Karşılaştırıcı Yükselteç (OPAMP) / Op-amp Comparator

Op-amp karşılaştırıcısı, bir analog voltaj seviyesini başka bir analog voltaj seviyesi veya önceden ayarlanmış bir referans voltajı olan VREF ile karşılaştırır ve bu voltaj karşılaştırmasına dayalı olarak bir çıkış sinyali üretir. Başka bir deyişle, op-amp voltaj karşılaştırıcısı, iki voltaj girişinin büyüklüklerini karşılaştırır ve ikisinin en büyüğünün hangisi olduğunu belirler.

Önceki öğreticilerde, işlemsel yükselticinin, çeşitli farklı işlevleri yerine getiren lineer bölgedeki çıkış sinyalinin büyüklüğünü kontrol etmek için negatif geri besleme ile kullanılabileceğini görmüştük. Ayrıca standart işlemsel yükselticinin açık döngü kazancı AO ile karakterize edildiğini ve çıkış voltajının şu ifadeyle verildiğini gördük: VOUT = AO(V+ – V-) burada V+ ve V-, olmayan voltajlara karşılık gelir.

Öte yandan voltaj karşılaştırıcıları, çıkışını iki doymuş durum arasında değiştirmek için ya pozitif geri besleme kullanır ya da hiç geri besleme yapmaz (açık döngü modu). Çünkü açık döngü modunda amplifikatörün voltaj kazancı temel olarak AVO’ya eşittir. Ardından bu yüksek açık döngü kazancı nedeniyle karşılaştırıcıdan gelen çıkış, önceden belirlenmiş bir eşik değerini geçen değişken giriş sinyali uygulamasında ya tamamen pozitif besleme rayına, +Vcc’ye ya da tamamen negatif besleme rayına, -Vcc salınır.

Açık çevrim op-amp karşılaştırıcısı, doğrusal olmayan bölgesinde çalışan bir analog devredir. Çünkü iki analog girişteki değişiklikler, V +ve v – tetiklemenin iki olası çıkış durumuna sahip olmasına neden olduğu için dijital bistable bir cihaz gibi davranmasına neden olur.

Aşağıdaki temel op-amp voltaj karşılaştırıcı devresini düşünün.

Op-amp Karşılaştırıcı Devresi

Karşılaştırıcı
Op-amp Karşılaştırıcı Devresi

Yukarıdaki op-amp karşılaştırıcı devresine atıfta bulunarak, önce VIN’nin VREF’deki DC voltaj seviyesinden daha düşük olduğunu varsayalım ( VIN < VREF ). Karşılaştırıcının evirmeyen (pozitif) girişi, ters çeviren (negatif) girişten daha az olduğundan, çıkış DÜŞÜK olacaktır. Negatif besleme geriliminde -Vcc, çıkışın negatif doygunluğuna neden olur.

VIN değerini, ters çeviren girişteki VREF referans voltajından daha büyük olacak şekilde artırırsak, çıkış voltajı hızla pozitif besleme voltajına doğru yükselir, +Vcc çıkışın pozitif doygunluğuna neden olur. VIN giriş voltajını, referans voltajdan biraz daha az olacak şekilde tekrar düşürürsek, op-amp’in çıkışı, bir eşik detektörü görevi gören negatif doyma voltajına geri döner.

Daha sonra op-amp voltaj karşılaştırıcısının çıkışı, ters çevirmeyen girişteki voltaj daha büyük olduğunda çıkış YÜKSEK olduğu için bazı DC voltaj seviyelerine göre VIN giriş voltajının değerine bağlı olan bir cihaz olduğunu görebiliriz. ters çevirme girişindeki voltajdan daha düşük ve ters çevirmeyen giriş, ters çevirme giriş voltajından düşük olduğunda DÜŞÜK. Bu koşul, giriş sinyalinin karşılaştırıcının evirici veya evirmeyen girişine bağlı olup olmadığına bakılmaksızın doğrudur.

Çıkış voltajının değerinin tamamen op-amp güç kaynağı voltajına bağlı olduğunu da görebiliriz. Teoride, op-amp’lerin yüksek açık döngü kazancı nedeniyle, çıkış voltajının büyüklüğü her iki yönde de sonsuz olabilir (±∞). Bununla birlikte, pratik olarak ve bariz nedenlerden dolayı, VOUT = +Vcc veya VOUT = -Vcc veren op-amp besleme rayları ile sınırlıdır.

Temel op-amp karşılaştırıcısının giriş voltajını önceden ayarlanmış bazı DC referans voltajıyla karşılaştırarak pozitif veya negatif voltaj çıkışı ürettiğini daha önce söylemiştik. Genel olarak bir karşılaştırıcının giriş referans voltajını ayarlamak için dirençli bir voltaj bölücü kullanılır. Ancak gösterildiği gibi değişken bir referans voltajı için bir pil kaynağı, zener diyot veya potansiyometre kullanılabilir.

Karşılaştırıcı Referans Voltajları

Karşılaştırıcı
Karşılaştırıcı Referans Voltajları

Teoride, karşılaştırıcı referans voltajı 0v ile besleme voltajı arasında herhangi bir yere ayarlanabilir. Ancak kullanılan op-amp karşılaştırıcısına bağlı olarak gerçek voltaj aralığında pratik sınırlamalar vardır.

Pozitif ve Negatif Gerilim Karşılaştırıcılar

Temel bir op-amp karşılaştırıcı devresi, işlemsel yükselticinin hangi girişini sabit referans voltaj kaynağına ve giriş voltajına bağladığımıza bağlı olarak, pozitif veya negatif giden bir giriş voltajını algılamak için kullanılabilir. Yukarıdaki örneklerde, evirmeyen girişe bağlı giriş gerilimi ile referans gerilimini ayarlamak için evirici girişi kullandık.

Ancak aynı şekilde karşılaştırıcının girişlerini, çıkış sinyalini yukarıda gösterilene ters çevirerek diğer yoldan bağlayabiliriz.

Pozitif Gerilim Karşılaştırıcı

Pozitif voltaj karşılaştırıcısının temel konfigürasyonu, aynı zamanda ters çevirmeyen bir karşılaştırıcı devresi olarak da bilinir, giriş sinyali VIN’in referans voltajdan YÜKSEK veya daha pozitif olduğunu algılar, VREF, VOUT’ta gösterildiği gibi YÜKSEK bir çıkış üretir.

Ters Çevirmeyen Karşılaştırıcı Devre

Karşılaştırıcı

Bu evirmeyen konfigürasyonda, referans voltaj, evirmeyen girişe bağlı giriş sinyali ile operasyonel amplifikatörüneviren girişine bağlanır. İşleri basit tutmak için, potansiyel bölücü ağı oluşturan iki direncin eşit olduğunu varsaydık ve R1 = R2 = R. Bu besleme voltajının yarısı olan sabit bir referans voltajı üretecektir. Yani vcc / 2, giriş voltajı sıfırdan besleme voltajına değişkendir.

VIN, VREF’den büyük olduğunda, op-amp karşılaştırıcı çıkışı, Vcc pozitif besleme rayına doygun hale gelir. VIN, VREF’den küçük olduğunda, op-amp karşılaştırıcı çıkışı, gösterildiği gibi, 0v negatif besleme rayında durum değiştirecek ve doyuracaktır.

Negatif Gerilim Karşılaştırıcı

Negatif voltaj karşılaştırıcısının temel konfigürasyonu, aynı zamanda ters çeviren karşılaştırıcı devresi olarak da bilinir, giriş sinyali VIN’in referans voltajdan ALT veya daha negatif olduğunu algılar ve VREF, VOUT’ta gösterildiği gibi YÜKSEK bir çıkış üretir.

Karşılaştırıcı Devresini Ters Çevirme

Karşılaştırıcı

Yukarıdaki pozitif konfigürasyonun tersi olan evirici konfigürasyonda, giriş sinyali evirici girişe bağlıyken referans voltajı işlemsel yükselticinin evirmeyen girişine bağlanır. Daha sonra VIN, VREF’den küçük olduğunda, op-amp karşılaştırıcı çıkışı, Vcc pozitif besleme rayına doygun hale gelecektir.

Aynı şekilde bunun tersi de geçerlidir. VIN, VREF’den büyük olduğunda, op-amp karşılaştırıcı çıkışı durumu değiştirecek ve 0v negatif besleme rayına doğru doygun hale gelecektir.

Ardından, sinyal ve referans voltajı için hangi op-amp girişlerini kullandığımıza bağlı olarak, EVİREN veya EVİRMEYEN bir çıkış üretebiliriz. Bir pencere karşılaştırıcı devresi üretmek için yukarıdaki iki op-amp karşılaştırıcı devresini birleştirerek, negatif veya pozitif giden bir sinyali algılama fikrini bir adım daha ileri götürebiliriz.

Pencere Karşılaştırıcı

Bir Pencere Karşılaştırıcısı, temel olarak yukarıdaki ters çeviren ve ters çevirmeyen karşılaştırıcıların tek bir karşılaştırıcı kademesinde birleştirilmesidir. Pencere karşılaştırıcısı, bir voltajın önceden ayarlanmış veya sabit bir voltaj referans noktasından daha büyük veya daha düşük olduğunu belirtmek yerine, belirli bir voltaj bandı veya penceresi içindeki giriş voltajı seviyelerini algılar.

Bu sefer yalnızca bir referans voltaj değerine sahip olmak yerine, bir pencere karşılaştırıcısı, bir çift voltaj karşılaştırıcı tarafından uygulanan iki referans voltajına sahip olacaktır. Biri üst voltaj eşiğinin, VREF(UPPER) algılanmasında bir op-amp karşılaştırıcısını tetikleyen ve diğeri, daha düşük bir voltaj eşiği seviyesinin algılanmasında bir op-amp karşılaştırıcısını tetikleyen, VREF(LOWER). Daha sonra bu iki üst ve alt referans voltajı arasındaki voltaj seviyelerine “pencere” denir, dolayısıyla adı.

Yukarıdaki voltaj bölücü ağ fikrimizi kullanarak, şimdi R1 = R2 = R3 = R olacak şekilde üç eşit değerli direnç kullanırsak, gösterildiği gibi çok basit bir pencere karşılaştırıcı devresi oluşturabiliriz. Ayrıca direnç değerlerinin tümü eşit olduğundan, her bir dirençteki voltaj düşüşleri de besleme voltajının üçte birinde, 1/3Vcc’de eşit olacaktır. Bu basit pencere karşılaştırıcı örneğinde kolaylık olması için, üst referans voltajını 2/3Vcc’ye ve alt referans voltajını 1/3Vcc’ye ayarlayabiliriz.

Aşağıdaki pencere karşılaştırıcı devresini düşünün.

Pencere Karşılaştırıcı Devresi

Karşılaştırıcı
Pencere Karşılaştırıcı Devresi

Devrenin ilk anahtarlama koşulu, op-amp A1’in açık kollektör çıkışı ile “KAPALI”, op-amp A2’nin açık kollektör çıkışı, “AÇIK” (batan akım) yani VOUT 0V’a eşittir.

VIN, 1/3Vcc’ye eşit olan VREF(LOWER) alt voltaj seviyesinin altında olduğunda, VOUT DÜŞÜK olacaktır. VIN, bu 1/3Vcc düşük voltaj seviyesini aştığında, ilk op-amp karşılaştırıcısı bunu algılar ve açık kollektör çıkışını YÜKSEK olarak değiştirir. Bu, her iki op-amp’in çıkışlarının aynı anda YÜKSEK olduğu anlamına gelir. Çekme direnci RL üzerinden akım geçmez, bu nedenle VOUT, Vcc’ye eşittir.

VIN artmaya devam ettikçe 2/3Vcc’de üst voltaj seviyesi olan VREF(UPPER)’ı geçer. Bu noktada ikinci op-amp karşılaştırıcısı bunu algılar ve çıkışını DÜŞÜK olarak değiştirir ve VOUT 0V’a eşit olur.

Daha sonra VREF(UPPER) ve VREF(LOWER) (bu örnekte 2/3Vccc – 1/3Vcc olan) arasındaki fark, pozitif giden sinyal için anahtarlama penceresini oluşturur.

Şimdi VIN’in maksimum değerinde ve Vcc’ye eşit olduğunu varsayalım. VIN azaldıkça, çıkışı YÜKSEK olarak değiştiren ikinci op-amp karşılaştırıcısının VREF(UPPER) üst voltaj seviyesini geçer. VIN azalmaya devam ettikçe, ilk op-amp karşılaştırıcısının VREF(LOWER) alt voltaj seviyesini bir kez daha DÜŞÜK olarak değiştirir.

Daha sonra VREF(UPPER) ve VREF(LOWER) arasındaki fark, negatif giden sinyal için pencereyi oluşturur. Böylece, VIN, iki op-amp karşılaştırıcısı tarafından ayarlanan üst ve alt referans seviyelerinin üstünden veya altından geçerken, VOUT çıkış sinyalinin YÜKSEK veya DÜŞÜK olacağını görebiliriz.

Bu basit örnekte, üst açma seviyesini 2/3Vcc’ye ve alt açma seviyesini 1/3Vcc’ye ayarladık (çünkü üç eşit değerli direnç kullandık), ancak giriş eşiklerini ayarlayarak seçtiğimiz herhangi bir değer olabilir. Sonuç olarak, pencere genişliği belirli bir uygulama için özelleştirilebilir.

Çift güç kaynağı kullanırsak ve üst ve alt açma seviyelerini ±10 volt olarak ayarlarsak ve VIN sinüzoidal bir dalga biçimiyse, o zaman bu pencere karşılaştırıcı devresini sinüs dalgasının bir çıkış üretecek sıfır geçiş detektörü olarak kullanabilirdik, YÜKSEK veya DÜŞÜK sinüs dalgası sıfır volt çizgisini pozitiften negatife veya negatiften pozitife her geçtiğinde.

Ortak bir giriş sinyali kullanarak bir dizi farklı op-amp karşılaştırıcıyı birbirine bağlayarak, ancak her bir karşılaştırıcı, besleme boyunca artık tanıdık voltaj bölücü ağımız tarafından ayarlanan farklı bir referans voltajı kullanarak, voltaj seviyelerini tespit etme fikrini daha da ileri götürebiliriz. . Aşağıdaki voltaj seviyesi dedektör devresini düşünün.

Karşılaştırıcı Voltaj Seviye Dedektörü

Karşılaştırıcı

Yukarıdaki gibi, voltaj bölücü ağ, bireysel op-amp karşılaştırıcı devreleri için bir dizi referans voltaj sağlar. Dört referans voltajı üretmek için beş direnç gerekir. Alt direnç çiftindeki bağlantı, eşit değerli dirençler kullanarak besleme voltajının beşte biri olan 1/5Vcc’lik bir referans voltajı üretecektir. İkinci çift 2/5Vcc, üçüncü bir 3/5Vcc çifti ve benzeri, bu referans voltajları sabit bir beşte bir (1/5) miktarıyla aslında Vcc olan 5/5Vcc’ye doğru artar.

Ortak giriş voltajı arttıkça, her bir op-amp karşılaştırıcı devresinin çıkışı sırayla anahtarlanır ve böylece alt karşılaştırıcı A4 ile başlayan ve giriş voltajı arttıkça A1’e doğru yukarıya doğru bağlı LED’i KAPALI konuma getirir. Böylece gerilim bölücü ağdaki dirençlerin değerlerini ayarlayarak karşılaştırıcılar herhangi bir gerilim seviyesini algılayacak şekilde yapılandırılabilir. Voltaj seviyesi tespiti ve gösteriminin kullanımına iyi bir örnek, LED’leri ters çevirerek ve onları VCC yerine 0V’a (toprak) bağlayarak bir pil durumu monitörü için olabilir.

Ayrıca setteki op-amp karşılaştırıcılarının sayısı artırılarak daha fazla tetik noktası oluşturulabilir. Örneğin, zincirde sekiz op-amp karşılaştırıcımız olsaydı ve her bir karşılaştırıcının çıkışını 8’den 3’e hat Dijital Kodlayıcıya beslersek, çok basit bir analogdan dijitale dönüştürücü (ADC) yapabiliriz. analog giriş sinyalini 3-bit ikili koda (0’dan 7) dönüştürür.

Olumlu Geri Beslemeli Op-amp Karşılaştırıcısı

Burada işlemsel yükselteçlerin açık döngü modunda karşılaştırıcılar olarak çalışacak şekilde yapılandırılabildiğini gördük ve giriş sinyali hızlı değişiyorsa veya çok gürültülü değilse bu iyidir. Bununla birlikte, giriş sinyali, VIN’in değişmesi yavaşsa veya elektriksel gürültü varsa, op-amp karşılaştırıcısı, giriş sinyali referansın etrafında gezinirken çıkışını iki doygunluk durumu, +Vcc ve -Vcc arasında ileri geri değiştirerek salınım yapabilir. voltaj, VREF seviyesi. Bu sorunun üstesinden gelmenin ve op-amp’in salınım yapmasını önlemenin bir yolu, karşılaştırıcı çevresinde olumlu geri bildirim sağlamaktır.

Adından da anlaşılacağı gibi, pozitif geri besleme, op-amp’in ters çevirmeyen girişine fazda olan çıkış sinyalinin bir kısmını veya bir kısmını, geri besleme miktarı ile iki direnç tarafından kurulan bir potansiyel bölücü aracılığıyla geri beslemek için bir tekniktir. oranlarıyla orantılıdır.

Bir op-amp karşılaştırıcısı etrafında pozitif geri beslemenin kullanılması, çıkışın herhangi bir seviyede doyma noktasına tetiklendiğinde, çıkış orijinal doyma noktasına geri dönmeden önce giriş sinyali VIN’de önemli bir değişiklik olması gerektiği anlamına gelir. İki anahtarlama noktası arasındaki bu fark, genellikle Schmitt tetikleme devresi olarak adlandırılan şeyi üreten histerezis olarak adlandırılır. Aşağıdaki ters çevirme karşılaştırıcı devresini düşünün.

Histerezisli Op-amp Karşılaştırıcısını Ters Çevirme

Karşılaştırıcı
Histerezisli Op-amp Karşılaştırıcısını Ters Çevirme

Yukarıdaki ters çevirme karşılaştırıcı devresi için, op-amp’in ters çevirme girişine VIN uygulanır. Dirençler R1 ve R2, karşılaştırıcı boyunca bir voltaj bölücü ağ oluşturur ve çıkış voltajının bir kısmı ters çevirmeyen girişte görünerek pozitif geri besleme sağlar. Evirici olmayan girişe geri besleme miktarı, kullanılan iki direncin direnç oranı ile belirlenir ve şu şekilde verilir:

Gerilim Bölücü Denklemi

Karşılaştırıcı
Gerilim Bölücü Denklemi

Burada: β (beta), geri besleme fraksiyonunu belirtmek için kullanılabilir.

Giriş sinyali referans voltajından, VIN < VREF’den düşük olduğunda, çıkış voltajı YÜKSEK, VOH olacaktır ve pozitif doyma voltajına eşit olacaktır. Çıkış YÜKSEK ve pozitif olduğundan, evirmeyen girişteki referans voltajının değeri yaklaşık olarak şuna eşit olacaktır: +β*V, Üst Açma Noktası veya UTP olarak adlandırılır.

Giriş sinyali olarak, VIN arttıkça, bu üst açma noktası voltajına eşit olur, evirmeyen girişteki VUTP seviyesi. Bu, karşılaştırıcı çıkışının DÜŞÜK, VOL ve önceki gibi negatif doyma voltajına eşit hale gelmesine neden olur.

Ancak bu seferki fark, ikinci bir açma noktası voltaj değerinin yaratılmasıdır, çünkü artık ters çevirmeyen girişte şuna eşit bir negatif voltaj belirir: çıkıştaki negatif doyma voltajının bir sonucu olarak -β*V. Ardından giriş sinyali, voltaj karşılaştırıcı çıkışının değişmesi veya orijinal pozitif durumuna geri dönmesi için Alt Açma Noktası veya LTP olarak adlandırılan bu ikinci voltaj seviyesinin altına düşmelidir.

Böylece, çıkış durumu değiştiğinde, evirmeyen girişteki referans voltajının da iki farklı referans voltaj değeri ve iki farklı anahtarlama noktası oluşturarak değiştiğini görebiliriz. Bir nokta Üst Trip Noktası (UTP) olarak adlandırılırken diğerine Alt Trip Noktası (LTP) denir. Bu iki açma noktası arasındaki fark Histerezis olarak bilinir.

Histerezis miktarı, ters çevirmeyen girişe geri beslenen çıkış voltajının geri besleme fraksiyonu β tarafından belirlenir. Pozitif geri beslemenin avantajı, ortaya çıkan karşılaştırıcı Schmitt tetikleme devresinin, op-amp karşılaştırıcı çıkışı yalnızca bir kez tetiklendiğinden, daha temiz bir çıkış sinyali üreten histerezis bandı içinde gürültü veya yavaşça değişen giriş sinyallerinin neden olduğu düzensiz tetiklemeye karşı bağışık olmasıdır.

Yani pozitif çıkış voltajları için VREF = +βVcc, ancak negatif çıkış voltajları için VREF = -βVcc. O zaman gerilim histerezisinin miktarının şu şekilde verileceğini söyleyebiliriz:

Karşılaştırıcı

Giriş ve referans terminallerini gösterildiği gibi değiştirerek dahili histerezisli ters çevirmeyen bir op-amp karşılaştırıcı devresi de üretebiliriz:

Histerezisli Ters Çevirmeyen Op-amp Karşılaştırıcısı

Karşılaştırıcı
Histerezisli Ters Çevirmeyen Op-amp Karşılaştırıcısı

Histerezis grafiğindeki okların üst ve alt açma noktalarında anahtarlama yönünü gösterdiğine dikkat edin.

Gerilim Karşılaştırıcı

741 gibi işlemsel yükselteçleri temel bir karşılaştırıcı devre olarak kullanabilmemize rağmen, bununla ilgili sorun op-amp’lerin yalnızca doğrusal işlem için optimize edilmiş olmasıdır. Bu, giriş terminallerinin hemen hemen aynı voltaj seviyesinde olduğu ve çıkış aşamasının uzun süreler boyunca doymamış doğrusal bir çıkış voltajı üretecek şekilde tasarlandığı yerdir. Ayrıca standart işlemsel yükselteçler, çıkışından evirici girişine negatif geri beslemeli kapalı çevrim uygulamalarda kullanılmak üzere tasarlanmıştır.

Öte yandan, özel bir voltaj karşılaştırıcısı, giriş sinyalleri nispeten küçük bir miktarda farklılık gösterdiğinde, çok yüksek kazancı nedeniyle ağır doygunluğa izin veren doğrusal olmayan bir cihazdır. Bir op-amp karşılaştırıcısı ve bir voltaj karşılaştırıcısı arasındaki fark, standart bir op-amp’in lineer çalışma için optimize edilmiş bir çıkış aşamasına sahip olması nedeniyle çıkış aşamasındadır, bir voltaj karşılaştırıcısının çıkış aşaması ise sürekli doymuş çalışma için optimize edilmiştir. her zaman bir besleme rayına veya diğerine yakın olması ve arada olmaması amaçlanmıştır.

LM311 tekli karşılaştırıcı, LM339 dörtlü karşılaştırıcı veya LM393 çift diferansiyel karşılaştırıcı gibi ticari karşılaştırıcılar, tek veya çift kaynaktan çalışan standart bir IC paketinde gelen voltaj karşılaştırıcılardır. Bu özel voltaj karşılaştırıcıları, bir voltaj karşılaştırıcısı çıkış aşaması için kullanılan transistörler genellikle anahtarlama transistörleri olduğundan, çıkışı bir doymuş durumdan diğerine çok hızlı bir şekilde değiştirmek amacıyla tasarlanmıştır.

Voltaj karşılaştırıcılar, doğrusal bir giriş sinyalini dijital çıkış sinyaline dönüştürdüklerinden, genellikle farklı besleme veya referans voltajlarına sahip iki farklı elektrik sinyalini bağlamak için kullanılırlar. Sonuç olarak, voltaj karşılaştırıcısının çıkış aşaması genellikle gösterildiği gibi gerçek çıkış voltajlarından ziyade açık veya kapalı durumları olan tek bir açık kollektör (veya Tahliye) transistör anahtarı olarak yapılandırılır.

Gerilim Karşılaştırıcı Devresi

Karşılaştırıcı
Gerilim Karşılaştırıcı Devresi