Расчет компаратора на операционном усилителе
18/08/2011 - 20:24
Pavel Bobkov
Введение
Простая схема триггера Шмитта на операционом усилителе имеет симметричные пороговые напряжения относительно нулевой точки и требует для своей работы двуполярное питание. Симметричные пороги ограничивают возможности применения схемы, а двуполярное питание подразумевает использование соответствующего источника, что неудобно, если схема триггера используется совместно с микроконтроллером, напряжение питания которого обычно 5 или 3,3 Вольта.
Существует еще одна схема триггера Шмитта на операционном усилителе, в которой используется однополярное питание и можно задавать отличающиеся друг от друга пороговые напряжения. О расчете такой схемы и пойдет речь в этой статье.
Расчет компаратора
Рассматриваемая схема имеет два устойчивых состояния - когда на выходе операционного усилителя нулевое напряжение и когда на выходе положительное напряжение насыщения (+Usat). Нам нужно разобраться, как рассчитать номиналы резисторов R1, R2 и R3 для произвольно задаваемых верхнего и нижнего порогов.
Принимая во внимание упрощения, используемые при анализе схем на операционных усилителях (бесконечное входное сопротивление и, соответственно, нулевые входные токи, нулевое выходное сопротивление , бесконечный коэффициент усиления без обратной связи, бесконечная полоса пропускания), мы можем перерисовать схему триггера Шмитта, заменив операционный усилитель источником напряжения.
U1 - источник питания операционного усилителя.
U2 - источник напряжения, имитирующий выход операционного усилителя.
Напряжение между точками A и B - это входное напряжение операционного усилителя.
Если воспользоваться методом узловых потенциалов, то можно определить значение этого напряжения. Оно будет равно:
Uab = (U1*g1 + U2*g3)/(g1 + g2 + g3)
где g1, g2, g3 - проводимости ветвей цепи. Проводимость - это величина обратная сопротивлению g = 1/R, если ты не знал или забыл. Измеряется в сименсах.
Подробное рассмотрение метода узловых потенциалов выходит за рамки этой статьи, поэтому просто прими это выражение на веру.
Используя приведеное выше выражение, запишем уравнения, определяющие пороги триггера Шмитта.
при U2 = 0
Uab = Ult = U1*g1 /(g1 + g2 + g3)
при U2 = +Usat
Uab = Uht = (U1*g1 + Usat*g3)/(g1 + g2 + g3)
Ult, Uht - нижнее и верхнее пороговые напряжения. Эти значения мы задаем. U1 и Usat - напряжение питания и насыщения соответственно.
Все, что теперь от нас требуется - решить эту систему из двух уравнений, задав значение одного из резисторов, например R3. Выполнить эти вычисления вручную несложно, но довольно муторно. Нужно выразить из первого уравнения g1, подставить это выражение во второе, выразить g2 через g3, а затем последовательно вычислить значения резисторов.
Лично я предпочитаю использовать для расчета компаратора Маткад. Он позволяет изменять любые параметры схемы и тут же получать ответ. Это удобно, когда требуется подобрать значения резисторов соответствующих номинальному ряду, например Е24.
Ниже приведен пример расчета компаратора на операционном усилителе.
Фактическое значение задается только для резистора R3, для резисторов R1 и R2 задаются только начальные значения. Сам маткадовский файл для расчета приведен в конце статьи.
Несколько слов по поводу выбора номиналов резисторов.
Номиналы резисторов должны быть достаточно большими, чтобы не нагружать источник питания и выход операционного усилителя и достаточно маленькими, чтобы входное сопротивление реального операционного усилителя оказывало как можно меньшее влияние на наши расчеты. В схемах, которые мне доводилось применять, я обычно задавал сопротивление обратной связи от 10 до 100 кОм. Получаемые расчетные значения двух других резисторов были ~от 10 кОм до 2 МОм.
Также не следует забывать, что все резисторы имеют разброс номинала и это в какой-то мере будет влиять на реальные значения пороговых напряжений.
Ну вот собственно и все, что я хотел поведать по этой теме. Надеюсь материал пригодится начинающим электронщикам.
Comments
У меня при введении номиналов резисторов и напряжений из твоего примера, значения напряжений порогов получились 2,4444В и 2,5333В, у тебя же 1В и 2В. Помоги, плис, что не так?
R1 = U1 * R3 * (Uht / Ult - 1) / Usat;
R2 = R1 / (U1 / Ult - R1 / R3 - 1).
1) Какие максимальные частоты можно использовать таким компаратором? Или это зависит от ОУ? сколько может съесть он, столько же и компаратор?
2) Можно ли, чтобы уровни сигнала были 0 и 5В? Предполагаю на вход такого компаратора подать синус, в пиках которого будет 0 и 5В, а выход хочу подключить к D-триггеру, чтобы частоту поделить. И вот думаю, будет ли корректно работать схема счетчика, если на нее будет приходить не от 0 до 5В, а от 0 до 4В, как посчитано тут?
2) Нужно смотреть какой усилитель. В описании обычно оговаривается диапазон входных напряжений. Lm358 в максимуме позволяет это делать, а в номинальном режиме входное напряжение должно быть меньше напряжения питания на 1.5-2 вольта. Если поставить ограничительные диоды, то в принципе можно. Насчет выходного напряжения - нужно взять описание на счетчик и посмотреть минимальный уровень логической единицы для него.
А ведь есть уже готовый триггер Шмитта уже зашитый в корпус (например DIP14). Я так понимаю, что там уже не надо ничего расчитывать? Просто взять описание, посмотреть уровни напряжений и подобрать свой?
Схема Триггера Шмитта, изображенная в самом начале это какой то вариант с разными задаваемыми порогами, или Мультивибратор?
Обозначения смущают что то....
Вопрос по теме, не смог разобраться:
Как найти напряжение на выходе с уже известными сопротивлениями и напряжениями на входах?
На примере найденных значений.
В прошлой статье об этом вскользь, не могу нигде найти.
RSS feed for comments to this post