Одна из важных задач микроконтроллерных проектов — это обработка аналоговых сигналов и сравнение их значений с некоторым опорным напряжением. Для согласования уровней напряжения можно использовать операционные усилители (ОУ), а для сравнения — компараторы.

Начинающие электронщики часто недоумевают, в чем разница между ОУ и компаратором. На электрических схемах их изображают почти одинаково, да и функционально иногда первым можно заменить второй.

Если вы начали свое знакомство с электроникой на Arduino и хотите продолжить погружение в мир аналоговой схемотехники, предлагаю разобраться чем отличаются логические схемы и операционные усилители, и почему не стоит использовать ОУ в качестве компаратора.

Возможно, вы уже встречали условное изображение ОУ на электрических схемах. Часто его рисуют треугольником. Такое изображение встречается в зарубежных схемах и в учебной литературе.

Но наш ГОСТ ЕСКД предполагает изображение ОУ в виде прямоугольника. Еще со школьной информатики мы привыкли рисовать подобным образом логические вентили. Но, согласно ЕСКД, обобщающий фактор здесь — это принадлежность к микросхемам. Все микросхемы по ГОСТу изображают прямоугольником или таблицей, независимо от того, цифровые они или аналоговые.

«Сходство» ОУ с логическими схемами

Для выполнения любой арифметической операции нужны минимум два операнда и будет получен хотя бы один результат. На функциональных схемах процессоров вы наверняка видели «перевернутые штанишки» — арифметико-логическое устройство (АЛУ). Не находите сходство?

Операционный усилитель тоже имеет два входа и один выход. В зависимости от внешней обвязки каскада выходной сигнал может представлять собой сумму, разность, интеграл или производную входных сигналов, а также результат их сравнения. Но на этом аналогии стоит прекратить!

Прямой и инвертирующий вход — это вам не 0 и 1

Входы операционного усилителя принято называть прямым «+» и инвертирующим «–». Инвертирующий вход ОУ на схемах часто отмечают кружком аналогично с инверсными входами логических вентилей – это может ввести в заблуждение новичка. Но почему-то наш ГОСТ принял именно такие обозначения.

Важно учитывать, что понятие «инвертирующий» для входа ОУ не имеет никакого отношения к инверсии логических нулей и единиц в цифровых схемах. Не хочу здесь углубляться в этот вопрос, но аналогичные обозначения перенесли в ГОСТ и для элементов аналоговой техники. На мой взгляд, это немного сбивает с толку.

Нужно помнить, что ОУ имеет аналоговые входы и выходы. Если напряжение на прямом входе («+») растет, то и выходное напряжение увеличивается. А если растет напряжение на инвертирующем входе («–»), то выходное напряжение, наоборот, уменьшается.

Получается, что инвертирующий вход как будто «переворачивает» сигнал. Обратите внимание, что на последнем графике для неинвертирующего усилителя изменилась не только фаза синусоиды, но и знак напряжения: сигнал сместился в отрицательный диапазон. И, конечно же, для такого преобразования сигнала необходимо наличие отрицательного питания.

Не ищите таблицу истинности там, где ее быть не должно

Давайте запустим симулятор электронных схем и попробуем подать на входы операционного усилителя разные комбинации напряжений. Симулятор может быть любым, я использую ISIS Proteus. Он имеет простой дружественный интерфейс, достаточно мощный набор инструментов для моделирования и хорошо знаком любителям Arduino. При этом Proteus подходит не только для моделирования микроконтроллеров, но и неплохо справляется с аналоговыми схемами на основе ОУ.

Эксперименты будем ставить на старом добром LM358 — это сдвоенный маломощный операционный усилитель на биполярных транзисторах. Вы можете смело использовать его в большинстве задач для своих Arduino-проектов. Он стоит копейки и продается в любом магазине за углом, так что даже если что-то сгорит, то будет не так жалко.

Входы ОУ поочередно будем подключать к шинам питания в разных комбинациях. При этом выход переключается в высокий уровень, близкий к верхней шине питания +5 В, или низкий уровень, близкий к общей шине.

Обратите внимание, что низкий электрический уровень на выходе ОУ присутствует только в одном случае — если напряжение инвертирующего входа превышает напряжение на прямом входе. В остальных случаях устанавливается высокий уровень напряжения. При такой постановке эксперимента так и хочется составить таблицу истинности, но делать это точно не стоит.

От чего зависит напряжение на выходе ОУ

Операционный усилитель — все-таки аналоговый прибор, а это значит, что на его входы можно подавать напряжения, не связанные с логическими уровнями. Изменим условия эксперимента, чтобы проверить это. Будем подавать на входы разные уровни напряжения в диапазоне между шинами питания. Чтобы лучше понять принцип работы входов ОУ нужно обратить внимание на вольтметр между входами усилителя.

Эксперимент показывает, что выходное напряжение зависит от разницы напряжений между входами ОУ. Как только напряжение на прямом входе даже незначительно превышает напряжение на инвертирующем, выход операционного усилителя сразу же устанавливает значение, близкое к верхней шине питания. А какие именно напряжения были на входах в этот момент относительно общей шины питания, не так уж и важно. Важно только, чтобы они не выходили за допустимые пределы для конкретной модели ОУ, иначе что-нибудь обязательно сгорит.

Питание ОУ может быть двуполярным, а входные сигналы отрицательными

Мы привыкли, что цифровые схемы питаются относительно одной положительной шины относительно общего провода. Чаще всего это 5 В или 3,3 В. При этом цифровые схемы очень требовательны к стабильности напряжения питания, обычно отклонения не могут быть больше 10%.

Аналоговые сигналы, в отличие от цифровых, далеко не всегда попадают в диапазон логических уровней и могут выходить за них или иметь отрицательное значение амплитуды. Поэтому в реальных схемах иногда бывает необходимо обеспечить расширенный диапазон напряжений питания и дополнительно использовать отрицательную шину питания.

Способность ОУ работать при двуполярном питании — это важное отличие аналоговых схем от цифровых. Например, LM358 может работать при напряжениях от 3 В до 30 В или при двуполярном напряжении до ±15 В. Компаратор LM393 имеет аналогичные параметры: напряжение питания от 2 В до 30 В.

Еще раз повторим наш бессмысленный эксперимент в разомкнутом контуре, но уже при двухполярном питании ОУ.

Логика работы усилителя не изменилась даже в отрицательном диапазоне входных напряжений. Отдельно обратите внимание, что связь ОУ по питанию с общим проводом (GND) в этом случае производится только через источник входного сигнала, а выходное напряжение переключается между положительной и отрицательной шинами. Специального вывода для подключения к общей шине (GND) у ОУ нет.

Разомкнутый контур операционного усилителя

Эксперименты выше наглядно показывают, что никакой таблицы истинности у нас не получается. Особенность схемы, которую мы использовали, заключается в отсутствии какой-либо внешней обратной связи между выходом и входами операционного усилителя. Такой способ включения обычно называют разомкнутым контуром (open loop). Получается, что в режиме с разомкнутым контуром ОУ выполняет функцию детектора знака разности входных сигналов, то есть фактически имеем аналоговый компаратор.

Выходной сигнал зависает на одной из шин питания из-за высокого собственного коэффициента усиления ОУ с разомкнутым контуром (open-loop gain). Этот коэффициент обычно может достигать сотен тысяч. На виртуальной модели видно, что даже незначительная положительная разница между входами ОУ, помноженная на огромный коэффициент усиления, заставляет выход ОУ сразу же упереться в верхнюю шину питания, а отрицательная разница — в нижнюю шину.

Детектор знака разности мы получаем именно благодаря высокому коэффициенту усиления микросхемы, и это никак не является логической функцией ОУ. Такой способ включения использовать не рекомендуется. Давайте разбираться почему.

Компаратор и ОУ — братья-близнецы?

Действительно, разница между ОУ и компаратором может показаться неочевидной. В некоторых случаях с первого взгляда даже их даташиты различить сложно.

Но зачем же тогда выпускают специализированные интегральные микросхемы-компараторы, например LM393? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте бегло заглянем внутрь этих двух микросхем.

Что скрывается внутри ОУ?

Если верить даташитам, то внутри LM358 можно выделить три основных каскада: входной дифференциальный усилитель, усилитель напряжения, выходной усилитель мощности.

Транзисторы Q2 – Q3 образуют входной дифференциальный каскад, формирующий сигнал разности между входными напряжениями. Токовое зеркало Q5, Q6 в нагрузке дифкаскада позволяет получить высокий коэффициент подавления синфазных помех и усиление по напряжению. Эмиттерные повторители на Q1, Q4 снижают входной ток, обеспечивая высокое входное сопротивление относительно общей шины.

На транзисторах Q7 – Q10 выполнен усилитель напряжения. Благодаря миллеровскому конденсатору между входом Q7 и выходом Q9 каскад обладает высоким коэффициентом усиления и частотной стабильностью. Транзисторы Q11 – Q13 представляют собой выходной push-pull усилитель класса AB.

Благодаря такой связке усилителей с высокими коэффициентами усиления по напряжению получается очень высокий общий коэффициент усиления с открытым контуром (Aol — open-loop gain). А сложная организация источников тока позволяет добиться высокой стабильности.

Именно из-за высокого коэффициента усиления выход ОУ в схеме с открытым контуром притягивается к одной из шин питания даже при небольшой разнице между входными сигналами.

Все это необходимо для повышения качества усиления. Усилитель в первую очередь должен обеспечить максимальное сходство между входным и выходным сигналом, его схема не должна вносить искажения в их форму. Все-таки микросхема проектировалась для работы в схемах с отрицательными обратными связями. А способность сравнивать аналоговые сигналы между собой не является основной задачей, поэтому можно пожертвовать некоторым снижением скорости нарастания выходного сигнала.

Чем компаратор отличается от ОУ?

Давайте теперь сравним схему ОУ LM358 с компаратором LM393. На первый взгляд они очень похожи.

Схема компаратора LM393 имеет аналогичный дифференциальный усилитель Q1 – Q4 по входу, усиливающий разность между входными сигналами, с дополнительными эмиттерными повторителями Q1 и Q4 для повышения входного сопротивления. Но в отличие от схемы ОУ, мы можем увидеть дополнительный транзистор Q15 (VCM Clamp: V — voltage, CM — common-mode, clamp — ограничитель). Он не позволяет уходить в глубокое насыщение входным транзисторам, что значительно ускоряет процесс переключения компаратора. А также обеспечивается небольшой гистерезис, исключая подвисание выходного сигнала при равенстве входных.

Источник тока и тут спрятали под названием Internal Bias, но он в схеме один. А передача стабилизированного тока в каскады осуществляется с помощью токовых зеркал Q9 – Q14 для упрощения схемотехники.

Можно выделить усилитель напряжения на Q7, Q13, но уже без миллеровского конденсатора. Это делает усилитель более быстродействующим.

А вот выходного усилителя тока в схеме фактически нет, его заменяет транзисторный ключ Q8, то есть выходной каскад не имеет транзистора в верхнем плече. Мы имеем выход с открытым коллектором. Следовательно, он должен быть подтянут с помощью резистора к плюсовой шине питания. Если правильно подобрать сопротивление подтягивающего резистора, амплитуда выходного сигнала может четко соответствовать логическим уровням вашего микроконтроллера.

При необходимости можно подтянуть выход компаратора к напряжению выше, чем запитан компаратор. Важно, чтоб потенциал подтяжки не превышал предельно допустимое напряжение для коллектора встроенного транзистора, обычно оно совпадает с предельным напряжением питания микросхемы. И сопротивление подтягивающего резистора должно ограничивать ток коллектора не выше допустимого значения — обычно это не более 25 мА. Это бывает удобно и используется, когда необходимо согласование логического уровня с другим устройством, работающим на более высоком напряжении.

Подтягивать резистор к потенциалу ниже, чем напряжение питания компаратора, категорически запрещено. Это может привести к открытию база-коллекторного перехода выходного транзистора Q8, увеличению тока через выводы питания компаратора и даже выходу его из строя.

Схема оптимизирована на максимальную скорость переключения. Эта оптимизация не позволит использовать компаратор в качестве усилителя.

Почему ОУ — это плохой компаратор?

Попробуем использовать LM358 как компаратор в симуляторе. На виртуальной модели вы не увидите никаких проблем, ОУ будет честно переключать выход между шинами питания при малейшей разнице между своими входами. Повторим аналогичный эксперимент для компаратора LM393. Сразу бросается в глаза, что благодаря подтягивающему резистору, выходной сигнал компаратора ближе притягивается к плюсовой шине, чем у операционного усилителя.

Если растянуть график и сравнить длительность переключения сигналов, то станет заметно, что ОУ значительно отстает от компаратора по скорости переключения выходного сигнала. А это уже может доставить немало хлопот. Медленный фронт дает дополнительные задержки и может стать причиной ложных срабатываний входов цифровых микросхем. Также это приводит к дополнительным тепловым потерям.

Если поднять частоту входного сигнала, мы увидим, что для быстрых сигналов переключение будет заметно запаздывать из-за ограничений по скорости нарастания выходного сигнала. А для медленных возможно «зависание», когда на выходе появляется высокочастотный шум в момент равенства входных напряжений. Жаль, этот эффект не получается воспроизвести в симуляторе.

Заключение

Операционный усилитель и компаратор решают разные задачи. Высокий коэффициент усиления с открытым контуром нужен ОУ не для работы в разомкнутой цепи в качестве компаратора, а для обеспечения высокой точности и линейности в усилительном режиме с отрицательной обратной связью.

Не путайте коэффициент усиления ОУ с открытым контуром и коэффициент усиления усилительного каскада на основе ОУ. Коэффициент усиления ОУ с открытым контуром — это характеристика микросхемы. Коэффициент усиления усилительного каскада на основе ОУ — это параметр электрической схемы, построенной на основе ОУ.

В роли компаратора ОУ, подобные LM358, уступают по задержке распространения сигнала, скорости нарастания и времени восстановления, а также имеют значительные ограничения по размаху выходного напряжения и неудобны в согласовании уровней с логическими микросхемами.

Для быстрого порогового срабатывания всегда выбирайте компаратор, хотя бы LM393. Не забывайте про выход с открытым коллектором: подтягивайте его через резистор к плюсовой шине питания, соблюдая предельные напряжения и ток.

Использование ОУ в качестве компаратора, хотя и возможно теоретически, практически нецелесообразно ввиду низкой производительности и риска возникновения ошибок. В старых схемах допускалось применение операционных усилителей в роли компараторов. Но сейчас это не имеет особого смысла. Лучше применять специализированные интегральные компараторы, такие как LM393.