Analogový komparáor 1. Zadání: A. Na předloženém inverujícím komparáoru s hyserezí změře: a) převodní saickou charakerisiku = f ( ) s diodovým omezovačem při zvyšování i snižování vsupního napěí b) zaěžovací charakerisiku H = f (I 2 ) ve vyšší úrovni výsupního napěí Ze změřených charakerisik určee hodnoy paramerů H, L, U H, H, L, R 2,, R výsh a diodového omezovače a porovneje je se skuečnými hodnoami součásek a prvků zapojení B. Na předloženém neinverujícím komparáoru s hyserezí změře: a) převodní saickou charakerisiku = f ( ) se sabilizáorem se ZD při zvyšování i snižování vsupního napěí b) zaěžovací charakerisiku L = f (I 2 ) v nižší úrovni výsupního napěí Ze změřených charakerisik určee hodnoy paramerů H, L, U H, H, L, R 2,, R výsl a sabilizáoru a porovneje je se skuečnými hodnoami součásek a prvků zapojení C. U jednoho ypu komparáoru s hyserezí zobraze na osciloskopu jeho převodní charakerisiku při f =... khz a překreslee ji do grafu. Domácí příprava: Prosuduje princip analogových komparáorů a nakreslee si do laboraorního deníku zapojení inverujícího i neinverujícího komparáoru. Odvoďe všechny příslušné vzahy dle návodu v eoreickém rozboru úlohy. Doporučená lieraura: Kaalog TESLA Seifar,M.: Polovodičové prvky a obvody na spracovanie spojiých signálov. ALFA, Braislava 1988 Hiller, H.: Operaionsversarker - Schalungen und Anwendungen. VEB Vlg Technik Berlin, 1982 Vedral,J.: Elekronické obvody měřicích přísrojů. Skripum ČVUT-FEL, Praha 1994 Tieze,U., Schenk,Ch.: Halbleier-Schalungsechnik. Springer Vlg, Berlin 1993 1
2. Popis měřeného předměu: Měřeným předměem jsou přípravky různých zapojení analogových komparáorů s operačním zesilovačem libovolného ypu, evl. s inegrovaným komparáorem s logickým výsupem (na př. MAC 111 nebo MAC 160). 3. Teoreický rozbor: a) vlasnosí měřeného předměu Diferenční komparáor Operační zesilovač jsme dosud v několika úlohách poznali jako lineární prvek se zápornou zpěnou vazbou. Už při měření ss zesilovače jsme zjisili, že při vyšších vsupních signálech dochází k nasycení (sauraci) výsupu. Budeme-li provozova operační zesilovač bez zpěné vazby, dosaneme komparáor (obr. 35). U d U2 Jeho výsupní napěí bude: Obr. 35 = H (+sa ) pro U d < 0 (sav sepnuo, log.1, H) = L (- sa ) pro U d > 0 (sav vypnuo, log.0, L) U d = -...diferenční (rozdílové) napěí mezi vsupy OZ) Komparáor edy slouží jako indikáor, zda vsupní napěí je věší nebo menší.j. není věší než zvolené napěí referenční (srovnávací, porovnávací, spínací). Výsup je dvouhodnoový (předsavuje logickou funkci sepnuo (max, +sa, log.1, H) - vypnuo (min, -sa, log.0, L) (realizace výroku ano - ne). Příslušná převodní charakerisika komparáoru s běžným operačním zesilovačem je na obr. 36. H Obr. 36 L 2
Při průchodu diferenčního (rozdílového) vsupního napěí nulou se skokem změní výsupní napěí na hodnou opačnou (u OZ kladná nebo záporná saurace). Tao změna proběhne u ideálního OZ okamžiě (obdélníkovým skokem), u reálného zesilovače rychlosí danou rychlosí přeběhu S (SR - Slew Rae). Výsup zesilovače je časo již v inegrované srukuře připojen na převodník úrovně TTL, akže analogový komparáor může přímo spolupracova s logickými obvody. Převodní charakerisika komparáoru s logickým výsupem je na obr. 37. Úroveň výsupu OZ můžeme ovšem upravi sami různými omezovači (na př. diodovými) podle našich speciálních požadavků. H U2L Obr.37 Komparáor s hyserezí (Schmiův obvod) (Schmi - Trigger) Nevýhodou zapojení komparáoru bez zpěné vazby je cilivos na rušivé signály. Při průchodu zašuměného signálu rozhodovací úrovní bude výsupní napěí komparáoru kmia mezi oběma krajními hodnoami (max, min ) ak dlouho, dokud vsupní signál nepřekročí rozhodovací úroveň s určiou rezervou (obr. 38). Tyo oscilace jsou nežádoucí, neboť znemožňují správnou funkci obvodů za komparáorem (falešné impulzy mají za následek na př. chybnou funkci logických obvodů). K odsranění nežádoucích oscilací se zavádí hysereze (srv. hyserezní smyčka) pomocí kladné zpěné vazby. Tao zpěná vazba plní dvě funkce: zavádí hyserezi,.j. polačení nežádoucí cilivosi na šum kolem rozhodovací (překlápěcí) úrovně urychluje překlápění výsupu komparáoru H L H H Obr. 38 Komparáory s hyserezí mohou bý zapojeny jako inverující nebo neinverující. U inverujícího komparáoru odpovídá kladné změně vsupního napěí 3
záporná změna výsupního napěí (Δ >0 Δ < 0), u neinverujícího komparáoru odpovídá kladné změně rovněž kladná změna (Δ > 0 Δ > 0) Inverující kompararáor s hyserezí Na obr. 39 je zapojení inverujícího komparáoru. Kladná zpěná vazba je zavedena pomocí napěťového děliče R 1, R 2. u - H u + L 0 H R1 R 2 U H L Obr. 39 Přivedeme-li na komparáor dosaečně velké záporné napěí, bude = H. Na neinverujícím vsupu (+) bude edy napěí u + určené s využiím principu superpozice při působícím napěí H a Při zvyšování vsupního napěí se výsupní napěí nemění až do okamžiku, kdy diferenční napěí na komparáoru dosáhne nulové hodnoy (U d = - H = 0 j. = H ). V om okamžiku klesne výsupní napěí a U d < 0. Vlivem kladné zpěné vazby skočí výsupní napěí velmi rychle z hodnoy H na hodnou L. Napěí na neinverujícím vsupu u + má nyní hodnou určenou opě pomocí principu superpozice při působícím napěí L a přičemž U d << 0, akže eno sav je sabilní. Další změna výsupního napěí nasane opě eprve ehdy, když diferenční napěí U d = 0,.j. když klesne na hodnou L. V případě, že je = 0 plaí: R1 U R R U U R1 =. R R U 1H 2 H 1 =. L 2 + + L 1 2 1 2 Převodní charakerisika inverujícího komparáoru s hyserezí je na obr. 39 vpravo. Šířka okna převodní charakerisiky udává hyserezi komparáoru U H U = U U H 1H 1 L Řešením sousavy rovnic pro H a L s využiím vzahu pro hyserezi U H vypočíáme ze zvoleného R 1 nejprve R 2 a posléze. Připojíme-li na vsup komparáoru s hyserezí harmonický signál, jehož rozkmi je věší než hysereze, je na výsupu periodický obdélníkový signál, jehož opakovací kmioče je shodný s kmiočem vsupního budicího signálu. Chování inverujícího komparáoru s hyserezí při harmonickém vsupním napěí je znázorněno na obr. 40. 4
H H 0 L L Obr. 40 Neinverující kompararáor s hyserezí Vznikne vzájemnou záměnou signálů na obou vsupech komparáoru (inverujícím, neinverujícím). Vsupní napěí se připojí na odpor R 1, inverující vsup se připojí na pomocné napěí (obr.41). Zapojení připomíná inveror, avšak pozor! uzel odporů R 1, R 2 je na neinverujícím vsupu! Na rozdíl od inverujícího zasilovače se zápornou zpěnou vazbou má komparáor kladnou zpěnou vazbu (paralelní napěťovou). Přivedeme-li na neinverující komparáor dosaečně velké záporné napěí, bude = L. Na neinverujícím vsupu (+) bude napěí u + určené s využiím principu superpozice při působícím napěí L a. Při zvyšování vsupního napěí se výsupní napěí nemění až do okamžiku, kdy = H a diferenční napěí na komparáoru dosáhne nulové hodnoy (U d = - u + = 0, j. = u + ). V om okamžiku vzrose výsupní napěí a U d < 0. Vlivem kladné zpěné vazby skočí výsupní napěí velmi rychle z hodnoy L na hodnou H. Napěí na neinverujícím vsupu u + má nyní hodnou určenou opě pomocí principu superpozice při působícím napěí H a R 2 H R 1 u + u - L 0 H L U H Obr. 41 Budeme-li nyní napěí snižova, překlopí se komparáor opě na hodnou L v okamžiku kdy = L. Vzahy pro překlápěcí úrovně H a L získáme úpravou obou vzahů pro. V případě, že je = 0 plaí: R1 U R U U R1 =. R U 2 1 =. 1L H H 2 L 2 2 5
Převodní charakerisika neinverujícího komparáoru s hyserezí je na obr. 41 vpravo. Hysereze komparáoru U H : U = U U H 1H 1 L S využiím vzahu pro hyserezi U H vypočíáme při zvoleném R 1 odpor R 2 a posléze z jedné rovnice pro i oo napěí. Na obr. 42 je opě znázorněno chování neinverujícího komparáoru s hyserezí pro harmonický vsupní signál. H u 2 H u 1 L L Obr. 42 Úprava výsupního napěí komparáoru Úrovně výsupního napěí je možné upravi několika způsoby symericky nebo nesymericky. Snížení napájecího napěí komparáoru Je vhodné v případech, kdy chceme symerické úrovně výsupního napěí komparáoru. Zde je nuné si uvědomi, že výsupní napěí je vždy nižší než napájecí o úbyek napěí na vniřních členech OZ (cca 1 V) a dále, že výrobce pro každý yp OZ sanoví rozsah jeho napájecího napěí. Použií sabilizáorů se Zenerovými diodami I 0 I 0 R 0 U sa ZD 1 U ZD1 U sa R 0 ZD = U ZD ZD 2 U ZD2 Obr. 43 Obr. 44 Tímo způsobem lze dosáhnou symerických (obr.43) nebo nesymerických (obr.44) výsupních úrovní. 6
Při návrhu sabilizáoru posupujeme ak, že si zvolíme vhodnou velikos proudu proékajícího Zenerovou diodou I 0, aby se její pracovní bod nacházel ve sabilizační nebo propusné oblasi a výsup OZ nebyl přeížen (např. 10 ma). Pak určíme ze sauračního napěí OZ, požadovaného výsupního napěí a proudu velikos sabilizačního odporu R 0. V případě nesymerických výsupních úrovní musíme voli proud I 0 jako kompromis pro oba savy. Použií diodových omezovačů Pro vyvoření libovolných výsupních úrovní můžeme použí diodové omezovače, kde jsou diody předepnuy pomocí dvou zdrojů 1 a 2 (obr.45). Podle obr. 45 plaí: U = U + U U = U U 2H r1 D 2 L r2 D U = U U U = U + U r1 2H D r2 2 L D kde U D je úbyek napěí na diodě v propusném směru (0,6 V) Abychom nemuseli používa další dva samosané zdroje 1, 2 je možné ao napěí získa z napájecího symerického napěí ± U CC pomocí odporového děliče R 1, R 2 a R 3, R 4.Přiom si nejprve zvolíme velikos klidového proudu děličem I D (např. 1 ma). Bude-li na výsupu omezovače napěí H, oevře se dioda D 1 a rezisorem R 2 poeče proud I D + I 0+, kerý na něm má vyvola úbyek napěí 1. Děličem R 3, R 4 eče proud I D a dioda D 2 je zavřená. + U CC I 0+ I D R 1 R 0 D 1 U D R 2 1 U CC Z 1 R U sa D 2 U D 2 R 3 U CC Z 2 I 0- R 4 I D - U CC Obr. 45 Obr. 46 Bude-li na výsupu omezovače napěí L, oevře se dioda D 2 a rezisorem R 3 poeče proud I D + I 0-, kerý na něm má vyvola úbyek napěí 2. Děličem R 1, R 2 eče proud I D a dioda D 1 je zavřená. Dále je řeba si uvědomi, že při použií sabilizáoru nebo omezovače na výsupu komparáoru se zpěná vazba zapojuje až na jejich výsup, ne na výsup OZ. 7
4. Insrukce k posupu měření Ve všech bodech zadání se jedná o běžná měření,kerá byla procvičena na jiných úlohách. Skuečnou převodní charakerisiku komparáoru změříme pro vzrůs i pokles vsupního sejnosměrného napěí s ím, že deailnější proměření provedeme kolem hodno L a H. Pro regulaci ss napěí v širokém rozsahu od napěí -U CC do napěí +U CC využije zapojení podle obr.46. Pro zobrazení převodní charakerisiky komparáoru na osciloskopu je nuné použí režim XY a komparáor vybudi sřídavým signálem vhodné frekvence ak, aby se překlápěl mezi oběma úrovněmi H, L. Frekvenci přiom volíme ak, aby byla mnohem menší než mezní frekvence použiého operačního zesilovače, jinak bude velikos hysereze růs s frekvencí (vlivem mezní rychlosi přeběhu OZ). Výsupní odpor komparáoru určíme ze zaěžovací charakerisiky, sejným způsobem jako u keréhokoliv zdroje, v obou úrovních výsupního napěí H a L. 8