5. KOMPARÁTORY


Napěťové komparátory jsou obvody, u kterých se na výstupu objeví signál při dosažení rovnosti hodnot napětí vstupního a referenčního. Výstupní signál nemusí být v žádném okamžiku podobný signálu vstupnímu.


    1. Komparátory bez hystereze


Komparace dvou nezávislých napětí je jednou z nejčastěji užívaných aplikací operačních zesilovačů. Výstup komparátoru přináší jednobitovou informaci, které ze dvou vstupních napětí je vyšší. Takovéto vlastnosti splňuje jednoduchý komparátor bez zpětné vazby naznačený na obr.7

obr.7: Komparátor bez hystereze a jeho stabilní charakteristika

(Modrá char. odpovídá zapojení vstupů podle symbolů ve schématické značce, červené symbolům v závorkách)


Změna logického stavu na výstupu nastane při prahovém napětí

Charakteristika je jednoznačnou funkcí. (Modrá i červená čára prochází jedním napětím UR).

Vzhledem k tomu, že se jedná o obvod impulsní, jsou předepsány zpravidla požadavky na maximální rychlost změny výstupního napětí při komprimaci. Parametr, který bezprostředně ovlivňuje rychlost překlopení je rychlost přeběhu S[V/s]. Mimo běžné operační zesilovače, jejich rychlost průběhu bývá malá, existují speciální OZ, které mají vysokou rychlost průběhu a proto jsou využívány výhradně pro komparační účely. Některé typy OZ mají dokonce výstupní napětí v úrovních logiky TTL.


    1. Komparátory s hysterezí


Komparátory s hysterezí jsou užívány v těch případech, kdy považujeme odstranit vliv působení rušivých signálů na přesnost komparace a zamezit kmitání komparátoru při pomalých změnách vstupního napětí. Zavedení hystereze znamená zavedení kladné zpětné vazby z výstupu komparátoru na jeho vstup. Podle způsobu zavedení zpětné vazby rozlišujeme invertující a neinvertující zapojení komparátorů.





      1. KOMPARÁTORY S KLADNOU ZPĚTNOU VAZBOU


Na obr.8 je naznačena modifikace obr.7, zavedením kladné zpětné vazby. Vzniklý obvod má výraznou nelinearitu a dvojznačnou statickou charakteristiku.

obr.8: Invertující komparátor s kladnou zpětnou vazbou


Zpětnovazební rezistory R1 a R2 jsou zapojeny do neinvertujícího vstupu – jedná se tedy o kladnou zpětnou vazbu. Na výstupu se proto může vyskytovat pouze kladné, nebo záporné saturační napětí. Stav obvodu je určen polaritou, amplitudou vstupního signálu a předchozím stavem obvodu.

Na invertující vstup přivedeme záporné napětí ui, pro které platí

Na neinvertujícím vstupu je napětí dané děličem sestaveným z odporů R1, R2, napájený napětím u0, tedy

Toto napětí je kladnější, než napětí na invertujícím vstupu. Na výstupu tedy bude kladné saturační napětí UOS(+).

Jestliže budeme zvyšovat vstupní napětí ui, nebude se stav obvodu měnit, pokud vstupní napětí nepřekročí prahové napětí Uip(+). Toto napětí odpovídá napětí na neinvertujícím vstupu podle rovnice:

Výstupní napětí nyní odpovídá zápornému saturačnímu napětí a do kladné hodnoty saturačního napětí se překlopí, pokud vstupní napětí ui poklesne pod hodnotu určenou záporným prahovým napětím Uip(-)

Statická charakteristika na obr.8 je dvojznačná. Při nulovém napětí na vstupu ui, může být na výstupu kladné, nebo záporné saturační napětí. Jedná se tedy o bistabilní klopný obvod. Obvod bývá rovněž nazýván Schmittův klopný obvod. Při popisu bývá používán termín „hystereze“ h, která je určena vztahem

Hystereze h je určena děličem R1, R2 a velikostí obou saturačních napětí UOS.

    1. Vliv referenčního napětí invertujícího komparátoru na statickou charakteristiku


Zapojením odporu R1 na pomocné referenční napětí UR, vznikne zapojení podle obr.9. Tím se ovšem změní i statická charakteristika obvodu.

obr.9: Invertující komparátor s hysterezí a referenčním napětím (statická charakteristika obvodu)


Pokud bude referenční napětí nulové (UR=0), platí čárkovaná charakteristika a prahová napětí budou Uip(+) a Uip(-).

Pro nenulové referenční napětí, se prahové hodnoty změní na Uip1(+) a Uip1(-).

Pro UR = 0:

Napětí na invertujícím vstupu bude dáno děličem složeným z odporů R1, R2, napájeného ze zdroje u0:

Pro UR 0:

Na invertujícím vstupu bude napětí, které určíme z obr.10

obr.10 obr.11


obr.10 je možné překresli podle obr.11, a pak platí




Pro prahové napětí Uip1(+) a Uip1(-) tedy platí

Poznámka:

Zavedením referenčního napětí se nemění velikost hystereze komparátoru, ale pouze se posunuje celá charakteristika ve směru osy ui ve smyslu referenčního napětí.


    1. Neinvertující komparátor s kladnou zpětnou vazbou


Neinvertující komparátor je naznačen na obr.12. Tento komparátor má rovněž hysterezní charakteristiku.

obr.12: Neinvertující komparátor s hysterezí


Předpokládejme nejprve: UR = 0

Prahové napětí, pro které podle zákona superpozice ze zdrojů ui a u0 vyvolá na výstupu děliče z odporů R1 a R2 na neinvertujícím vstupu OZ právě nulové napětí. Pro tento uzel platí:

platí

po dosazení pak

napětí ui nahradíme prahovým napětí Uip, výstupní napětí u0 nahradíme saturačním napětím UOS.




V případě kladného prahového napětí můžeme psát

odtud vynásobením hodnotou odporu R1, určíme kladné prahové napětí

Pro záporné prahové napětí bude platit

z toho

Dále budeme předpokládat: UR 0

Protože platí

můžeme pro proudy i1 a i2 psát

Dále platí:

napětí ui opět nahradíme prahovým napětím Uip a výstupní napětí saturačním napětím UOS

Pak lze psát:

rozdělíme zlomek vlevo na dva

druhý člen zleva převedeme na pravou stranu

na pravé straně převedeme na spol. jmenovatel

vynásobíme celou rovnici odporem R1

na pravé straně vykrátíme R1



na pravé straně roznásobíme

na pravé straně sloučíme a vytkneme UR, dále pak rozdělíme na dva zlomky

analogicky

Z výsledků je zřejmé, že zavedení referenčního napětí neovlivňuje hysterézi.


    1. Změna hystereze diodami


V některých aplikacích je požadován komparátor s hysterezí a součastně je kladen požadavek, aby jedno prahové napětí bylo nulové. Tyto požadavky je možné splnit výpočtem odpovídajícího napětí UR, lze však problém řešit i použitím diody v kladné zpětné vazbě podle obr.13

obr.13: Změna hystereze komparátoru diodou


Pokud bude na výstupu komparátoru saturační napětí UOS(+), bude dioda D polarizována propustně. Nebudeme-li uvažovat úbytek napětí na diodě, pak se prahové napětí Uip(+) nebude měnit proti stavu bez diody. Bude-li však na výstupu záporné saturační napětí UOS(-), rozpojí se kladná zpětná vazba a komparátor bude komparovat s nulou. Výsledkem bude poloviční hystereze proti původnímu stavu a přesná komparace v nule. Polaritu diody volíme podle toho, kterou polovinu hystereze chceme zachovat.

Podobné vlastnosti má tato modifikace i u neinvertujícího komparátoru.

dlabos.wz.cz