ADALM2000實驗：運算放大器作為比較器
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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