциальные напряжения и т. Д. С LM 311 IC связано несколько различных приложений. Эти приложения могут включать в себя пиковые детекторы, персональные компьютеры, бытовую технику, автоматизацию зданий, модули управления телом и т. Д. Более подробная информация о LM-311 будет дана позже в этом руководстве.

[otw_is sidebar = otw-sidebar-7]

Введение в LM311

LM311 — это высокоскоростной компаратор напряжения. Он способен выполнять задачи в большом диапазоне напряжений. Его выходные уровни совместимы со схемами МОП. LM 311 может управлять реле и лампами, когда он работает от 50 В и 50 мА. LM-311 имеет множество функций, таких как низкое энергопотребление, широкий диапазон рабочих напряжений, возможность стробирования, максимальное время отклика на входе. Его можно использовать в автоматизации зданий, персональных компьютерах, бытовой технике, встроенных системах и т. Д.LM-311 показан на рисунке ниже.

1. Контакты LM311
  • LM 311 имеет всего восемь контактов, 4 слева и 4 справа от ИС.
  • Эти штыри представлены в таблице, показанной на рисунке ниже.

2. Описание выводов LM311
  • Каждым выводам назначены разные задачи, которые должна выполнять ИС.
  • Задачи, назначенные каждому контакту, перечислены в таблице, показанной на рисунке ниже.

3. Распиновка LM311
  • Прежде чем использовать какое-либо устройство, мы должны знать его конфигурацию контактов.
  • Мы можем понять конфигурацию контактов из распиновки этого конкретного устройства.
  • Распиновка
  • LM-311 показана на рисунке ниже.

4. Пакеты LM311
  • Различные модели устройства обычно называются его пакетами, которые используются для дифференциации последних продуктов по сравнению с более ранними.
  • LM 311 имеет пять различных моделей, которые приведены в таблице, показанной на рисунке ниже.

5. Размеры пакетов LM311
  • Каждой упаковке присваиваются разные размеры, чтобы их можно было легко различать.
  • LM-311 все упаковки приведены в таблице, приведенной на рисунке ниже.

6. LM311 Символическое представление
  • Символическое представление любого электронного устройства показывает внутреннюю структуру этого конкретного устройства.
  • Символьное представление
  • LM 311 показано на рисунке ниже.

7. Схема LM311
  • Принципиальная схема помогает нам понять внутренние функции оборудования.
  • Принципиальная схема
  • LM 311 показана на рисунке ниже.

8. Рейтинги LM311
  • Требования к питанию устройства необходимы для оценки его правильной работы.
  • LM-311 все типы номиналов перечислены в таблице, приведенной на рисунке ниже.

9. Характеристики LM311
  • Устройство можно считать идеальным на основании его удивительной, а также уникальной особенности среди всех других подобных устройств.
  • Характеристики
  • LM 311 представлены в таблице, приведенной на рисунке ниже.

10. Приложения LM311
  • В промышленном масштабе любое устройство распознается по его приложениям, поэтому приложения играют жизненно важную роль в важности любого устройства.
  • LM-311 Основные и наиболее распространенные приложения представлены в таблице, приведенной ниже.

В этом руководстве Введение в LM311, Я изо всех сил старался охватить всю необходимую информацию об основном использовании LM 311, которая включает его контакты, а также конфигурацию, его символическое представление, рейтинги, характеристики , приложения и многое другое. Надеюсь, вам понравилась эта статья, и вы оцените мои усилия по ее созданию. Это подтолкнет меня к тому, чтобы в будущем добиться большего успеха. Информация о многих других ИС будет предоставлена ​​в моих последующих руководствах.Так что пока береги себя и пока 🙂

Автор: Сайед Зайн Насир
https://www.theengineeringprojects.com/

Меня зовут Сайед Зайн Насир, основатель The Engineering Projects (TEP). Я программист с 2009 года, до этого я просто занимаюсь поиском, делаю небольшие проекты, а теперь я делюсь своими знаниями через эту платформу. Я также работаю фрилансером и выполнил множество проектов, связанных с программированием и электрическими схемами. Мой профиль Google +

Учебное пособие по примерам схем компаратора


Рис. 1 Компаратор
на базе LM741 использует биполярный источник питания.

by Lewis Loflin

Компараторы позволяют цифровым схемам и микроконтроллерам взаимодействовать с аналоговыми напряжениями в реальном мире. Часто имея два входа, они выводят ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ, в зависимости от соотношения этих входов.

Они используются внутри Arduino, что делает возможным аналого-цифровое преобразование (АЦП) при использовании с цифро-аналоговым преобразователем напряжения (ЦАП).

В моем аналого-цифровом вольтметре Arduino я генерировал переменное напряжение с широтно-импульсной модуляцией Arduino с использованием компаратора для измерения входного напряжения до 20 вольт, что намного выше 5-вольтовой цифровой логики.

В другом случае я использовал четырехканальный компаратор LM339 для создания зарядного устройства без микроконтроллера на основе схемы на рис. 1.


4-битный индикатор напряжения на основе LM339 — щелкните изображение, чтобы увидеть его в полном размере.

Выше мы использовали все четыре компаратора в LM339 как 4-битный вольтметр.Резисторы делителя напряжения и потенциометр 100 кОм устанавливают срабатывание по напряжению.

Основы компаратора

См. Также Схемы компаратора напряжения

Компаратор часто представляет собой операционный усилитель без обратной связи между входами и выходами. Он либо полностью включен (около Vcc), либо выключен (около 0 вольт). На рис. 2 показан компаратор, построенный на основе обычного операционного усилителя LM741.

В этой тестовой схеме мы используем биполярный источник питания на 12 В. На входе NEG на контакте 2 фиксируется напряжение 6 В с стабилитроном, подключенным к положительной стороне источника питания.Мы назовем это Vref.

На входе POS на выводе 3 мы подключаем потенциометр обратно к + и GND. Это Вин. Если Vin на меньше, чем 6 вольт, выход на выводе 7 LM741 будет примерно минус 10 вольт. Здесь мы используем диод 1N4001 для защиты светодиода от чрезмерного обратного напряжения.

Если мы настроим потенциометр 10K так, чтобы Vin на больше, чем Vref, выходной сигнал на выводе 7 вырастет примерно до плюс 10 вольт, смещая 1N4001 в прямом направлении и включающий светодиод.

Недостатком использования LM741 является использование биполярного источника питания.


Рис. 2 Компаратор на базе LM358 использует изображение
с одним щелчком мыши для полноразмерного изображения.

В схеме компаратора на рис. 2 вместо LM741 используется операционный усилитель LM358. LM358 разработан для работы от одного источника питания. Он делает то же самое, что и на рис. 2, с добавлением Q1, который действует как выходной драйвер с открытым коллектором.

Когда Vin меньше Vref, выходной сигнал на контакте достигает примерно 10 вольт, включая транзистор Q1, который включает светодиод. Установив точку срабатывания потенциометром 10K, можно сделать индикатор пониженного напряжения.


Рис. 3 Компаратор на базе LM311 имеет
выход с открытым коллектором — щелкните изображение, чтобы увидеть его в полном размере.

Как правило, для входов компаратора с выходами с открытым коллектором, таких как LM339 или LM311 (не для схемы LM358):

Ток БУДЕТ течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе MINUS выше, чем напряжение на входе PLUS.

Ток НЕ БУДЕТ течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе МИНУС ниже, чем напряжение на входе ПЛЮС.

На рис. 4 используется компаратор LM311, специально разработанный для использования ТОЛЬКО в качестве компаратора — все внешние части на рис. 3 за вычетом цепи светодиода, потенциометра и стабилитрона. Его обратная связь и входные резисторы являются внутренними. Работает аналогично схеме LM358.

Внешний резистор 4,7 кОм используется для взаимодействия с цифровой логикой, создавая ВЫСОКОЕ или 12 Вольт на выходе, когда LM311 выключен. Так цифровые схемы «общаются» с резистивными датчиками. Установка Vref на известную точку и проверка вывода сообщают нам, когда Vin больше, чем Vref.


Рис. 4 Сигнализация перенапряжения компаратора LM339
с использованием оптрона для подачи звукового сигнала — щелкните изображение, чтобы увидеть его в полном размере.

На рис. 5 мы используем один из четырех счетверенных компараторов LM339 для подачи звукового сигнала, если Vin становится слишком высоким из-за того, что напряжение Vcc превышает 12 вольт. LM339 равен 4 LM311 в одном корпусе с общим питанием и подключениями GRD для всех 4 компараторов. См. Рис. 1 выше.

Эта схема полезна, скажем, в регуляторе автомобильной системы зарядки, который не сбрасывает чрезмерное напряжение в систему, разрушая аккумулятор и электронику.Здесь я использовал оптопару 4N25 для управления зуммером или звуковым сигналом малой мощности — токовая нагрузка на выходе компаратора мала, в то время как оптопара намного выше.

См. Спецификацию LM339.


Рис. 5 Управляющее реле компаратора LM339 с внешним PNP-транзистором
— щелкните изображение, чтобы увидеть его в полном размере.

На рис. 6 мы используем внешний биполярный транзистор PNP для управления реле. Когда выход с открытым коллектором компаратора включен, ток течет через резистор 1K и переход база-эмиттер, включая транзистор, замыкая цепь для реле K1 и светодиодного индикатора.


Рис. 6 Компаратор LM339 использует фотоэлемент
из CdS для управления ночным освещением — щелкните изображение, чтобы увидеть его в полном размере.

Теперь мы используем LM339 для создания «ночника». Стабилитрон был заменен фотоэлементом CdS, сопротивление которого уменьшается пропорционально увеличению уровня освещенности. Поскольку сопротивление R2 уменьшается при дневном свете, Vref выше, чем Vin, поэтому компаратор выключен.

Когда уровень освещенности падает, R2 увеличивает сопротивление, а Vref падает ниже Vin, включая реле через оптопару для включения света или что-то еще.Та же самая схема PNP на рис. 6 также будет работать. Используйте горшок 10K, чтобы установить точку срабатывания.

В качестве заключительной ноты R1 и R2 можно поменять местами для противоположного эффекта. Скажем, выключайте вентилятор в теплице, когда садится солнце. Фотоэлемент можно заменить термистором для измерения температуры.

Домашняя страница Hobby Electronics и домашняя страница для веб-мастеров (Off site.)

Ардуино

Другие схемы

Цепи компаратора напряжения

by Lewis Loflin

На этой странице представлена ​​основная информация о компараторе напряжения. интегральных схем и должен действовать как справочный материал для других схем.В Показанные схемы основаны на четырехканальном компараторе напряжения LM339 или LM393. Двойной компаратор напряжения. Эти устройства функционально идентичны. В Компаратор напряжения LM311 может также использоваться для этих приложений, а также имеет ряд уникальных особенностей.

Здесь я сосредоточусь на примерах, не представленных в моем Руководстве по примерам схем компаратора. Я хотел бы поблагодарить Роба Пейсли за его тяжелую работу и вдохновение.

Видео на YouTube: Введение в схемы компаратора

См. Мою страницу Просмотр схем оконного компаратора


Фиг.1 Внутренние соединения 1/4 четвертого компаратора
LM339.
Щелкните изображение, чтобы увеличить.

На рис. 1 показана внутренняя эквивалентная схема одиночного компаратора в счетверенном компараторе LM339. (См. Внутренние соединения корпуса для LM339.) Он состоит из операционного усилителя с выходным транзистором с открытым коллектором.


Рис. 2 Компаратор
на базе LM741 использует биполярный источник питания — щелкните изображение, чтобы увидеть его в полном размере.

На рис. 2 показано использование схемы компаратора операционного усилителя LM741.Это требует двухполюсного источника питания и создает ряд проблем. Мы можем использовать операционный усилитель LM358 с однополярным питанием. К счастью, все LM339, LM393 и LM311 представляют собой компараторы с однополярным питанием и выходами с открытым коллектором.

Все они работают одинаково: когда напряжение на опорном входе больше входного напряжения, выход включается или выключается.


Рис. 3 Неинвертирующий компаратор.

Рис. 4 Инвертирующий компаратор.

Фиг.5 Функциональный эквивалент LM339.

LM311 отличается от LM339 и LM393 тем, что эмиттер выходного транзистора должен быть заземлен снаружи.

В случае LM358 или LM741 он выдает напряжение, в то время как открытый коллектор включается, создавая путь к земле — электронный переключатель ВКЛ-ВЫКЛ.

Еще раз повторить правило для входов компаратора с выходами с открытым коллектором:

Ток БУДЕТ течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе MINUS выше, чем напряжение на входе PLUS.

Ток НЕ БУДЕТ течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе МИНУС ниже, чем напряжение на входе ПЛЮС.


Фиг.6

Гистерезис

Гистерезис определяется как:

При медленном изменении входного сигнала могут появиться колебания на выходе, пока входной сигнал остается близким к опорному напряжению. Также сигнал низкой амплитуды на высоком импедансе может вызывают колебания из-за шумового фона.Такое нежелательное поведение можно решить с помощью гистерезис. Принцип гистерезиса состоит из двух различных входных пороговых напряжений. в зависимости от фактического состояния выхода.

Рис. 7 Триггер Шмитта на основе компаратора.

На рис. 7 показан триггер Шмитта на основе компаратора, который используется для обеспечения четкого переключения с зашумленными или нестабильными сигналами. Когда входное напряжение на TP2 меньше TP1, компаратор находится в состоянии ВЫКЛ. TP3 подтягивается почти до 12 вольт резистором R4 3 кОм.


Рис. 8

Рис. 8 иллюстрирует, как, когда компаратор выключен, R4 и R1 образуют последовательность 30K, которая параллельна R2, смещающему TP1 (Vref) до 6,56 вольт.

Без R1 Vref было бы 6 вольт.


Рис. 9

Когда компаратор включен, TP3 переключается на землю через внутренний транзистор с открытым коллектором, где резистор R1 47 кОм теперь включен параллельно резистору R3 10 кОм, образуя общее сопротивление 8245 Ом. Это снижает Vref на TP1 до 5.36 вольт.

Для включения компаратора требуется 6,56 В на Vin, но для выключения напряжение должно упасть до 5,36 В. Это обеспечивает коммутационный промежуток или значение гистерезиса ~ 1,2 В, что обеспечивает стабильную работу.


Рис. 9 Инвертирующий компаратор операционного усилителя LM358.
Щелкните изображение, чтобы увеличить.


Рис. 10 Схема компаратора фотоэлемента включается в темноте.

Самые популярные видео и веб-страницы

Другие схемы

% PDF-1.1 % 1 0 объект [/ CalRGB > ] эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 объект > эндобдж 5 0 объект > транслировать 0 0 0 0 0 0 d1 конечный поток эндобдж 6 0 объект > транслировать 666 0 98-4 470 705 d1 263 0 месяцев 471 0 л 471 701 л 309 701 л 292 595 232 556 102 554 c 102 408 л 263 408 л 263 0 л ж конечный поток эндобдж 7 0 объект > транслировать 666 0 26 0 613 721 d1 27 0 мес. 620 0 л 620 172 л 301 172 л 361 222 421 252 471 282 c 570 342 622 387 622 494 в 622 628 514 721 340 721 c 153 721 40 617 40 444 в 40 438 41 431 41 424 в 229 424 л 229 436 л 229 521 262 563 329 563 c 382 563 415 530 415 474 в 415 402 335 375 223 297 c 92 206 26 122 26 17 в 26 11 27 6 27 0 в ж конечный поток эндобдж 8 0 объект > транслировать 666 0 33-20 619 721 d1 33 248 кв.м. 33 234 л 33 79 145-20 323-20 в 517-20 628 73 628 223 в 628 304 596 355 532 380 c 583 408 610 454 610 517 в 610 637 507 721 339 721 c 166 721 54 627 51 485 в 242 485 л 245 537 276 562 334 562 c 385 562 413 539 413 497 c 413 449 375 425 299 425 в 285 425 л 285 304 л 302 304 л 381 304 418 283 418 227 в 418 174 386 145 329 145 в 263 145 230 179 228 248 c 33 248 л ж конечный поток эндобдж 9 0 объект > транслировать 776 0 37-20 747 738 d1 530 279 кв.м. 523 202 479 160 409 160 c 316 160 268 228 268 359 c 268 492 312 558 403 558 c 476 558 517 520 524 447 в 743 447 л 729 633 607 738 400 738 c 177 738 37 594 37 359 в 37 125 176-20 405-20 в 610-20 734 90 747 279 в 530 279 л ж конечный поток эндобдж 10 0 объект > транслировать 667 0 72 0 616 719 d1 72 0 мес. 315 0 л 315 253 л 578 253 л 578 427 л 315 427 л 315 538 л 645 538 л 645 719 л 72 719 л 72 0 л ж конечный поток эндобдж 11 0 объект > транслировать 832 0 70 0 747 719 d1 70 0 мес. 306 0 л 306 279 л 526 279 л 526 0 л 762 0 л 762 719 л 526 719 л 526 475 л 306 475 л 306 719 л 70 719 л 70 0 л ж конечный поток эндобдж 12 0 объект > транслировать 667 0 71 0 616 719 d1 71 0 месяцев 640 0 л 640 191 л 312 191 л 312 719 л 71 719 л 71 0 л ж конечный поток эндобдж 13 0 объект > транслировать 944 0 68 0 876 719 d1 276 0 месяцев 276 347 л 276 374 275 418 273 480 c 283 428 292 383 302 344 в 392 0 л 552 0 л 641 352 л 647 376 658 419 671 480 c 670 415 670 372 670 354 в 668 0 л 876 0 л 876 719 л 596 719 л 494 359 л 489 342 481 307 471 255 c 457 316 450 351 448 360 c 348 719 л 68 719 л 68 0 л 276 0 л ж конечный поток эндобдж 14 0 объект > транслировать 777 0 10 0 724 719 d1 10 719 кв.м. 266 0 л 510 0 л 766 719 л 526 719 л 388 255 л 260 719 л 10 719 л ж конечный поток эндобдж 15 0 объект > транслировать 667 0 40-19 627 550 d1 421 0 месяцев 626 0 л 626 15 л 612 25 604 41 604 60 в 604 356 л 604 427 592 467 538 505 c 503 529 432 550 338 550 c 158 550 65 488 63 369 c 262 369 л 266 405 288 422 331 422 c 380 422 405 409 405 378 c 405 329 362 334 263 321 в 111 301 40 268 40 150 в 40 43 105-19 222-19 в 297-19 356 3 409 51 в 421 0 л час 403 237 кв.м. 404 228 404 219 404 210 c 404 140 375 108 306 108 c 268 108 248 126 248 156 в 248 207 308 200 403 237 в ж конечный поток эндобдж 16 0 объект > транслировать 667 0 56-19 637 719 d1 56 0 мес. 241 0 л 241 65 л 286 8 342-19 412-19 в 544-19 637 90 637 263 в 637 436 545 546 409 546 c 351 546 301 522 259 475 c 259 719 л 56 719 л 56 0 л час 257 260 кв.м. 257 343 285 383 343 383 в 401 383 428 343 428 260 c 428 181 395 137 343 137 c 291 137 257 181 257 260 c ж конечный поток эндобдж 17 0 объект > транслировать 666 0 29-19 636 550 d1 417 157 кв.м. 407 129 379 113 338 113 c 277 113 242 151 240 219 c 636 219 л 636 232 л 636 432 522 550 334 550 c 145 550 29 439 29 261 c 29 92 142-19 326-19 в 490 -19 590 42 619 157 в 417 157 л час 240 325 м 243 388 277 424 332 424 в 392 424 424 391 428 325 c 240 325 л ж конечный поток эндобдж 18 0 объект > транслировать 668 0 32-214 612 545 д1 66-57 кв.м. 80 -155 169 -214 318 -214 в 530-214 611 -144 611 41 в 611 531 л 427 531 л 427 462 л 386 519 330 545 255 545 в 122545 32 439 32 264 c 32 101 124-5 265-5 в 327-5 376 12 411 47 в 411 18 л 411-63 402-93 333-93 в 296-93 277-83 272-57 в 66-57 л час 239 269 кв.м. 239 349 266 389 322 389 в 378 389 410 346 410 268 в 410 184 384 143 322 143 в 265 143 239 185 239 269 в ж конечный поток эндобдж 19 0 объект > транслировать 667 0 56 0 616 719 d1 56 0 мес. 262 0 л 262 274 л 262 346 287 381 339 381 c 396 381 409 348 409 275 в 409 0 л 615 0 л 615 276 л 615 368 612 433 572 481 c 537 524 488 545 421 545 в 357 545 304 521 262 474 c 262 719 л 56 719 л 56 0 л ж конечный поток эндобдж 20 0 объект > транслировать 335 0 61 0 272 737 d1 61 0 месяцев 272 0 л 272 531 л 61 531 л 61 0 л час 61 585 кв.м. 272 585 л 272 737 л 61 737 л 61 585 л ж конечный поток эндобдж 21 0 объект > транслировать 335 0 61 0 272 719 d1 61 0 месяцев 272 0 л 272 719 л 61 719 л 61 0 л ж конечный поток эндобдж 22 0 объект > транслировать 999 0 56 0 949 546 d1 56 0 мес. 258 0 л 258 285 л 258 347 283 379 329 379 в 381 379 401 348 401 277 c 401 0 л 603 0 л 603 282 л 603 348 625 379 676 379 c 726 379 745 349 745 284 c 745 0 л 948 0 л 948 362 л 948 478 878 546 756 546 в 680 546 622 516 573 453 в 534 517 487 545 418 545 в 345 545 289 516 243 453 в 243 531 л 56 531 л 56 0 л ж конечный поток эндобдж 23 0 объект > транслировать 667 0 29-19 629 550 d1 29 266 кв.м. 29 90 144-19 334-19 в 523-19 638 90 638 266 в 638 442 523 550 334 550 c 144 550 29 442 29 266 c час 245 266 кв.м. 245360 269 403 334 403 в 399 403 423 360 423 266 c 423 172 399 128 334 128 c 269 ​​128 245 172 245 266 в ж конечный поток эндобдж 24 0 объект > транслировать 668 0 57 -213 639 545 d1 57-213 кв.м. 259-213 л 259 50 л 296 3 343-18 407-18 в 547-18 639 91 639 264 в 639 435 544 545 411 545 в 336 545 283 520 242 463 в 242 531 л 57 531 л 57-213 л час 431 264 кв.м. 431 184 401 144 345 144 c 288 144 259 184 259 264 в 259 348 285 387 347 387 в 404 387 431 347 431 264 c ж конечный поток эндобдж 25 0 объект > транслировать 444 0 56 0 425 545 d1 56 0 мес. 263 0 л 263 218 л 263 300 300 337 383 337 в 396 337 409 336 425 334 в 425 545 л 406 545 л 323 545 273 512 246 434 в 246 531 л 56 531 л 56 0 л ж конечный поток эндобдж 26 0 объект > транслировать 609 0 31-19 580 550 d1 31 167 кв.м. 40 43 129-19 300-19 в 485-19 580 44 580 165 в 580 280 507 309 350 345 c 285360250360250 398 c 250 421 269 435 306 435 c 344 435 370 414 373 383 в 562 383 л 549 493 463 550 304 550 c 133 550 45 488 45 375 в 45 263 120 234 284 199 в 342 186 372 182 372 144 c 372 116 348 100 303 100 в 258 100 235 122 235 167 в 31 167 л ж конечный поток эндобдж 27 0 объект > транслировать 445 0 17-9 403 695 d1 312 197 кв.м. 312 409 л 415 409 л 415 531 л 312 531 л 312 695 л 94 695 л 94 531 л 17 531 л 17 409 л 94 409 л 94 143 л 94 28 145-9 281-9 в 323-9 369-7 417-4 в 417 149 л 405 148 395 148 386 148 в 333 148 312 159 312 197 c ж конечный поток эндобдж 28 0 объект > транслировать 666 0–12 0 607 531 d1 -12 0 мес.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.