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OPV-Komparator

OPV-Komparator

Der Komparator ist eine elektronische Schaltung, die “entscheidet”. Sie verwendet einen Operationsverstärker mit sehr hoher Verstärkung im ungeregelten Zustand, d.h. es gibt keinen Rückkopplungswiderstand.

Der Operationsverstärker-Komparator vergleicht einen analogen Spannungspegel mit einem anderen analogen Spannungspegel oder einer voreingestellten Referenzspannung, VREF, und erzeugt auf der Grundlage dieses Spannungsvergleichs ein Ausgangssignal. Mit anderen Worten: Der Operationsverstärker-Spannungskomparator vergleicht die Größenverhältnisse von zwei Spannungseingängen und bestimmt, welcher der beiden am größten ist.

Wir haben in früheren Tutorials gesehen, dass der Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung verwendet werden kann, um die Größe seines Ausgangssignals im linearen Bereich zu steuern, der eine Vielzahl verschiedener Funktionen ausführt. Wir haben auch gesehen, dass der Standardoperationsverstärker durch seine Open-Loop-Verstärkung AO charakterisiert ist und dass seine Ausgangsspannung durch den Ausdruck VOUT = AO(V+ – V-) gegeben ist, wobei V+ und V- den Spannungen an den nicht-invertierenden bzw. invertierenden Klemmen entsprechen.

Spannungskomparatoren hingegen schalten ihren Ausgang entweder mit positiver Rückkopplung oder ohne Rückkopplung (open-loop mode) zwischen zwei gesättigten Zuständen um, da im open-loop Modus die Spannungsverstärkung des Verstärkers im Wesentlichen gleich der von AVO ist. Aufgrund dieser hohen Open-Loop-Verstärkung schwingt der Ausgang des Komparators dann entweder vollständig auf seine positive Versorgungsschiene, +Vcc oder vollständig auf seine negative Versorgungsschiene, -Vcc bei Anwendung eines variierenden Eingangssignals, das einen voreingestellten Schwellenwert überschreitet.

Der OpAmp-Komparator ist ein analoger Schaltkreis, der in seinem nichtlinearen Bereich arbeitet, da Änderungen an den beiden analogen Eingängen V+ und V- dazu führen, dass er sich wie ein digitales bistabiles Gerät verhält, während die Triggerung bewirkt, dass er zwei mögliche Ausgangszustände hat, +Vcc oder -Vcc. Dann können wir sagen, dass der Spannungskomparator im Wesentlichen ein 1-Bit-Analog-Digital-Wandler ist, da das Eingangssignal analog ist, der Ausgang sich aber digital verhält.

Betrachten Sie die untenstehende Basisschaltung für den OpAmp-Spannungskomparator.

OPV-Komparatorschaltung

Operationsverstärker-Komparatorschaltung

Bezogen auf die obige OpAmp-Komparatorschaltung kann zunächst davon ausgegangen werden, dass VIN kleiner ist als der Gleichspannungspegel bei VREF (VIN < VREF). Da der nichtinvertierende (positive) Eingang des Komparators kleiner ist als der invertierende (negative) Eingang, ist der Ausgang GEDÄMPFT und bei der negativen Versorgungsspannung -Vcc, was zu einer negativen Sättigung des Ausgangs führt.

Wenn wir nun die Eingangsspannung VIN so erhöhen, dass ihr Wert größer ist als die Referenzspannung VREF am invertierenden Eingang, schaltet die Ausgangsspannung schnell HOCH in Richtung der positiven Versorgungsspannung, +Vcc, was zu einer positiven Sättigung des Ausgangs führt. Wenn wir die Eingangsspannung VIN nochmals reduzieren, so dass sie geringfügig unter der Referenzspannung liegt, schaltet der Ausgang des Operationsverstärkers auf seine negative Sättigungsspannung zurück, die als Schwellwertdetektor fungiert.

Wir sehen, dass der Operationsverstärker-Spannungskomparator ein Gerät ist, dessen Ausgang vom Wert der Eingangsspannung abhängig ist, VIN in Bezug auf einige Gleichspannungspegel, da der Ausgang GEDÄMPFT ist, wenn die Spannung am nichtinvertierenden Eingang größer als die Spannung am invertierenden Eingang ist, und HOCH, wenn der nichtinvertierende Eingang kleiner als die invertierende Eingangsspannung ist. Diese Bedingung gilt unabhängig davon, ob das Eingangssignal an den invertierenden oder nicht invertierenden Eingang des Komparators angeschlossen ist.

Man sieht auch, dass der Wert der Ausgangsspannung vollständig von der Versorgungsspannung des Operationsverstärkers abhängt. Theoretisch könnte die Größe der Ausgangsspannung aufgrund der hohen Open-Loop-Verstärkung der Operationsverstärker in beiden Richtungen unendlich groß sein (±∞). Praktisch und aus naheliegenden Gründen wird sie jedoch durch die Versorgungsleitungen der Operationsverstärker begrenzt, die VOUT = +Vcc oder VOUT = -Vcc ergeben.

Wir sagten vorhin, dass der grundlegende OPV-Komparator einen positiven oder negativen Spannungsausgang erzeugt, indem er seine Eingangsspannung mit einer voreingestellten DC-Referenzspannung vergleicht. Im Allgemeinen wird ein ohmscher Spannungsteiler verwendet, um die Eingangs-Referenzspannung eines Komparators einzustellen, aber auch eine Batteriequelle, eine Zenerdiode oder ein Potentiometer für eine variable Referenzspannung können alle wie abgebildet verwendet werden.

Komparator-Referenzspannungen

Komparator-Referenzspannungen

Theoretisch kann die Referenzspannung des Komparators zwischen 0V und der Versorgungsspannung liegen, aber es gibt praktische Einschränkungen des tatsächlichen Spannungsbereichs, je nach verwendetem OpAmp-Komparator.

Positiv und Negativ Spannungskomparatoren

Eine einfache OpAmp-Komparatorschaltung kann verwendet werden, um entweder eine positive oder negative Eingangsspannung zu detektieren, je nachdem, an welchen Eingang des Operationsverstärkers wir die feste Referenzspannungsquelle und die Eingangsspannung anschließen. In den obigen Beispielen haben wir den invertierenden Eingang verwendet, um die Referenzspannung einzustellen, wobei die Eingangsspannung an den nicht invertierenden Eingang angeschlossen ist.

Aber ebenso könnten wir die Eingänge des Komparators auch andersherum anschließen, indem wir das Ausgangssignal invertieren, wie oben gezeigt. Dann kann ein Operationsverstärker-Komparator so konfiguriert werden, dass er in einer so genannten invertierenden oder nicht-invertierenden Konfiguration arbeitet.

Positiv-Spannungskomparator

Die Grundkonfiguration für den positiven Spannungskomparator, auch bekannt als nichtinvertierende Komparatorschaltung, erkennt, wenn das Eingangssignal, VIN HÖHER oder positiver als die Referenzspannung ist, VREF erzeugt einen Ausgang an VOUT, der wie gezeigt HIGH ist.

Nichtinvertierende Komparatorschaltung

Nicht invertierende Komparatorschaltung

Bei dieser nicht-invertierenden Konfiguration wird die Referenzspannung an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen, während das Eingangssignal an den nicht-invertierenden Eingang angeschlossen wird. Um die Dinge einfach zu halten, haben wir angenommen, dass die beiden Widerstände, die das Potentialteiler-Netzwerk bilden, gleich sind und: R1 = R2 = R. Dadurch wird eine feste Referenzspannung erzeugt, die halb so hoch ist wie die der Versorgungsspannung, nämlich Vcc/2, während die Eingangsspannung von Null bis zur Versorgungsspannung variabel ist.

Wenn VIN größer als VREF ist, wird der Ausgang der Operationsverstärker-Komparatoren in Richtung der positiven Versorgungsschiene Vcc gesättigt. Wenn VIN kleiner als VREF ist, wechselt der Ausgang des Operationsverstärkers den Zustand und sättigt sich an der negativen Versorgungsschiene, 0V wie abgebildet.

Negativ-Spannungskomparator

Die Grundkonfiguration für den negativen Spannungskomparator, auch bekannt als invertierende Komparatorschaltung, erkennt, wenn das Eingangssignal, VIN ist BELOW oder negativer als die Referenzspannung, VREF erzeugt einen Ausgang an VOUT, der wie gezeigt HIGH ist.

Invertierende Komparatorschaltung

Umkehrkomparatorschaltung

In der invertierenden Konfiguration, die der positiven Konfiguration entgegengesetzt ist, wird die Referenzspannung an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen, während das Eingangssignal an den invertierenden Eingang angeschlossen wird. Wenn VIN kleiner als VREF ist, wird der Ausgang der Operationsverstärker-Komparatoren in Richtung der positiven Versorgungsschiene Vcc gesättigt.

Genauso verhält es sich umgekehrt, wenn VIN größer als VREF ist, ändert der Ausgang des Operationsverstärkers seinen Zustand und sättigt sich in Richtung der negativen Versorgungsspannung, 0V.

Je nachdem, welche Operationsverstärker-Eingänge wir für das Signal und die Referenzspannung verwenden, können wir dann einen invertierenden oder nicht-invertierenden Ausgang erzeugen. Wir können diese Idee, entweder ein negatives oder positives Signal zu detektieren, noch einen Schritt weiterführen, indem wir die beiden oben genannten OpAmp-Komparatorschaltungen zu einer Fensterkomparator-Schaltung kombinieren.

Fensterkomparator

Ein Fensterkomparator ist im Grunde genommen eine Kombination von invertierendem und nicht-invertierendem Komparator in einer einzigen Komparatorstufe. Der Fensterkomparator erkennt Eingangsspannungspegel, die sich innerhalb eines bestimmten Bandes oder Spannungsfensters befinden, anstatt anzuzeigen, ob eine Spannung größer oder kleiner als ein voreingestellter oder fester Spannungsbezugspunkt ist.

Diesmal hat der Fensterkomparator nicht nur einen Referenzspannungswert, sondern zwei Referenzspannungen, die durch ein Paar von Spannungskomparatoren realisiert werden. Einer, der einen OpAmp-Komparator bei der Erkennung einer oberen Spannungsschwelle, VREF(UPPER), und einer, der einen OpAmp-Komparator bei der Erkennung einer unteren Spannungsschwelle, VREF(LOWER), auslöst. Dann wird der Spannungspegel zwischen diesen beiden oberen und unteren Referenzspannungen als “Fenster” bezeichnet, daher der Name.

Wenn wir nun drei Gleichwertwiderstände verwenden, so dass R1 = R2 = R3 = R3 = R, können wir eine sehr einfache Fensterkomparator-Schaltung erstellen, wie gezeigt. Da die Widerstandswerte alle gleich sind, sind die Spannungsabfälle an jedem Widerstand auch bei einem Drittel der Versorgungsspannung, 1/3Vcc, gleich. Dann können wir in diesem einfachen Beispiel die obere Referenzspannung auf 2/3Vcc und die untere Referenzspannung auf 1/3Vcc einstellen. Betrachten Sie die untenstehende Fensterkomparator-Schaltung.

Fensterkomparator-Schaltung

Fensterkomparatorschaltung

Wenn VIN unterhalb des unteren Spannungspegels VREF(LOWER) liegt, was 1/3Vcc entspricht, ist der Ausgang LOW. Wenn VIN diese 1/3Vcc Unterspannung überschreitet, erkennt dies der erste Operationsverstärker-Komparator und schaltet den Ausgang HIGH auf Vcc.

Wenn VIN weiter ansteigt, übersteigt sie den oberen Spannungspegel, VREF(UPPER) bei 2/3Vcc und der zweite Operationsverstärker-Komparator erkennt dies und schaltet den Ausgang zurück auf LOW. Dann erzeugt die Differenz zwischen VREF(UPPER) und VREF(LOWER) (in diesem Beispiel 2/3Vccc – 1/3Vcc) das Schaltfenster für das positive Signal.

Gehen wir nun davon aus, dass Vsub>IN auf seinem Maximalwert und gleich Vcc ist. Wenn VIN abnimmt, übersteigt sie den oberen Spannungspegel VREF(UPPER) des zweiten Operationsverstärkers, der den Ausgang HIGH schaltet. Während VIN weiter abnimmt, übersteigt sie die untere Spannungsebene, VREF(LOWER) des ersten Operationsverstärkers schaltet den Ausgang LOW wieder um.

Dann erzeugt die Differenz zwischen VREF(UPPER) und VREF(LOWER) das Fenster für das ins negative gehende Signal. So können wir sehen, dass das Ausgangssignal VOUT HIGH oder LOW sein wird, wenn VIN über oder unter den oberen und unteren Referenzpegeln der beiden OpAmp-Komparatoren durchläuft.

In diesem einfachen Beispiel haben wir die obere Auslöseebene auf 2/3Vcc und die untere Auslöseebene auf 1/3Vcc eingestellt (weil wir drei Gleichwertwiderstände verwendet haben), aber es können beliebige Werte sein, die wir durch Anpassung der Eingangsschwellenwerte wählen. Dadurch kann die Fensterbreite an die jeweilige Anwendung angepasst werden.

Wenn wir ein duales Netzteil verwenden und die oberen und unteren Auslösepegel so einstellen, dass ±10 Volt und VIN eine sinusförmige Wellenform ist, dann könnten wir diese Fensterkomparator- Schaltung als Nulldurchgangsdetektor der Sinuswelle verwenden, der jedes Mal, wenn die Sinuswelle die Null-Volt-Linie von positiv nach negativ oder negativ nach positiv durchquert, einen Ausgang HIGH oder LOW erzeugt.

Wir können diese Idee der Erkennung von Spannungspegeln weiterverfolgen, indem wir eine Reihe verschiedener OpAmp-Komparatoren miteinander verbinden, die alle ein gemeinsames Eingangssignal verwenden, wobei jeder Komparator jedoch eine andere Referenzspannung verwendet, die durch unser inzwischen bekanntes Spannungsteilernetz über die Versorgung eingestellt wird. Betrachten Sie die Schaltung des Spannungspegel-Detektors unten.

Komparator Spannungspegeldetektor

Spannungspegel-Detektor

Wie oben beschrieben, stellt das Spannungsteilernetz eine Reihe von Referenzspannungen für die einzelnen OpAmp-Komparatorschaltungen zur Verfügung. Zur Erzeugung der vier Referenzspannungen werden fünf Widerstände benötigt. Die Verbindung am unteren Widerstandspaar erzeugt eine Referenzspannung, die ein Fünftel der Versorgungsspannung beträgt, 1/5Vcc bei Verwendung von Gleichwertwiderständen. Das zweite Paar 2/5Vcc, ein drittes Paar 3/5Vcc und so weiter, wobei diese Referenzspannungen um einen festen Betrag von einem Fünftel (1/5) auf 5/5Vcc ansteigen, was eigentlich Vcc ist.

Mit zunehmender gemeinsamer Eingangsspannung schaltet der Ausgang jeder Operationsverstärker-Komparatorschaltung abwechselnd beginnend mit dem unteren Komparator, A4 und aufwärts in Richtung A1, wenn die Eingangsspannung steigt. Durch die Einstellung der Werte der Widerstände im Spannungsteiler-Netzwerk können die Komparatoren so konfiguriert werden, dass sie jeden Spannungspegel erkennen. Ein gutes Beispiel für den Einsatz der Spannungspegelerkennung und -anzeige ist die Batteriezustandsüberwachung.

Auch durch die Erhöhung der Anzahl der Operationsverstärker-Komparatoren im Set können mehr Triggerpunkte erzeugt werden. Wenn wir also zum Beispiel acht Operationsverstärker-Komparatoren in der Kette hätten und den Ausgang eines jeden Komparators an einen 8-zu-3-Zeilen-Digital-Encoder speisen würden, könnten wir einen sehr einfachen Analog-Digital-Wandler (ADC) herstellen, der das analoge Eingangssignal in einen 3-Bit-Binärcode (0-zu-7) umwandeln würde.

Operationsverstärker-Komparator mit positiv Rückkopplung

Wir haben hier gesehen, dass Operationsverstärker so konfiguriert werden können, dass sie im ungeregelten Betrieb als Komparatoren arbeiten, und das ist gut so, wenn das Eingangssignal schnell schwankt oder nicht zu laut ist. Wenn sich jedoch das Eingangssignal VIN langsam ändert oder elektrisches Rauschen vorhanden ist, dann kann der Operationsverstärker-Komparator oszillieren, indem er seinen Ausgang zwischen den beiden Sättigungszuständen +Vcc und -Vcc hin- und herschaltet, während das Eingangssignal um die Referenzspannung, den VREF-Pegel, herumschwebt. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu überwinden und das Schwingen des Operationsverstärkers zu vermeiden, besteht darin, eine positive Rückkopplung um den Komparator herum zu erzeugen.

Wie der Name schon sagt, ist positive Rückkopplung eine Technik zur Rückkopplung eines Teils oder Bruchteils des Ausgangssignals, welches sich in Phase befindet, an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers. Dies erfolgt über einen Potentialteiler, der von zwei Widerständen gebildet wird, wobei die Rückkopplung proportional zu ihrem Verhältnis ist.

Die Verwendung positiver Rückkopplung um einen Operationsverstärker-Komparator herum bedeutet, dass, sobald der Ausgang auf beiden Ebenen in die Sättigung getriggert wird, eine signifikante Änderung des Eingangssignals VIN erfolgen muss, bevor der Ausgang auf den ursprünglichen Sättigungspunkt zurückschaltet. Diese Differenz zwischen den beiden Schaltpunkten wird als Hysterese bezeichnet und erzeugt eine sogenannte Schmitt-Trigger-Schaltung. Beachten Sie die untenstehende invertierende Komparatorschaltung.

Invertierender OPV-Komparator mit Hysterese

inverting opv comparator with hysteresis

Bei der obigen Invertierungskomparatorschaltung wird VIN auf den Invertierungseingang des Operationsverstärkers gelegt. Die Widerstände R1 und R1 bilden ein Spannungsteiler-Netzwerk über dem Komparator, das die positive Rückkopplung liefert, wobei ein Teil der Ausgangsspannung am nichtinvertierenden Eingang auftritt. Die Höhe der Rückkopplung wird durch das Widerstandsverhältnis der beiden verwendeten Widerstände bestimmt als:

Spannungsteiler-Gleichung

voltage divider equation

Wo: β (beta) verwendet werden kann, um den Rückkopplungsanteil anzugeben.

Wenn das Eingangssignal kleiner als die Referenzspannung VIN < VREF ist, ist die Ausgangsspannung HIGH, VOH und gleich der positiven Sättigungsspannung. Da der Ausgang HIGH und positiv ist, ist der Wert der Referenzspannung am nichtinvertierenden Eingang ungefähr gleich: +β*Vcc, genannt Upper Trip Point oder UTP.

Da das Eingangssignal, VIN erhöht wird, wird es gleich zu dieser oberen Auslösespannung, VUTP-Pegel am nichtinvertierenden Eingang. Dies führt dazu, dass der Ausgang des Komparators den Zustand LOW, VOL und gleich der negativen Sättigungsspannung ändert.

Der Unterschied besteht jedoch darin, dass diesmal ein zweiter Grenzwert erzeugt wird, weil am nichtinvertierenden Eingang nun eine negative Spannung auftritt, die gleich ist: -β*Vcc als Folge der negativen Sättigungsspannung am Ausgang. Dann muss das Eingangssignal nun unter diesen zweiten Spannungspegel, den sogenannten Lower Trip Point oder LTP, fallen, damit der Ausgang des Spannungskomparators sich ändert oder wieder in den ursprünglichen positiven Zustand zurückschaltet.

So können wir sehen, dass sich bei einer Zustandsänderung des Ausgangs die Referenzspannung am nichtinvertierenden Eingang ebenfalls ändert und somit zwei verschiedene Referenzspannungswerte und zwei verschiedene Schaltpunkte entstehen. Der eine nennt sich Lower Upper Trip Point (UTP) und der andere Lower Trip Point (LTP). Die Differenz zwischen diesen beiden Auslösepunkten wird als Hysterese bezeichnet.

Die Höhe der Hysterese wird durch den Rückkopplungsanteil ß der Ausgangsspannung bestimmt, die an den nichtinvertierenden Eingang zurückgeführt wird. Der Vorteil der positiven Rückkopplung besteht darin, dass die resultierende Komparator-Schmitt-Triggerschaltung unempfindlich gegen unregelmäßige Triggerung durch Rauschen oder langsam wechselnde Eingangssignale innerhalb des Hysteresebandes ist, wodurch ein saubereres Ausgangssignal erzeugt wird, da der Ausgang des Operationsverstärkers nur einmal getriggert wird.

Also für positive Ausgangsspannungen, VREF = +β*Vcc, aber für negative Ausgangsspannungen, VREF = -β*Vcc. Dann können wir sagen, dass der Betrag der Spannungshysterese gegeben ist als:

Operationsverstärker-Komparator-Hysterese

Nicht-invertierender Operationsverstärker-Komparator mit Hysterese

Nicht-invertierender Operationsverstärker-Komparator mit Hysterese

Beachten Sie bitte, dass die Pfeile auf der Hysteresekurve die Schaltrichtung am oberen und unteren Schaltpunkt anzeigen.

Komparator Beispiel Nr.1

Über einen Operationsverstärker mit positiver Rückkopplung soll eine Schmitt-Trigger-Schaltung realisiert werden. Wenn Widerstand R1 = 10kΩ und Widerstand R2 = 90kΩ, was sind die Werte des oberen und unteren Schaltpunktes der Referenzspannung und die Breite der Hysterese, wenn der Operationsverstärker an ein duales ±10v-Netzteil angeschlossen ist?

Gegeben: R1 = 10kΩ, R2 = 90kΩ. Stromversorgung +Vcc = 10v und -Vcc = 10v.

Rückkopplungsanteil:

op amp Komparator Feedback-Fraktion

Oberer Spannungsauslösepunkt, VUTP

upper voltage trip point

Unterspannungs-Auslösepunkt, VLTP

lower voltage trip point

Hysteresebreite:

op amp comparator hysteresis width

Dann schaltet die Referenzspannung VREF zwischen +1V und -1V um, wenn der Ausgang von einem Pegel zum anderen sättigt. Wir können an diesem einfachen Beispiel erkennen, dass die Breite dieser Hysterese, insgesamt 2 Volt, durch einfaches Einstellen des Spannungsteiler-Verhältnisses der Rückkopplungswiderstände R1 and R2 vergrößert oder verkleinert werden kann.

Der Spannungskomparator

Obwohl wir Operationsverstärker wie den 741 als Basis-Komparatorschaltung einsetzen können, besteht das Problem darin, dass Operationsverstärker nur für den linearen Betrieb optimiert sind. Hier liegen die Eingangsklemmen praktisch auf dem gleichen Spannungsniveau und die Ausgangsstufe ist so ausgelegt, dass eine lineare Ausgangsspannung erzeugt wird, die über lange Zeiträume nicht gesättigt ist. Auch Standard-Operationsverstärker sind für den Einsatz in Closed-Loop-Anwendungen mit negativer Rückkopplung vom Ausgang zum invertierenden Eingang konzipiert.

Ein dedizierter Spannungskomparator hingegen ist ein nichtlineares Gerät, das aufgrund seiner sehr hohen Verstärkung eine starke Sättigung ermöglicht, wenn sich die Eingangssignale um einen relativ kleinen Betrag unterscheiden. Der Unterschied zwischen einem OpAmp-Komparator und einem Spannungskomparator liegt in der Endstufe, da ein Standard-Operationsverstärker eine für den linearen Betrieb optimierte Endstufe hat, während die Endstufe eines Spannungskomparators für den kontinuierlichen Sättigungsbetrieb optimiert ist, da sie immer in der Nähe der einen oder anderen Versorgungsschiene und nicht dazwischenliegen soll.

Komparatoren wie der Einzelkomparator LM311, der Quadkomparator LM339 oder der Dual-Differenzkomparator LM393 sind Spannungskomparatoren, die in einem Standard-IC-Gehäuse geliefert werden, das von einer Einzel- oder Doppelversorgung betrieben wird. Diese dedizierten Spannungskomparatoren sind ausschließlich dazu bestimmt, den Ausgang sehr schnell von einem gesättigten Zustand in den anderen zu schalten, da die Transistoren, die für die Ausgangsstufe eines Spannungskomparators verwendet werden, in der Regel Schalttransistoren sind.

Da Spannungskomparatoren ein lineares Eingangssignal in ein digitales Ausgangssignal umwandeln, werden sie häufig verwendet, um zwei unterschiedliche elektrische Signale mit unterschiedlichen Versorgungs- oder Referenzspannungen zu verbinden. Daher ist die Endstufe des Spannungskomparators in der Regel als ein einzelner Transistorschalter mit offenem oder geschlossenem Kollektor (oder Drain) konfiguriert und nicht als tatsächliche Ausgangsspannungen, wie in der Abbildung gezeigt.

Spannungskomparatorschaltung

Spannungsvergleicherschaltung

Hier wird der Open-Collector-Ausgang des Spannungskomparators über einen einzelnen Pull-Up-Widerstand (und eine LED zur Anzeige) an eine Spannungsquelle angeschlossen, die den Single-Ausgang hoch zur Spannungsversorgung zieht. Wenn der Ausgangsschalter HIGH ist, erzeugt er einen hochohmigen Pfad, daher fließt kein Strom als VOUT = Vcc.

Wenn der Komparator den Zustand wechselt und der Ausgangsschalter LOW ist, erzeugt er einen niederohmigen Pfad zur Erde und der Strom fließt durch den Pull-Up-Widerstand (und die LED) und verursacht einen Spannungsabfall über sich selbst, wobei der Ausgang auf die untere Versorgungsebene gezogen wird, in diesem Fall auf Masse.

Dann sehen wir, dass es kaum einen Unterschied zwischen dem schematischen Symbol eines Operationsverstärkers und einem Spannungskomparator oder deren internen Schaltkreisen gibt. Der Hauptunterschied liegt in der Endstufe mit der Open-Collector- oder Drain-Konfiguration, die für die Ansteuerung von Relais, Lampen, etc. nützlich ist. Durch die Ansteuerung eines Transistors vom Ausgang aus kann eine größere Schaltstromkapazität erreicht werden, als die des Komparatorausgangs allein.

OPV-Komparator Zusammenfassung

In diesem Tutorial über den OpAmp-Komparator haben wir gesehen, dass eine Komparatorschaltung im Grunde genommen ein Operationsverstärker ohne Rückkopplung ist, d.h. der Operationsverstärker wird in seiner Open-Loop-Konfiguration verwendet, und wenn die Eingangsspannung, VIN eine voreingestellte Referenzspannung, VREF, überschreitet, ändert sich der Ausgangszustand.

Aufgrund der sehr hohen Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers führt die Verwendung des Operationsverstärkers mit positiver Rückkopplung oder gar ohne Rückkopplung dazu, dass der Ausgang auf seine Versorgungsschiene gesättigt wird und je nach relativen Werten seiner beiden Eingänge eine von zwei unterschiedlichen Ausgangsspannungen erzeugt. Dieses bistabile Verhalten ist nichtlinear und bildet die Grundlage für Operationsverstärker-Komparator- und Schmitt-Trigger-Schaltungen. Die Ausgangsstufen dedizierter Komparatoren, wie z.B. LM311 oder LM339, sind für den Betrieb in ihren Sättigungsbereichen ausgelegt, so dass diese Spannungskomparatorschaltungen in Analog-Digital-Wandler-Anwendungen und für verschiedene Arten von Spannungspegelmessschaltungen weit verbreitet sind.

Das unregelmäßige Schaltverhalten eines ungeregelten Komparators lässt sich leicht überwinden, indem man positive Rückkopplung zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Komparators hinzufügt. Bei positiver Rückmeldung hat der Schaltkreis eine Hysterese, wobei die Ausgangsumschaltung zwischen zwei verschiedenen Schaltpunkten, UTP und LTP, erfolgt.

Operationsverstärker-Fensterkomparatoren sind eine Art Spannungskomparatorschaltung, die zwei OpAmp-Komparatoren verwendet, um einen Zwei-Stufen-Ausgang zu erzeugen, der anzeigt, ob die Eingangsspannung innerhalb eines bestimmten Wertebereichs oder -fensters liegt oder nicht, indem zwei Referenzspannungen verwendet werden. Es gibt eine obere und eine untere Referenzspannung.

Operationsverstärker und Komparatoren sehen zwar ähnlich aus, arbeiten aber sehr unterschiedlich und sind für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen konzipiert: ein Operationsverstärker kann man als Komparator verwenden, ein kann Spannungskomparator aufgrund seiner nichtlinearen Ausgangsstufe aber nicht als Operationsverstärker verwendet werden.

Aus früheren Tutorials wissen wir, dass ein OpAmp ein analoges Gerät mit einem analogen Differenzeingang und einem analogen Ausgang ist, und wenn er in seiner Open-Loop-Konfiguration betrieben wird, verhält er sich wie ein Komparatorausgang. Es sind aber auch dedizierte Spannungskomparatoren (LM311, LM339) erhältlich, die wesentlich leistungsfähiger sind als herkömmliche Operationsverstärker.

3 Kommentar

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  • Roland

    Beim der abgebildeten Fensterkomparatorschaltung sind beide OP-Ausgänge direkt miteinander verbunden. Schaltet einer gegen +Vcc und einer gegen 0V, was außerhalb des “Fensters” der Fall ist, gibt es ein Problem! Die Ausgänge müssen über eine Und-Logik zusammengeführt werden. Im einfachsten Fall schaltet man sie über Dioden zusammen.

  • Miguel

    Beide Komparatoren sollen laut Text HIGH.
    Negativ-Spannungskomparator
    Die Grundkonfiguration für den negativen Spannungskomparator, auch bekannt als invertierende Komparatorschaltung, erkennt, wenn das Eingangssignal, VIN ist BELOW oder negativer als die Referenzspannung, VREF erzeugt einen Ausgang an VOUT, der wie gezeigt LOW

  • Thorsten

    Tolle sehr verständliche Erklärungen, danke dafür