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ADALM2000實驗:運算放大器作為比較器

本文作者:Doug Mercer       點擊: 2021-01-12 12:40
前言:
作者:ADI 顧問研究員Doug Mercer 及系統應用工程師Antoniu Miclaus
目標:
在本實驗中,我們將運算放大器配置為切換開關模式以實現電壓比較器的功能。電壓比較器電路的作用是透過輸出電壓的兩個不同狀態,表現兩個輸入電壓的相對狀態。這種比較使用兩個輸入電壓之差的正負,輸出兩個可能輸出值中的一個,具體的輸出值由規定的相減方式決定。
 
對於運算放大器比較器,我們可以將單輸入 VD 視為雙輸入訊號V+和V–之間的差異。而輸出電壓 VO可以獲取兩個可能值中的一個:
 
VO = VOH (高),表示V+ > V– ((vD > 0)
VO = VOL (低),表示V+ < V– (vD < 0)
 
我們將閾值電壓 VTh 當做輸入電壓 vI 的特定值(或值),在該值時輸出端開啟(設定VD = 0)。
 
需要考慮兩種主要的電壓比較器:
簡單比較器:無回饋,只有一個閾值電壓。
遲滯比較器:有正回饋和兩個閾值電壓。

材料:
ADALM2000 主動學習模組
無焊麵包板及跳接線套件
三個10 kΩ電阻
一個20 kΩ電阻
一個OP97(低壓擺率放大器隨附新版本 ADALP2000 類比零件套件)或OP37

簡單比較器
背景知識:
將運算放大器配置為比較器,便可利用運算放大器的高固有增益和輸出飽和效應,如圖1所示。這基本上屬於二元狀態決策電路:如果正極(+)埠的電壓大於負極(–)埠的電壓,即VIN > VREF,輸出會增高(在最大值時達到飽和)。相反的,如果 VIN  < VREF ,則輸出走低。電路比較兩個輸入端的電壓,根據相對值產生輸出。與之前所有電路不同,輸入和輸出之間沒有回饋;我們稱電路是開迴路運行的。
圖1.運算放大器用作比較器。

硬體設定:
比較器的使用方式不同,在往後的實驗中我們會看到它的實際應用。在這裡,我們將以常見配置使用比較器,產生具有可變脈衝寬度的方波。
 
首先關閉電源並組裝電路。與求和放大器電路一樣,使用第二個波形發生器輸出作為直流源 VREF,將幅度更改為零,且將輸出偏置降低到最低,以便您在實驗期間可以從零開始調節。

圖2.比較器麵包板電路。
 
將波形產生器 VIN 配置為頻率1 kHz幅值2 V峰對峰值正弦波。開啟電源,在VREF 為O V時,匯出輸出波形。
 
然後,緩慢增大 VREF 觀察會發生什麼情況。記錄VREF = 1 V的輸出波形。繼續增大VREF,直到超過2 V,觀察會發生什麼情況。您能予以解釋嗎?
 
對三角輸入波形重複以上步驟,在實驗報告中記錄觀察到的結果。

步驟:
將第一個波形產生器用作 VIN 源,向電路提供幅度2 V峰峰值、1 kHz正弦波激勵。向運算放大器提供±5 V電源電壓。配置示波器,使通道1上顯示輸入訊號,通道2上顯示輸出訊號。
 
產生的波形如圖3所示。
 
圖3.比較器波形。

遲滯比較器
遲滯是指系統的當前狀態依賴於決定該狀態量的先前值。輸出值並不是對應輸入的嚴格函數,它包含了一些滯後、延遲或過往依賴性。特別是,對輸入變數降低的回應與對輸入變數增高的回應是不同的。
 
在此配置中,包含兩個閾值 VThH 和 VThL,以及兩個輸出值 VOH 和 VOL。閾值應該依賴於輸出值,輸出值回饋至輸入,成為閾值中的一部分(正回饋)。通過電阻分壓器,將輸出電壓的一部分回饋至同相輸入。
 
分析遲滯比較器時,我們必須考慮遲滯的方向變換這個問題,以及在某些時刻,只有一個閾值保持活動這個事實。
 
輸入信號觸發輸出變化,正回饋會維持這個變化。

同相遲滯比較器
背景知識:
請看圖4所示的電路。
圖4.同相遲滯比較器。

在圖4所示的同相遲滯比較器電路中,VIN被應用於運算放大器的同相輸入。電阻R1和R2在比較器上構成分壓器網路,透過同相輸入上的部分輸出電壓提供正回饋,通過相同的電阻分壓器提供 VIN
 
回饋量由使用的兩個電阻的電阻比決定(在此情況下,比率為1/2)。
 
我們可以使用以下公式計算閾值電壓:
 
鑒於 VD = 0, VIN → VTh, 我們可以得出以下閾值:

 
硬體設置:
為同相遲滯比較器建構以下麵包板電路。

圖5.同相遲滯比較器麵包板電路。

步驟:
將第一個波形發生器用於 VIN 源,向電路提供幅度6 V峰對峰值、1 kHz正弦波激勵。向運算放大器提供±5 V電源電壓。配置示波器,使通道1上顯示輸入訊號,通道2上顯示輸出訊號。

產生的波形如圖6所示。
 
圖6.同相遲滯比較器波形。

在圖7中,您可以查看同相遲滯比較器的電壓傳輸特性(圖中箭頭表示與閾值相關的訊號的走向)。比較計算得出的閾值電壓值與測量到的電壓值。

圖7.同相遲滯比較器XY圖。

反相遲滯比較器
背景知識:
請看圖8所示的電路。
圖8.反相遲滯比較器。

在圖8所示的反相遲滯比較器電路中,VIN被應用於運算放大器的反相輸入。電阻R1和R2在比較器上構成分壓器網路,透過同相輸入上的部分輸出電壓提供正回饋。
 
被應用於運算放大器的反相輸入。電阻R1和R2在比較器上構成分壓器網路,透過同相輸入上的部分輸出電壓提供正回饋。
 
我們可以使用以下公式計算閾值電壓:
 
 
有鑒於VD = 0, VIN → VTh,我們可以得出以下閾值:
 
硬體設定:
為反相遲滯比較器建構以下麵包板電路。

圖9.反相遲滯比較器麵包板電路。

步驟:
將第一個波形產生器用作 VIN源,向電路提供幅度為6 V峰對峰值、1 kHz正弦波激勵。向運算放大器提供±5 V電源電壓。配置示波器,使通道1上顯示輸入訊號,通道2上顯示輸出訊號。
 
產生的波形如圖10所示。

圖10.反相遲滯比較器波形。

在圖11中,您可以查看同相遲滯比較器的電壓傳輸特性(圖中箭頭表示與閾值相關的訊號的走向)。比較計算得出的閾值電壓值與測量到的電壓值。
 
圖11.反相遲滯比較器XY圖。

帶不對稱閾值的反相遲滯比較器
 
背景知識:
請看圖12所示的電路。
 
圖12.具有不對稱閾值的反相遲滯比較器。

圖12所示的具有不對稱閾值電路的反向比較器,使用了額外的基準電壓VREF 。電阻R1和R2在比較器上構成分壓器網路,通過同相輸入上的部分輸出電壓提供正回饋,此外有部分 VREF 通過相同的分壓器。
 
我們可以使用以下公式計算閾值電壓:
 

有鑑於VD = 0, VIN → VTh, 我們可以得出以下閾值:
 
硬體設定:
為反相遲滯比較器建構以下麵包板電路。

圖13.具有不對稱閾值的反相遲滯比較器的電路板。

步驟:
將第一個波形產生器用於VIN源,向電路提供幅度為6 V峰對峰值、1 kHz正弦波激勵,將第二個波形發生器用作2 V恆定基準電壓。向運算放大器提供±5 V電源電壓。配置示波器,使通道1上顯示輸入訊號,通道2上顯示輸出訊號。
 
產生的波形如圖14所示。

圖14.具有不對稱閾值的反相遲滯比較器的波形。

在圖15中,您可以查看同相遲滯比較器的電壓傳輸特性(圖中箭頭表示與閾值相關的訊號的走向)。比較計算得出的閾值電壓值與測量到的電壓值。

圖15.具有不對稱閾值的反相遲滯比較器的XY圖。

問題:
計算所有4個比較器設定(簡單、同相遲滯、反向遲滯和不對稱閾值)的閾值電壓,比較計算得出的值與透過實驗步驟得出的值。

額外實驗
對於先完成實驗,或者想要接受額外挑戰的實驗人員,看看您是否能夠使用輸出端的紅色和綠色LED(來自上次實驗)來修改比較器電路,使紅色LED在負電壓時亮起,綠色LED在正電壓時亮起。將頻率降低至1 Hz(或更低),以便看到它們即時開關。不要忘記,LED需要使用限流電阻,以便流經LED的電流不會超過20 mA。
 
您也可以對具備多個電壓位準的電路實施上述範例實驗,如圖16中的電路所示。
圖16.使用LED的電壓位準指示器。

材料:
ADALM2000主動學習模組
無焊麵包板及跳接線套件
三個470 Ω電阻
一個10 kΩ電阻
兩個20 kΩ電阻
三個LED(紅色、綠色、黃色)
一個 ADTL082 (兩個整合式運算放大器)
 
該電路使用一個分壓器(R1、R2、R3)分別為兩個比較器獲取一個閾值。基於這些閾值和輸入電壓,一次亮起一個LED(D1、D2、D3)。

練習:
根據圖16所示的電路,計算閾值電壓。確定對於每一輸入電壓範圍,哪個LED亮起。
構建電路板電路。向運算放大器提供±5 V電源電壓。使用訊號產生器的第一個通道產生可變輸入電壓(VIN),使用第二個通道產生成5 V恆定基準電壓。

圖17.使用LED的電壓位準指示器。

在0 V至5 V之間變換輸入電壓,觀察LED的行為。
 
此類型的電路也被稱為視窗比較器。關於這類主題的應用,可以參考實驗:使用視窗比較器實施溫度控制
 
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