Jämförelsekretsar som använder IC 741, IC 311, IC 339

Grundfunktionen hos en komparatorkrets för att jämföra två spänningsnivåer vid dess ingångsstift och producera en utgång för att visa vilken ingångsspänning som har högre potential än den andra.

I den här artikeln lär vi oss detaljerat hur man korrekt utformar jämförarkretsar med hjälp av populära IC: er som IC 741, IC 311 och IC LM339

Skillnad mellan en komparator och op-förstärkare

IC 741 är ett perfekt exempel på en enda förstärkare, och IC LM311 kan betraktas som ett bra exempel på en dedikerad enda komparator.

Du hittar båda dessa enheter internt med en identisk 'triangel' formad enhetssymbol, som vi normalt känner igen och använder för att rita jämförelsekretsar. Emellertid kan utgångssvaret för dessa två former av komparatorer ha några stora skillnader.

Även om en op-förstärkare och en komparator båda kan konfigureras för att jämföra differentiella signaler vid sina ingångsstift, är huvudskillnaderna mellan de två motsvarigheterna:

• I strömförande tillstånd kommer utmatningen från en op-förstärkare att vara antingen positiv eller negativ, beroende på ingångsstiftets spänningsnivåer, men kan aldrig vara öppen. Däremot kan en komparatorutgång vara antingen öppen eller jordad (negativ) eller flytande.
• En op-förstärkarutgång kan fungera utan upp- eller dra-ner-motstånd, men en komparator kommer alltid att kräva ett externt upp- eller dra-ner-motstånd för att möjliggöra att utgångssteget fungerar normalt.
• En op-förstärkare kan användas för att bygga förstärkarkretsar med hög förstärkning, en komparator kan inte användas för sådana applikationer.
• Utgångsväxlingsresponsen för en op-förstärkare är vanligtvis långsammare jämfört med en komparator IC.

En klassisk jämförarkretsdesign kan ses i följande bild:

Här svarar utgången med en 'hög' digital signal när spänningen vid den icke-inverterande (+) ingången är högre än den inverterande (-) ingången. Motsatt blir utgången till en låg digital signal närhelst den icke-inverterande ingångsspänningen är lägre än den inverterande ingångsspänningen.

Med hänvisning till ovanstående bild kan vi se en standardanslutning av en komparatorkrets med en ingång (den inverterande ingången i detta exempel) konfigurerad med en referensspänning, och den andra ingångsstiftet som är den icke-inverterande ingången ansluten till en insignalspänning .

Under den tid Vin hålls vid lägre spänning än referensspänningen på +2 V, förblir utgången låg vid cirka -10 V. Om Vin ökas strax över +2 V ändras utgången omedelbart tillstånd och blir hög till cirka + 10 V. Denna tillståndsförändring vid utgången från -10 V till +10 V indikerar att Vin har blivit högre än referensen +2 V.

Huvudkomponenten inuti vilken komparator som helst är en op amp-krets, som ställs in på en mycket hög spänningsförstärkning. För att studera hur en jämförare fungerar korrekt kan vi ta exemplet med IC 741, som visas nedan:

Här kan vi se att den inverterande ingången pin2 (-) refereras till jord, eller en 0 V-nivå. En sinusformad signal appliceras på pin3 som är den icke-inverterande ingången till op-förstärkaren. Denna omväxlande varierande sinusformade signal får utgången att växla mellan höga och låga utmatningstillstånd, vilket anges på höger sida av bilden.

När ingången Vin rör sig till och med en millivolt över 0 V-referensen förstärks skillnaden av IC: s interna högförstärkningsförstärkare, vilket får utgången att bli hög vid utgångens positiva mättnadsnivå. Detta tillstånd upprätthålls så länge Vin-signalen förblir över 0 V-referensen.

Så snart signalnivån sjunker en skugga under 0 V-referensen drivs utgången till dess lägre mättnadsnivå. Återigen bibehålls detta tillstånd så länge Vin-insignalen förblir under 0 V-referensnivån.

Ovanstående förklaring och den vågform som presenteras i bilden indikerar tydligt det digitala svaret för utgången för en linjärt varierande insignal.

För normala applikationer behöver referensnivån inte vara 0 V, utan kan vara någon positiv nivå enligt kravet. Och vid behov kan referensen också anslutas antingen till de positiva eller negativa matningslinjerna, medan insignalen matas till den andra ingångsstiftet.

Använda IC 741 som en komparator

I följande exempel kommer vi att lära oss hur man effektivt använd en förstärkare som en komparator

I figuren kan vi se en op amp-krets som arbetar med en positiv referensuppsättning vid dess inverterande ingångsstift (-). Utgången är ansluten med en LED.

Med hjälp av spänningsdelarens nätverksformel kan vi beräkna referensspänningsvärdet på (-) ingångsstift på IC.

Vref = 10 k / 10 k + 10 k x +12 V = +6 V

Eftersom denna referens är associerad med (-) stift på IC, kommer spänningen Vin vid (+) ingången att bli högre än denna referens eller blir mer positiv än referensen, att tvinga utgången Vo att växla till sin positiva mättnadsnivå.

Detta kommer att leda till att lysdioden tänds, vilket indikerar att Vin har blivit mer positiv än referensnivån på +6 V.

Motsatt om den icke-inverterande ingången (+) är konfigurerad som referensstift och Vin appliceras på den inverterande ingången (-), kommer utgången att bli låg så snart Vin-ingången går under referensvärdet, och vice versa.

Detta kommer att få LED-lampan att stängas av omedelbart.

Därför kan lysdioden göras att slå PÅ eller AV för en given insignal genom att ansluta ingångsstiftet på rätt sätt med referensnivån och insignalen.

Använda specialiserade IC-enheter för komparatorer

Normalt fungerar förstärkare bra som komparatorkretsar, men att använda en dedikerad komparator IC fungerar ännu bättre än en op-förstärkare för en komparatorapplikation.

Comparator ICs är särskilt idealiskt utformade för komparatorfunktion och visar ett förbättrat svar, såsom snabbare växling vid utgången mellan de positiva och negativa nivåerna.

Dessa IC har högre immunitet mot buller, och vid många tillfällen kan utgångarna användas direkt för att köra en last.

Låt oss lära oss om några populära IC-jämförare i detalj från följande diskussion.

Jämförelsekrets med IC 311

Figuren ovan visar den interna layouten och utslagsdetaljerna för komparatorn IC 311. IC är utformad för att fungera från en dubbel strömförsörjning också, i intervallet +15 V och -15 V, vilket är en standardkompatibel nivå för alla moderna digitala IC.

Utgångssteget inuti IC har en bipolär transistor med flytande kollektor- och emitterterminaler. Detta innebär att utgången från denna transistor kan konfigureras kan konfigureras på två olika sätt:

1. Genom att lägga till ett uppdragningsmotstånd med kollektorstiftet 7 och jorda emitterstiftet 1 och därefter använda kollektorn som utgång.
2. Genom att ansluta samlaren med den positiva linjen och använda sändaren som utgång.

Transistorutgången kan också användas för att driva ett relä eller en liten belastning som en lampa direkt utan något externt buffertsteg.

IC: n har också en balans och en strobeingång som kan styras med utgången.

Vi diskuterar några användbara tillämpningar av denna IC i följande avsnitt:

Bilden ovan visar hur IC 311 kan konfigureras som en nollkorsningsdetektor komparator för att känna av ingångsspänningen när den korsar nolllinjen.

Den inverterande ingången (-) på 311 kan ses sammanfogad med marken. Under perioden insignalen är på den positiva nivån förblir utgångstransistorn påslagen, vilket skapar en låg (-10 i detta exempel) vid utgången (transistorsamlare).

Så snart insignalen blir negativ eller under 0 V stängs transistorn AV. Detta skapar ett positivt + 10V vid IC-samlarens utgång. Detta gör att vi kan veta när insignalen är över nollnivån och när den har sjunkit under nollnivån.

Nästa bild nedan visar hur IC 311-komparatorn kan användas för att skapa en strobed-krets.

I detta jämförelse-kretsexempel kommer utgångsstiftet 7 att bli högt när pin3-spänningsnivån stiger över pin2-referensen. Men detta kan bara hända när pin6 strobe-ingångsstiftet är lågt eller vid 0 V.

När en hög TTL-strobe appliceras vid basen av transistorn blir pin6 låg, vilket får IC-utgångstransistorn att stängas av och därigenom möjliggör pin7 att gå högt.

Utgången fortsätter att vara hög så länge som TTL-ingången hålls hög, oavsett ingångssignalens tillstånd vid pin3.

Men om TTL-signalen appliceras i strobed-form, svarar utgången på insignalen vid pin3. Enkelt uttryckt förblir utgången låst på högt, såvida inte pin6 slås.

Hur man ansluter ett relä till en komparator

Nästa bild nedan visar hur jämföraren 311 kan användas direkt till kör ett relä .

Här, när spänningsnivån vid ingång pin2 sjunker under 0 V, blir pin3 mer positiv än pin2. Detta gör att den interna transistorns kollektor stängs av, vilket slår på reläet. De reläets kontakter kan anslutas med en tyngre belastning för att utföra en önskad växlingsåtgärd.

Så länge (+) ingången vid pin2 förblir under 0 V, förblir reläet PÅ. Omvänt, när en positiv signal är tillgänglig på pin2, förblir reläet avstängt.

Jämförelsekrets med IC 339

IC 339, även populärt skriven som LM339, är en fyrkomparator IC. Det betyder att den innehåller 4 separata spänningskomparatorer vars ingångar och utgångar på lämpligt sätt avslutas via respektive externa stift i IC-paketet, som visas nedan.

Precis som alla andra komparatorer har varje komparatorblock ett par ingångar och en utgång. När IC drivs genom att applicera spänning över Vcc och jordförsörjningsstift, driver den alla komparatorerna tillsammans. Så även om en enda komparator används, skulle alla andra 3 förbruka lite ström.

Alla komparatorn har exakt identiska egenskaper, därför kan vi analysera någon av dessa för att lära oss den grundläggande komparatorfunktionen.

När en positiv differentiell ingång appliceras över ingångsterminalerna, vilket innebär att skillnaden mellan de applicerade signalerna är positiv, stänger den av utgångstransistorn. Detta gör att utgången visar en öppen krets eller en flytande öppen.

När differentialingången är negativ, det vill säga när skillnaden mellan de applicerade signalerna vid ingångstapparna är negativ, slås den på utgångstransistorn för komparatorn, vilket får utgångsstiften på komparatorn att bli negativ eller vid V-potential.

Med hänvisning till figuren ovan kan vi förstå att när den icke-inverterande (+) ingången på IC används som referensstift, kommer en spänning lägre än denna referens vid den inverterande ingångsstiftet (-) att resultera i utgången från för att bli öppen. Å andra sidan, om (-) används som referensstift, kommer en spänningsnivå vid (+) ingången högre än referensen att få utgången att bli negativ eller vid V-

För att lära sig hur IC 339 fungerar som en komparator, visar följande exempel IC som en nollkorsningsdetektor.

I det ögonblick som insignalen stiger över 0 V, vrids utgången högt på V + -nivån. Utgången stängs bara av vid V- medan ingången hålls under 0 V.

Som tidigare förklarats behöver referensnivån inte vara 0 V, den kan ändras till vilken annan önskad nivå som helst. Dessutom kan du också använda den andra ingångsstiftet (+) som referensstift och (-) ingångsstiftet som signalingången för att acceptera den varierande insignalen.

Fördelen med att ha en flytande effekt i Comparator ICs

Som diskuterats i de föregående förklaringarna byts komparatorutgången via BJT som har en öppen kollektor som utgång. Detta ger fördelen att ansluta utgångarna från två komparatorer från IC 339 direkt precis som en ELLER grind .

Ett bra exempel på en fönsterjämförarkrets kan ses nedan. Här är två IC 339-komparatorblock konfigurerade med en enda gemensam insignal och utgångarna förenas som ELLER-grinden.

Utsignalen från respektive komparatorer går lågt när insignalen passerar antingen det nedre inställda tröskelvärdet eller det övre inställda tröskelvärdet, vilket möjliggör för användaren att veta när signalen är utanför inställd fönsternivå.

En fönsterkomparator kan användas för användbara applikationer som hög lågspänningsskydd krets och solspårare krets etc.

Slutsats

Av ovanstående förklaringar lärde vi oss att:

Komparatorer är i grunden enheter som har två kompletterande ingångar och en responsiv utgång. Utgången blir hög eller låg när spänningsnivån på en av ingångarna går högre eller lägre än den andra ingången, beroende på vilken ingång som används som referens eller vid en fast spänningsnivå.

Även om en op-förstärkare också kan användas som en komparator, är specialiserade IC-jämförare bättre utformade för att fungera som komparatorer.

Dedikerade komparator-IC: er som LM311, LM339 är speciellt utformade för komparatorapplikation, med snabbare respons och en flexibel kapacitet med hög strömutgång.

Om du har några relaterade frågor är du välkommen att ställa dem genom kommentarfältet nedan.