Comments 55
не стоит использовать ОУ в качестве компаратора
Да, не стоит. Но можно, запрета на это нет, и всё зависит от контекста. Например, используете вы LM324, и ОУ у вас на плате как собак нерезаных, а места для ещё одного корпуса компаратора нет.
И раз уж разговор идёт про аналоговую технику, то есть ещё один похожий случай. Допустим, на плате с одними только цифровыми КМОП-микросхемами возникла нужда компарировать аналоговый сигнал. Это тоже возможно, но при условии, что сравнивать придётся с фиксированным уровнем - половиной напряжения питания. Разработчику придётся схемотехнически сдвинуть свой "аналог" под серединку питания, подать на вход любого КМОП-элемента, и на его выходе при переходе через эту серединку получится 0->1 или 1->0. Точность такого компаратора невысока, но для практики во многих случаях достаточна.
И наконец, ещё более одиозный случай. Допустим, возникла у вас нужда на той же плате с цифровыми КМОП-микросхемами усилить аналоговый сигнал. Так вот, на крайняк в качестве аналогового усилителя сгодится любой цифровой КМОП-инвертор - НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. У него будет весьма широкая полоса усиливаемых частот, зато невеликое усиление (несколько десятков раз). Для введения в аналоговый режим неизбежно придётся добавить к этому инвертору резистор ООС между его входом и выходом, а добавив ещё один резистор на входе, получим (в точности как с ОУ) фиксированный коэффициент усиления R1/R2. Когда-то очень давно я даже опубликовал в журнале "Радио" схему миниатюрного радиоприёмника на логической микросхеме. Но при таком использовании КМОП-логики нельзя забывать про особенность такого режима - у инвертора приоткрываются оба выходных транзистора, и появляется сквозной ток, величина которого целиком определяется собственным сопротивлением каналов этих транзисторов. При малом сопротивлении каналов инвертор может греться - такое случается при применении современных сверхскоростных серий КМОП или при питании их повышенным напряжением. Так что предпочтительнее использовать для аналоговых экспериментов старые серии К176/561 и питание ограничивать напряжением 5 вольт.
Когда-то давно в юности я встретил в журнале Радио статью, где логический вентиль использовался в качестве операционного усилителя. Это здорово изменило мои взгляды на схемотехнику! Очень приятно встретить здесь автора этой статьи!
ОУ у вас на плате как собак нерезаных, а места для ещё одного корпуса компаратора нет
В таком подходе кроется серьезная опасность, я так делать тоже не рекомендую. Если несколько вентилей ОУ расположены в одном корпусе, то они будут распространять наводки по общей подложке друг на друга. У вас получится, что рядом с усилителем аналогового сигнала будет размещен компаратор в импульсном режиме. В большинстве случаев вы наверняка сможете увидеть наводки от переключения ОУ в режиме компаратора на аналоговом сигнале. Я рекомендую использовать "многопалубные" оу только в пределах одного каскада, где частоты сигналов совпадают, и тем более НЕ рекомендую в одном корпусе размещать вентили, работающие с аналоговыми и импульсными сигналами.
на крайняк в качестве аналогового усилителя сгодится любой цифровой КМОП-инвертор
Такой вариант можно рассмотреть разве что для общего развития, но никак не для практического применения. Не зря же в современных ОУ делают схемы компенсации базовых токов входных каскадов
Разумеется, вы правы. Сам я так никогда не делаю, если изделие будет тиражироваться, а только лишь для разовых/случайных применений в домашней обстановке.
У Вас случайно той статьи под рукой нет? Хотелось бы почитать, но сам я так ее и не отрыл
С этой статьёй получился интересный казус - её спиратили все, кому не лень, даже белорусский "Радиолюбитель". Вот один из примеров, где не указывается истинный автор.
Правильная же ссылка есть в статье на Хабре.
Не в качестве операционного усилителя, а в качестве просто усилителя, также как простой полевик имеет рабочий диапазон(точку) напряжений по входу, они имеют невысокий КУ, в качестве компаратора не годятся так как на выходе компаратора не должно быть среднего уровня, многие топологии(74HC и т.д.) при такой работе сильно греются из-за сквозных токов.
В нескольких древних домофонах с оптическим ключом такое встречал.
Там для усиления сигнала с фотодиодов стоит усилитель К1401УД2, сигнал с которого идёт на компаратор К1401СА1. Но два компаратора СА1 из четырёх используются для контроля напряжения в линии, поэтому для третьего датчика компаратор собран на базе последнего оставшегося ОУ.
Раньше таким часто грешили, особенно для сигналов, не критичных к зависанию выхода компаратора. Светодиоды все равно, будет шум при включении или нет, на глаз это точно не увидеть.
Я сам раньше иногла пользовался ОУ, как компараторами. Но уже давно стал покупать именно компараторы.
В таком применении особых требований ни к скорости ни к точности нет, а вот экономия на корпусах важна. Так что подобное решение вполне оправданно.
Скажите это конструкторам источников питания и подрбных схем, где усилителей ошибки работающих с разными сигналами (тока и напряжения) несколько штук в одной 324й :)
Добавлю, что входной компаратор на ОУ показал себя хуже, чем компаратор на 561лн1 в теме Спектрум плюс магнитофон. Собирал несколько вариантов входного компаратора, на КМОП наилучший результат.
Контекст решает все, да, если задача сравнить напряжение на батарейке раз в минуту, чтобы зажечь светодиод low battery, то скорости LM358 хватит за глаза, а если это ШИМ-контроллер, работающий на сотнях килогерц, то конечно только специализированный компаратор
Не расмотренно включение ОУ аля триггер Шмитта, а так да все верно, хотите быстродействие - ставьте компаратор.
При включении ОУ в режиме компаратора вроде по умолчанию добавляют питание на выход и обратную связь для минимального гистерзиса, как раз потому что ОУ фиговый компаратор.
Питание на выход больше чем есть вряд ли получится добавить. Разве что делать напряжение питания заведомо выше, чем у логики, чтоб выходной уровень ОУ совпадал с входным уровнем логических входов. Положительную обратную связь для гистерезиса можно делать, но все таки лучше использовать специализированный компаратор и не сучиться. Еще же надо учитывать, что у ОУ обычно диапазон входного напряжения уже, чем у входов аналогичного компаратора
Я так понимаю питание на выход делает как бы открытый выход + добавляет смещение в обратную связь. Тут больше теоретический момент, если сравнить ОУ с обвесом, то как в статье такой разницы уже не будет. А на практике нет смысла - сот компаратор занимает столько же места, что и резисторы обвязки для например свободного канала ОУ...
Гистерезис в компараторе реализован иначе, в статье есть об этом. ПОС на ОУ не сделает полноценную замену, все равно юудет хуже работать, как минимум медленнее.
В описании lm393 нет никакого гистерезиса. Зато есть как раз параметр, обычный для ОУ - Large-signal differential-voltage amplification. Поэтому желательно иметь внешнюю цепь ПОС.
И ещë: Транзистор VCM clamp не добавляет гистерезиса и не ускоряет выход из насыщения. При нормальном VCM он вообще всегда закрыт. Скорее он нужен, чтобы на верхнем краю VCM не было реверса фазы усилителя.
Насыщаются три выходных транзистора. В дифф.паре благодаря источнику эмиттерного тока насыщения не бывает. Бывает отсечка.
Ещё один неочевидный момент. Входы ОУ иногда защищаются встречно-параллельными диодами. В таком случае максимально допустимое дифференциальное напряжение между входами не должно превышать 0,7В (что указывается в даташите). Если напряжение больше - открывается диод, ток источника сигнала втекает/вытекает через второй вход. Компараторы же рассчитаны на работу с большим дифференциальным напряжением, достигающим напряжение питания.
Какое-то словоблудие. Автор начал с категоричного тезиса, в итоге статьи пришел если не к противоположному выводу, то уж точно дезавуировал категоричность, а в процессе показал примеры, опровергающие тезис заголовка. Опытному электронщику не удастся найти ничего нового - достаточно упрощённую принципиальную схему ОУ разглядеть, у начинающего - голова кругом пойдет, то можно, то не можно
А если оу cmos - насыщения входных транзисторов не будет, гистерезис задать анешней ПОС - это и для обычных компараторов делается. Если оу еще и быстрый, то прекрасно будет работать. На приличные оу еще и графики времени переключения дают. В итоге хороший оу может оказаться лучшим компаратором, чем плохой компаратор. В общем касаясь заголовка - "любое слишком категоричное утверждение неверно, включая это"
PS: за статью спасибо, было интересно прочитать про отличия внутренней структуры, раньше не вдавался в такие подробности
Использовать хороший операционник в качестве компаратора - это как минимум кощунство! Если нужен хороший компаратор, то лучше купить хороший компаратор ))) Если сравнить цену операционника, который в разомкнутом режиме сможет потягаться с компаратором, то цена между ними может отличаться на порядок.
Например, он у вас уже есть (например, в корпусе их 2 и более, а нужно меньше). Впрочем, это лирика. В общем случае да, применение в качестве компаратора ОУ должно быть оправдано, но это возможно. В отличии от попытки вогнать компаратор в линейный режим. И да, компараторы бывают не только с выходом типа OD, но и вполне push-pull, особенно высокоскоростные. И почему-то вы не упомянули про завал фронта выходного сигнала в режиме OD с нагрузкой на резистор, а он там будет. Даже постоянную времени можно посчитать.
Если в одном корпусе два и более высококсчественных ОУ, я точно не рекомендовал бы использовать свободный вентиль в качестве компаратора. Выходные импульсы компаратора по общей подложке могут наводиться на соседние вентили. В прецизионных схемах я стараюсь корпуса "многопалубных" ОУ распределять по каскадам, чтоб исключить взаимные наводки.
Как-то очень давно имел неосторожность повторитель средней точки разместить в один корпус с усилителем полезного сигнала. Всю голову сломал, откуда шум лезет, пока не догадался в чем дело.
Опять, зависит от схемотехники и необходимости. Ну например, для цепочки предусилитель-фильтр-детектор пересечения уровня, в общем и целом можно и использовать и один корпус. Тут надо понимать что, как и зачем делается.
PS. Кстати, в прецизионном инструментальнике типа AD8231 есть дополнительный ОУ именно для повторителя опоры или для построения дифф выхода. И вряд ли он на отдельном кристалле размещен. К тому-же не надо забывать, что тот же банальный LM324 от Ti и от китайского ноунэйма могут принципиально различаться как раз в области изоляции по AC. :)
Сейчас каких только усилителей не делают. Если надо усилитель и затем детектор уровня сделать, то можно взять lm613 или что-то аналогичное.
Вот полный джентельменский набор. Есть ИОН, два компаратора и два ОУ.
как правило в стоимости устройства это очень мало, а вот расширение номенклатуры комплектующих не очень хорошо. Если в схеме уже есть хорошие ОУ, добавить еще такой же может быть проще, чем компаратор. В общем то спор о вкусе фломастеров, я использую и ОУ в качестве компаратора и отдельные компараторы, в зависимости от задачи. От меня основная претензия к категоричности заголовка :)
Если человек понимает как оно работает и какие условия, может и транзистора будет достаточно, если не понимает - получается некий каргокульт (типа ОУ в качестве компаратора это плохо). Это не в осуждение, нельзя во всем разбираться досконально, в смежных областях зачастую знания поверхностные, и такие рекомендации позволяют сделать что-то работоспособное при минимуме погружения, быстро и без ошибок. Так что в целом статья полезная.
Не хватает одного важного момента: rail-to-rail операционных усилителей. Многие современные ОУ как раз спроектированы так, чтобы их выходное напряжение могло достигать шин питания, что частично решает проблему согласования с логикой. Хотя конечно проблему скорости это не отменяет
Ну почему же всем так хочется использовать добротный ОУ, еще и рейл ту рейл, вместо компаратора? ))) рейл ту рейл ну точно не для того придумали, чтоб компараторы из ОУ лучше работали)))
Часто выбирается довольно дорогой ОУ на полевиках или Rail to Rail по какой-нибудь банальной причине: Либо надо ток мерять в плючовой цепи питания, либо нужно мерять ток фотодиода и нужен ОУ без входного тока, либо нужен ОУ с низким током потребления. И свободные каналы можно задействовать как компаратор, или как простой повторитель уровня, или как-то еще. Главное, чтобы не было значимых взаимных помех.
Спасибо и - поехали!
При этом Proteus ..... неплохо справляется с аналоговыми схемами на основе ОУ.
Но нужно быть начеку.
Минус 0,02 В на выходе при Vee (выв. 4) на 0 - намекают,
что проблема в SPICE-модели ОУ.
Токовое зеркало Q5, Q6 в нагрузке дифкаскада позволяет получить высокий коэффициент подавления синфазных помех .....
Нет, это заслуга источника тока в эмиттерной цепи дифкаскада.
На транзисторах Q7 – Q10 выполнен усилитель напряжения. Благодаря миллеровскому конденсатору между входом Q7 и выходом Q9 каскад обладает высоким коэффициентом усиления и частотной стабильностью.
Q10 - не входит в каскад УН.
"Миллеровская" частотная коррекция относится не столько к каскаду УН, сколько к ОУ в целом. Жертвуя параметрами на высоких частотах (указанная ниже скорость нарастания выходного напряжения) - получаем ОУ, устойчивый со 100% ООС.
Высокий коэффициент усиления УН - заслуга нагрузки в виде источника тока (с высоким динамическим сопротивлением).
Но в отличие от схемы ОУ, мы можем увидеть дополнительный транзистор Q15 (VCM Clamp: V — voltage, CM — common-mode, clamp — ограничитель).
Интересная подробность, спасибо. На мой взгляд - он удерживает от глубокого насыщения выходной транзистор токового зеркала (Q6) при глубокой отсечке соответствующих транзисторов ДК (Q3-4). Гистерезис - вряд ли, вблизи порога (dV ~ 0) - этот транзистор закрыт.
Подтягивать резистор к потенциалу ниже, чем напряжение питания компаратора, категорически запрещено. Это может привести к открытию база-коллекторного перехода выходного транзистора Q8 ...
Источник? Тот же SLCH005AH? Допустим, что выход насыщен на уровне Vee. Тогда совершенно без разницы, к чему подключен нагрузочный резистор. Если Q8 закрыт, то насыщен Q13 и коллекторный переход Q8 под обратным напряжением вне зависимости от питания нагрузочного резистора.
И в документации "родителя", National Semiconductor, - нет такой оговорки о питании нагрузочного резистора.
Может быть имелось в виду, что питание нагрузки не должно быть ниже Vee?
Выходные импульсы компаратора по общей подложке могут наводиться на соседние вентили. ..... Как-то очень давно имел неосторожность повторитель средней точки разместить в один корпус с усилителем полезного сигнала. Всю голову сломал, откуда шум лезет, пока не догадался в чем дело.
Подложка соединена с Vee и все "карманы" с транзисторами и резисторами отделены друг от друга обратно смещёнными p-n-переходами. Не думаю, что через ёмкости в доли пФ можно навести что-то существенное. Да и разделение каналов на уровне выше 100 дБ (по памяти, для 358-го) - против.
Предполагаю, что шум мог быть вызван возбуждением генератора "средней точки" при нагрузке на ёмкость. P.S. Или "ступенькой" в выходном каскаде.
Про Q10 спасибо, исправил. Это я промахнулся, хорошо, хоть где выход усилителя напряжения написал правильно. Еще думал, писать назначение Q10, но уже решил не перегружать текст, иначе пришлось бы про пуш-пулл расписывать. Также, возможно, слишком много чего-то еще опустил. Но сильно подробно расписывать - надо отдельную статью про это писать, Возможно даже такая статья могла бы получиться интересной. Можно было бы каскады промоделировать в разных режимах. Надо об этом подумать.
Про Q5, Q6. Почитал текст еще раз, возможно не самая удачная формулировка получилась. Акцент в тексте уехал с высокого коэфыицента усиления на подавление синфазных помех. Но с другой стороны, если заменить зеркало на резисторы при источрике тока в хвосте диф каскада, что с синфазной составляющей станет?
Про подтяжку компаратора решил детально не расписывать. В обьеме данной статьи я посчитал, что это будет лишним. Но предостеречь все же решил. С подтяжкой получается слишком много "если", проще "запретить" эту операцию для начинающих.
Q15 скорее всего нужен для расширения диапазона синфазного напряжения, видимо по этому в даташите его назвали vcm clamp. Функции, на которые я сослался в статье, тоже важные, но скорее всего являются уже его побочным эффектом. А про разные входные ограничения я решил не расписывать.
Давайте учитывать, на какую аудиторию я рассчитывал. Цель статьи - расширить кругозор любителям электроники.
Спасибо за интересную статью! На фоне малограмотных рекламовбросов Ваш материал читается на одном дыхании и как глоток свежего воздуха.
Именно lm324 часто используют в качестве компаратора, если его параметры (медленная скорость нарастания, время выхода из насыщения и размахи входных и выходных сигналов) подходят для задачи. Тем более у него нет ограничения на дифференциальное напряжение на входе.
А вот большинство других ОУ с биполярными входами имеют, как выше уже написали, диоды между входами с теми 0.7 вольтами и с ними весьма хреновый компаратор получится. Некоторые ОУ с входами на jfet имели гадкую особенность "инверсии фазы" при выходе входных напряжений за пределы из даташита, их современные версии уже пофиксили.
А для медленных возможно «зависание», когда на выходе появляется высокочастотный шум в момент равенства входных напряжений.
В таких условиях типичный компаратор вам нагадит гораздо, гораздо сильнее типичного ОУ (и уж тем более lm324). ОУ максимум со своей скоростью нарастания дёргать будет, а у компаратора таковая не ограничена (точнее, очень сильно выше).
Эта оптимизация не позволит использовать компаратор в качестве усилителя.
тем временем в даташите одного из производителей:
Lm139 я бы и как компаратор не стал рассматривать, не то что усилитель на нем собирать)))
Тот же 393, только 4-канальный.
В комментарии говориться про компаратор, который можно использовать как ОУ. Это скорее всего LM139-N (если ориентироваться на продукцию TI). Вот его я бы не рекомендовал использовать. В своем ответе я не акцентировал внимание на данном нюансе.
LM139 скорее всего не сможет работать в аналоговом режиме из-за Q15.
Так что если говорить о "качестве" компараторов, надо учитывать индексы и конкретного производителя. Так как в даташиите у ST на LM139 нет никаких улучшений в схеме.
Так что название может быть одно, а функциональность разная.
Одно из важнейших отличии допустимый диапазон дифференциального сигнала на входах
Спасибо, интересно. Как-то наблюдал как колбасило выход компаратора с болтающимися в воздухе ногами на 100 МГц осциллографе.
Операционникам нужна отрицательная обратная связь для нормальной работы, компаратору нужен гистерезис (хоть чуть-чуть) - а это положительная обратная связь. Это разница. А быстродействие и тип выхода у них отличаются едва ли не менее, чем у разных типов операционников. А статья хороша, для начала, не влезая в тонкие тонкости - то, что надо.
Почему операционный усилитель — плохой компаратор