Гистерезис операционных усилителей:полное руководство

Со многими фундаментальными понятиями в техническом мире трудно иметь дело из-за того, насколько обманчивыми могут быть их значения. К сожалению, гистерезис является одним из таких основных понятий.

Возможно, вы пытались найти эту концепцию только для того, чтобы сдаться или столкнуться с чем-то настолько сложным и длинным, что вам хотелось бы сдаться. Но не волнуйтесь, у нас есть решение!

К счастью, мы написали эту статью, чтобы разбить концепцию гистерезиса операционных усилителей на простое, но исчерпывающее руководство.

Вы готовы? Тогда приступим!

Что такое гистерезис в операционных усилителях?

Диаграмма операционных усилителей

Тема гистерезиса операционных усилителей начнет обретать смысл, как только мы определим слово гистерезис. Проще говоря, гистерезис означает отставание, отставание или сопротивление изменению от прежнего состояния. Кроме того, в технике гистерезис описывает несимметричные операции, или, проще говоря, путь от А к Б отличается от Б к А.

Более того, вы можете найти гистерезис в областях магнетизма, непластической деформации и, конечно же, электронных схем, таких как операционные усилители (которые работают как компараторы).

Специальный динамический компаратор с фиксацией

Чтобы глубже разобраться, давайте рассмотрим простой пример, который поможет понять, что означает гистерезис в операционных усилителях.

Когда вы подключаете реле на 12 вольт к переменному источнику питания и медленно увеличиваете входное напряжение питания от 0 до 12, вы заметите, что реле сработает при напряжении около 11 вольт.

Так что, обычно, если вы уменьшаете это напряжение, оно должно выключать реле. Но это не так. Реле выключится только тогда, когда напряжение упадет ниже 9 вольт.

Разница между порогами включения и выключения реле называется запаздыванием напряжения, а это запаздывание напряжения называется гистерезисом.

Теперь гистерезис может оказывать неблагоприятное воздействие на электронные схемы, такие как одиночные схемы BJT, и не позволяет вам поддерживать какие-либо фиксированные пороговые уровни на вашем курсе. Таким образом, в большинстве случаев уровень гистерезиса снижается до минимально возможного уровня, чтобы сохранить контроль над пороговыми значениями схемы.

Напротив, схемы операционных усилителей эффективно предотвращают эффекты гистерезиса при выполнении определенных операций. Для большинства схем зарядных устройств на операционных усилителях отсутствие гистерезиса становится существенным недостатком.

Итак, в подобных ситуациях вы можете добавить в схему дополнительный гистерезис, установив резистор обратной связи между выходами операционного усилителя и одним из его входных контактов.

Таким образом, это поможет включить эффект гистерезиса в вашу схему операционных усилителей.

С другой стороны, большинство компараторов имеют встроенный гистерезис, и эти компараторы обычно имеют значение от 5 мВ до 10 мВ. Кроме того, внутренний гистерезис этих аналоговых компараторов помогает им предотвращать колебания от минимального количества паразитной обратной связи.

Однако любой внешний шум большей амплитуды может заблокировать внутренний гистерезис этих компараторов, хотя этого достаточно, чтобы остановить автоколебания. В подобных ситуациях простое включение внешнего гистерезиса может решить проблему.

Принцип работы

Хотя гистерезис не нужен в некоторых схемах, он все же полезен для аналоговых схем, поскольку помогает управлять переключением в схемах с транзисторами. Таким образом, вы можете использовать гистерезис в схеме компаратора, чтобы установить коэффициент заполнения выходного сигнала.

Примечание. Операционные усилители и компараторы являются двумя важными и равноправными компонентами в этих схемах. Что еще более важно, операционный усилитель может работать как компаратор, но не все компараторы могут работать как усилители <эм>.

По этой причине эти два термина могут работать взаимозаменяемо, поскольку гистерезис важен для обеих схем. Кроме того, понимание того, как работают эти схемы, имеет большое значение для понимания того, как работает гистерезис в продвинутых курсах.

Теперь, сравнивая две стандартные интегральные схемы с операционным усилителем и компаратором, становится легче понять, как работает гистерезис в некоторых из этих схем и как его использовать для изменения режима переключения этих схем в соответствии с вашими потребностями.

Сравнение интегральных схем с обоими компонентами

Первое впечатление, которое вы получите от приведенной выше диаграммы, — это то, насколько похожи эти два компонента. Однако есть различия, например, компаратор представляет собой заземленный эмиттер, а операционный усилитель — нет. По этой причине выход компаратора хорошо работает для насыщения. С другой стороны, производство операционного усилителя лучше подходит для линейных операций.

Интегральная схема

Гистерезис компаратора

Гистерезис в простой схеме компаратора отвечает за стабильное переключение. Когда вы добавляете резистор положительной обратной связи, он создает гистерезис в ходе, который устанавливает порог переключения всякий раз, когда входной сигнал увеличивается или уменьшается.

Вот сложная часть.

Паразитный шум на входном сигнале может повлиять на весь процесс. Таким образом, создавая несколько переходов по мере увеличения входного сигнала. Таким образом, добавление гистерезиса в схему компаратора предотвращает любое ошибочное переключение, вызванное шумом.

Гистерезис в операционном усилителе

Гистерезис в операционном усилителе похож на то, как положительная обратная связь создает напряжение гистерезиса в компараторе (а не отрицательное напряжение). Таким образом, это позволяет операционному усилителю сформировать схему триггера Шмитта.

Здесь все становится интереснее.

Когда вы доводите операционный усилитель до насыщения по схеме с обратной связью (с гистерезисом), выходной сигнал будет насыщаться и даст вам те же результаты, что и при использовании компаратора. Он работает для инвертирующего и неинвертирующего ввода.

Компаратор без гистерезиса

Компаратор без гистерезиса

Источник:Pxhere

Вот стандартная схема компаратора без гистерезиса. Для этой схемы сеть делителя напряжения, Rx и Ry, создает минимальное пороговое напряжение, используемое курсом. Итак, компаратор оценивает и сравнивает диапазон входного напряжения (Vin) с фиксированным пороговым напряжением (Vth), чтобы найти взаимосвязь между напряжениями.

Теперь, подключив входное питающее напряжение (которое вы хотите сравнить) к инвертирующему входу схемы, вы получите выход с инвертированной полярностью.

Таким образом, каждый раз, когда разность напряжений входного тока смещения превышает пороговое значение, выход будет приближаться к отрицательному источнику питания. Точно так же выход компаратора будет приближаться к положительным шинам питания, если точка выше, чем входное опорное напряжение.

Хотя у этого метода есть свои преимущества, такие как определение того, превышает ли сигнал установленный порог, у него есть одна проблема. Шум во входном сигнале может создать несколько переходов как выше, так и ниже фиксированной точки, что приводит к колебаниям результатов.

Вывод компаратора без гистерезиса

Вы можете увидеть несколько переходов на приведенной выше диаграмме. Представьте себе входной сигнал как температурный параметр, а выходной сигнал — критическое температурное приложение, чтобы сделать вещи более прозрачными. Теперь непоследовательный выходной сигнал может не дать вам желаемых результатов.

Или представьте, что вам нужен выход компаратора для запуска двигателя или клапана. Колеблющийся сигнал будет включать и выключать клапан несколько раз в критических пороговых ситуациях.

К счастью, это проблема, которую решает гистерезис, поскольку он полностью компенсирует дрожание сигнала при переключении порогов и обеспечивает некоторую помехоустойчивость.

Компаратор с гистерезисом

Схемы компаратора с гистерезисом

Теперь, вот схема схемы компаратора с гистерезисом. Здесь резистор RH ориентируется на пороговый уровень гистерезиса. Таким образом, каждый раз, когда выходное напряжение становится высоким (5 В), RH будет параллельно Rx. Таким образом, позволяя дополнительному постоянному току течь в Ry и увеличивая пороговое значение (VH) до 2,7 В. Кроме того, выходной отклик не изменится на низкий логический уровень, если входной ток не превышает пороговое напряжение (2,7 В).

Однако, когда на выходе низкий логический уровень, Rh становится параллельным Ry. Таким образом, уменьшая ток, втекающий в Ry, и снижая пороговое напряжение t0 2,3v. Теперь, чтобы вернуться к высокому логическому уровню (5 В), входной сигнал должен быть ниже 2,3 В.

Конструкция гистерезисного компаратора

Итак, чтобы разобраться в конструкции гистерезисного компаратора, мы рассмотрим схемы, компоненты и конструкцию.

Схемы

Взгляните на диаграмму ниже:

Схема гистерезисного компаратора

Необходимые электронные компоненты

• (1) Печатная плата (PCB)
• Компаратор (здесь можно использовать любой компаратор. Например, мы использовали TLV3201 для маломощных приложений. Этот компаратор имеет низкий ток покоя)
• стандартные металлопленочные резисторы (0,1%)

Требования к дизайну

• Напряжение питания +5 В
• Вход от 0 В до 5 В

Конструкция гистерезисного компаратора

Формулы расчета гистерезисного компаратора

Для проектов мы можем использовать уравнения (1) и (2) для выбора номиналов резисторов для создания ваших пороговых напряжений гистерезиса (т. е. VH и VL). Кроме того, вам нужно выбрать RX с одним значением.

Мы определили, что наш RX будет иметь рейтинг 100k. Мы выбрали этот рейтинг, чтобы RX работал, чтобы минимизировать текущее потребление. С другой стороны, мы реализовали Rh со значением 576k. Таким образом, мы подтвердили уравнения (1) и (2) в приложении А:Rh/Rx =VL/VH – VL.

Заключительные слова

Компараторы полезны, когда дело доходит до различения двух уровней сигнала. Например, вы можете использовать компаратор, чтобы различать нормальные условия и условия перегрева.

Кроме того, изменение шума или сигнала на пороге сравнения приводит к множественным переходам. Таким образом, преимущество гистерезиса в схеме компаратора заключается в том, что он фиксирует нижнюю и верхнюю точки для решения проблемы многочисленных переходов.

Что ж, на этом статья заканчивается; если у вас есть какие-либо вопросы, не стесняйтесь обращаться к нам.