5.3 Komparator napetosti in Schmitt-trigger vpliv pozitivne povratne zanke

Transcript

1 53 Komparaor napeosi in Schmi-rigger vpliv poziivne povrane zanke Komparaorji oziroma napeosni primerjalniki so vezja, ki primerjajo spremenljivo vhodno napeos z referenčno in na izhod vezja podajo rezla primerjave v obliki večje ali manjše Izhodni signal komparaorja zavzame orej dve diskreni vrednosi, ki sa idealno gledano enaki U b in U b, ki jima priredimo srezni logični pomen azlikjemo med komparaorji s in brez povrane poziivne zanke Pri slednjih (slika ) je vhodna napeos prikljčena na enega izmed vhodov, ki jo ojača z odprozančnim ojačenjem OP-ja A d a) b) Slika : Komparaor napeosi z referenčno napeosjo enako V Zaradi velikega ojačenja A d, zadošča že majhna razlika primerjanih napeosi, da bo izhodna napeos komparaorja dosegla eno izmed veljavnih vrednosi ako je na primer pri ojačenj A d = 3 in napajalni napeosi U b = V, porebna vhodna diferenčna napeos zgolj v velikosi U d =, mv, da bo izhodna napeos OP-ja enaka napeosi nasičenja Omenjeno zakonios lahko nazorneje prikažemo v grafični obliki, j v obliki prenosne karakerisike U b o /V (vezje a) (vezje b) d /mv neporabno območje prenosne karakerisike -U b Slika : Prenosna karakerisika komparaorja Uporabni primer zgornjega vezja kaže slika 3, ki podaja enosaven komparaor napeosi v fnkciji deekorja prisonosi sveilnega oka Slednjega deekiramo s pomočjo svelobnega senzorja (ranzisorja), kaerem se spreminja pornos v odvisnosi od jakosi svelobnega oka Ko je svelobni ok zanemarljiv, ima senzor visoko pornos, zao je izhodna napeos komparaorja enaka negaivni napeosi nasičenja akoj ko svelobni ok preseže neko z operojac3del7doc

2 porom nasavljeno vrednos, komparaor preklopi iz negaivnega v poziivno nasičenje oziroma iz logične vrednosi v logično vrednos U b 3 kω k Ω sensor k Ω 6 kω 7 p kω o 5 kω 5 k Ω Slika 3: Komparaor/deekor svelobnega oka Prikazani komparaor ni primeren za večino prakičnih primerov, saj v praksi pogoso želimo, da ima komparaor prenosno karakerisiko s hiserezo (comparaor wih hyseresis), ki je poznan di ko Schmi rigger Zaželjeno je orej, da se vklopni in izklopni prag razlikjea akšno delovanje dosežemo s poziivno povrano vezjo med izhodom in neinverirajočim vhodom OP-ja Vpliv povrane vezi je v primerjavi s komparaorjem brez vezi dvojen Ko prvič se v popolnosi izognem neporabnem področj v prenosni karakerisiki, kaji predznak povranega vpliva med izhodom in neinverirajočim vhodom je akšen, da napeos nasičenja preklop podpira oziroma pospešje Preklop iz enega v drgo nasičeno sanje je ako renno Prenosno karakerisiko akšnega komparaorja kaže slika U b U b -U b U ef U O U ON -U b Slika : Komparaor s poziivno povrano vezjo (Schmi-rigger) in prenosna karakerisika Pri negaivni vhodni napeosi je izhodna napeos enaka U b zaradi česar je referenčna napeos U ref na neinverirajočem vhod enaka ( ) U e f = Ub = Ub = Ub ( ) operojac3del7doc

3 Vrednos referenčne napeosi U ref je enaka vklopnem napeosnem prag U ON Če vhodna napeos preseže o vrednos, se polariea izhodne napeosi skočno spremeni iz U b v -U b Isočasno se spremeni di vrednos referečne napeosi U ref, ki jo izpeljemo iz spodnje ravnoežne enačbe Ub U ref Ub U ref U ref = eferenčna napeos U ref je ( ) ref = Ub ( ) U = Ub = UO Komparaor preklopi iz negaivnega nasičenja v poziivnega šele, ko se vhodna napeos zmanjša pod vrednos U ref Preklopne nivoje določimo z srezno izbiro porov, in, kjer pa mora bii izpolnjen osnovni pogoj U ON > U O Velikos hisereze je U H = UON UO = Ub Slika 5: Delovanje Schmi-riggerja 5 Dvonivojsko sikalo (window comparaor) Dvonivojsko sikalo, ki ga kaže slika 6, je primeren zlasi v merilni in zaščini ehniki, kjer preverjamo, ali se opazovana napeos nahaja znoraj predpisanih meja U ref in U ref ali ne U b U ref D U ref komparaor komparaor D D 3 U ref U ref Slika 6: Shema dvonivojskega sikala in njegova prenosna karakerisika operojac3del7doc 3

4 Oba operacijska ojačevalnika delaa ko komparaorja, a imaa različno referenčno napeos Pri majhni vhodni napeosi, se izhod drgega komparaorja nahaja v poziivnem nasičenj, zaradi česar je dioda D reverzno polarizirana Medem se izhod prvega komparaorja nahaja v negaivnem nasičenj, zaradi česar prevajaa diodi D in D 3 azna napeos ranzisorja je negaivna, zao ranzisor ne prevaja Napeos kolekorja, j izhodna napeos, je enaka U b (logična ) Če vhodno napeos sedaj povečamo malo čez U ref, bo izhod prvega komparaorja prešel v poziivno nasičenje Ker sa diodi D in D edaj reverzno polarizirani, posane baza ranzisorja prek predpora in D 3 poziivno polarizirana ranzisor prevaja ok, zao je izhodni signal na logični vrednosi (zanemarimo padec napeosi U E,sa ) Če vhodno napeos povečamo di prek vrednosi U ref, bo drgi komparaor preklopil v negaivno nasičenje, zaradi česar bo baza ranzisorja zope posala negaivna ranzisor ponovno preklopi v sanje logične 55 Mlivibraorji in fnkcijski generaorji Mlivibraorji so v splošnem generaorji periodične ali neperiodične napeosi s pravokono obliko Osnovni princip asabilnega mlivibraorja, ki generira periodični pravokoni signal, kaže slika 7 Vezje mlivibraorja emelji na porabi Schmi-riggerja z dodano negaivno povrano vezjo, v kaeri se nahaja člen isvo negaivne povrane vezi je v em, da npr pri poziivni izhodni napeosi, izkrmili vhod Schmi-riggerja ako, da bo le-a preklopil v negaivno nasičenje U a βu a max - β U a max Schmi-rigger U a max -U a max Slika 7: Vezje asabilnega mlivibraorja s pripadajočima signaloma Elekrično shemo asabilnega mlivibraorja z OP kaže slika 8 Opis vezje pričnimo s predposavko, da se izhod komparaorja nahaja v enem izmed svojih sabilnih sanj, npr v poziivnem nasičenj Kondenzaor se bo edaj polnil (po eksponencialni krivlji) s časovno konsano τ = od neke minimalne negaivne vrednosi do U max Ker pa je medem napeos na neinverirajočem vhod enaka βu max, kjer β podaja razmerje /( ), bo napeos na kondenzaorj narasla le do ega nivoja edaj namreč komparaor preklopi iz poziivnega v negaivno nasičenje, zaradi česar se preklopni nivo vhodne napeosi skočno spremeni na -βu max operojac3del7doc

5 Od dalje se bo kondenzaor praznil po eksponencialni krivlji (z iso časovno konsanno ko se je polnil τ = ) vse dokler ne bo dosegel novega preklopnega nivoja -βu max, ko bo komparaor ponovno preklopil v poziivno nasičenje, kjer se bo začel nov preklopni cikel - Slika 8: Asabilni mlivibraor U max -U max β U max - (končna vred U max ) Opisane razmere podaja di sosednji oscilogram, ki kaže izhodno napeos ko di obe vhodni napeosi na OP Periodo pravokone izhodne napeosi izpeljemo na sledeč način: Zapišimo enačbo za napeos na inverirajočem vhod v časovnem inerval polnjenja kondenzaorja = U U βu e /τ ; τ = max ( ) max U max max Začeek opazovanja = je posavljen na začeek polnjenja Ker na konc inervala velja = β, dobimo ( βu max ) /( U ) = τ ln max β -β U max β U max -β U max (končna vred -U max ) Slika 9: Poek napeosi asabilnega mlivibraorja V časovnem inerval znaša napeos ( U βu ) = U max max max e / τ oziroma iskani časovni inerval ( βu max ) /( U max ) = τ ln β Perioda izhodne napeosi je enaka vsoi izračnanih časovnih inervalov Če predposavimo, da sa napeosi nasičenja v poziivni in negaivni smeri enako veliki, dobimo β = τ ln = ln β operojac3del7doc 5

6 Če pasivni člen zamenjamo z vezjem inegraorja z OP, dobimo enosaven generaor napeosi pravokone in rikone oblike Vezje je porabno npr v razne esne namene, za generiranje PWM in za prevorbo v sinsno napeos (s filriranjem) U a Ua - U a U a max Schmi-rigger -U a max Slika : Generaor napeosi pravokone in rikone oblike V primerjavi s principielno shemo asabilnega mlivibraorja vidimo, da v konkrenem vezj porebjemo Schmi-rigger z neinverirajočo odvisnosjo med vhodno in izhodno napeosjo Vzrok em je dodani fazni premik inegraorja, ki pa se m lahko enosavno izognem, če med inegraor in Schmi-rigger, ko smo ga rabili v prejšnjih zgledih, vežemo inverirajoč ojačevalnik 3 - Slika : Elekrična shema generaorja napeosi pravokone in rikone oblike Če predposavimo, da je ob začek opazovanja = Schmi-rigger ravno preklopil v poziivno nasičenje, edaj bo izhodna napeos inegraorja du U max = d er napeos ojačevalnika du U = max d 3 Preklopni nivo Schmi-riggerja je podobno ko pri predhodnem izvajanj enak operojac3del7doc 6

7 kjer je U = ± βu max, β = V čas prve polperiode se bo izhodna napeos inegraorja gibala med zgornjim in spodnjim preklopnim nivojem Od sledi du U max βu max - (-βu max ) = = d 3 Če iz zgornje enačbe izposavimo, dobimo 3 βu max - (-βu max) 3 = = β = U max Čas drge polperiode bo enak prvi, ako da je perioda 3 = 55 Monosabilni mlivibraor 3 Naloga monosabilnega mlivibraorja je generirai izhodni napeosni plz definiranega rajanja, ki se generira šele po deekciji vhodnega krmilnega napeosnega plza Monosabilni mlivibraor je orej zope neko digialno vezje, ki vsebje linearni operacijski ojačevalnik Zaradi generiranja plza definiranega rajanja pravimo, da imamo opravii z enim kvazisabilnim in enim sabilnim sanjem Monosabilni mlivibraor orej ob nasop vhodnega krmilnega plza preklopi v kvazisabilno sanje, osane v njem definiran čas, nao pa zope preklopi v sabilno sanje, v kaerem osane do naslednjega krmilnega plza Delovanje monosabilnega mlivibraorja si oglejmo na primer inegriranega vezja 555 (oznake različnih proizvajalcev NE 555, M 555,), s kaerim je možno realizirai asabilni, monosabilni ko di bisabilni mlivibraor U b (hreshold) U H inegrvezje 555 komparaor rigger rigger U L komparaor S Q S-lipflop (Discharge) Ω Slika : Elekrično vezje monosabilnega mlivibraorja na osnovi I 555 operojac3del7doc 7

8 V sabilnem sanj monosabilnega mlivibraorja je izhod S-flipflopa v logičnem sanj, medem ko je njegov inverirani izhod na logični vrednosi ranzisor zao edaj krakosiči kondenzaor, zaradi česar je napeos kondenzaorja enaka nič Izhod komparaorja ima logično vrednos Napeos krmilnega vhoda se mora v čas mirovanja nahajai v visokem logičnem sanj Napeos mora bii vsekakor višja od U L ako, da ima di komparaor na svojem izhod logično vrednos Monosabilni mlivibraor sprožimo z negaivnim krmilnim plzom, čigar vrednos mora pasi pod vrednos U L akoj ko napeos rigger pade pod vrednos U L, se posavi izhod komparaorja v logično sanje, s čimer posavi izhod S-flipflopa na logično Ker sedaj ranzisor ne prevaja, se kondenzaor začne polnii prek pora o kvazisabilno sanje raja le dokler napeos ne doseže zgornjega preklopnega nivoja U H, ko se posavi izhod komparaorja v logično sanje, zaradi česar ranzisor ponovno krakosiči kondenzaor Isočasno gre izhodni signal flipflopa ponovno na logično vrednos, j gre ponovno v sabilno sanje rigger U L U H U b Slika 3: Poek veličin monosabilnega mlivibraorja V renk nasopa negaivnega krmilnega plza začne kondenzaorska napeos rasi po eksponencialni zakoniosi s časovno konsano τ = b = τ U e Če v enačbo vsavimo zgornji preklopni nivo = U H = /3 U b, ki ga dosežemo v čas =, dobimo = ln3, Vidimo, da je rajanje napeosnega plza nasavljivo z srezno izbiro pornosi in kapaciivnosi, ki j lahko izbiramo v širokih mejah Ko smo predhodno že omenili, lahko z inegriranim vezjem 555 realiziramo di asabilni mlivibraor Njegovo vezje kaže slika operojac3del7doc 8

9 U b A (hreshold) U H inegr vezje 555 komparaor rigger U L komparaor S Q S-flipflop (Discharge) Ω Slika : Elekrična shema asabilnega mlivibraorja na osnovi I 555 Opis vezja pričnimo s predposavko, da je kondenzaorska napeos enaka nič er da ranzisor ne prevaja oziroma da ima izhod S-flipflopa logično vrednos Kondenzaor se zao začne polnii prek serijsko vezanih porov A in Ko napeos preseže vrednos U L, preklopi komparaor v logično, kar nima nikakršnega vpliva na delovanje S-flipflopa, ki osane posavljen na logični vrednosi Šele ko napeos preseže zgornji preklopni nivo U H, se posavi izhod komparaorja na logično in seira S-flipflop Njegov izhod in s em izhodni signal se posavi v logično Kondenzaor se zao začne edaj praznii prek pora in ranzisorja, s čimer se izhod komparaorja ponovno posavi v logično, vendar pa o ne spremeni izhoda S-flipflopa Ko napeos pade pod vrednos U L, se S-flipflop ponovno seira in polnjenje kondenzaorja prek A in se znova prične Polnjenje kondenzaorja opišemo z enačbo = U b / ( ) ( A U U e ) b kjer je začeni čas opazovanja = posavljen v renek, ko se izhod S-flipflopa posavi v logično Če vsavimo v zgornjo enačbo = U H = /3 U b v renk = H in U L = /3 U b, dobimo = ln, 69 H L ( ) ( ) A V časovnem inerval L, v kaerem je izhodna napeos enaka nič (logična ), pade kondenzaorska napeos iz vrednosi U H na U L Od od H / = U e, kjer renek = sovpada z začekom ega inervala orej če vsavimo U L = /3 U b pri = L in U H = /3 U b, dobimo L = ln, 69 Perioda izhodnega signala znaša = H L,69 ( A ), medem ko je vklopno razmerje enako H A = H L A A, operojac3del7doc 9