مقایسه کننده با آپ امپ

مقایسه کننده یک مدار تصمیم گیری الکترونیکی است که از بهره بسیار زیاد تقویت کننده عملیاتی در حالت حلقه باز استفاده می‌کند، یعنی هیچ مقاومت فیدبکی وجود ندارد. در این مقاله طراحی مقایسه کننده با آپ امپ را شرح می‌دهیم.

مقایسه کننده آپ امپ یک سطح ولتاژ آنالوگ را با یک سطح ولتاژ آنالوگ دیگر یا یک ولتاژ مرجع از پیش تعیین شده (Vref) مقایسه می‌کند و بر اساس این مقایسه ولتاژ، سیگنال خروجی تولید می‌کند. به عبارت دیگر، مقایسه کننده ولتاژ آپ امپ بزرگی دو ورودی ولتاژ را مقایسه می‌کند و تعیین می‌کند که کدام یک از این دو بزرگ‌تر است.

در مقاله‌های قبلی دیدیم که از تقویت کننده عملیاتی می‌توان با فیدبک منفی برای کنترل بزرگی سیگنال خروجی آن در منطقه خطی و انجام عملکردهای مختلف استفاده کرد. همچنین مشاهده کردیم که تقویت کننده عملیاتی استاندارد با بهره حلقه باز (AO) شناسایی شده و ولتاژ خروجی آن با این عبارت محاسبه می‌شود: Vout=AO(V+-V–)، که در آن V+ و V– به ترتیب با ولتاژهای ترمینال‌های معکوس و غیر معکوس کننده مطابقت دارند.

از طرف دیگر، مقایسه كننده‌های ولتاژ برای تغییر خروجی آن بین دو حالت اشباع، یا از فیدبک مثبت استفاده می‌كنند و یا از هیچ فیدبکی استفاده نمی‌کنند (حالت حلقه باز)، زیرا در حالت حلقه باز، بهره ولتاژ تقویت كننده اساسا برابر با AVO است. سپس با توجه به این بهره زیاد حلقه باز، هنگام اعمال سیگنال ورودی متغیر، که از یک مقدار آستانه از پیش تعیین شده عبور می‌کند، خروجی مقایسه کننده کاملا به ریل تغذیه مثبت (+VCC) یا کاملا به ریل تغذیه منفی (-VCC) آن تغییر می‌کند.

مقایسه کننده آپ امپ حلقه باز، یک مدار آنالوگ است که در منطقه غیر خطی خود کار می‌کند، زیرا تغییر در دو ورودی آنالوگ (V+ و V–) باعث می‌شود مانند یک دستگاه دیجیتال بای آستابل رفتار کند، چراکه تریگر (تحریک) آن باعث می‌شود که دو خروجی ممکن داشته باشد (+VCC یا -VCC). پس می‌توان گفت که مقایسه کننده ولتاژ اساسا یک مبدل آنالوگ به دیجیتال یک بیتی است، زیرا سیگنال ورودی آنالوگ است اما خروجی به صورت دیجیتالی رفتار می‌کند.

مدار مقایسه کننده ولتاژ آپ امپ ساده زیر را در نظر بگیرید.

مدار مقایسه کننده آپ امپ

۱. مدار مقایسه کننده آپ امپ

با اشاره به مدار مقایسه‌کننده آپ امپ بالا، ابتدا فرض می‌کنیم Vin کمتر از ولتاژ DC در Vref باشد (Vin<Vref). از آنجا که ورودی غیر معکوس کننده (مثبت) مقایسه کننده کمتر از ورودی معکوس کننده (منفی) است، خروجی کم و در ولتاژ تغذیه منفی (-VCC) خواهد بود و منجر به اشباع منفی خروجی می‌شود.

حال اگر ولتاژ ورودی (Vin) را افزایش دهیم تا مقدار آن بیشتر از ولتاژ مرجع (Vref) در ورودی وارونگر شود، ولتاژ خروجی به سرعت به سمت بالا و ولتاژ تغذیه مثبت (+VCC) سوئیچ می‌کند و منجر به اشباع مثبت خروجی می‌شود. اگر دوباره ولتاژ ورودی (Vin) را کاهش دهیم، به طوری که کمی از ولتاژ مرجع کمتر شود، خروجی آپ امپ به ولتاژ اشباع منفی خود باز می‌گردد و به عنوان یک آشکارساز آستانه عمل می‌کند.

پس می‌توانیم ببینیم که مقایسه کننده ولتاژ آپ‌امپ دستگاهی است که خروجی آن به مقدار ولتاژ ورودی (Vin) نسبت به یک سطح ولتاژ DC وابسته است، چراکه وقتی ولتاژ ورودی غیر وارونگر از ولتاژ ورودی وارونگر بیشتر باشد، خروجی بالا است و هنگامی که ولتاژ ورودی غیر وارونگر از ولتاژ ورودی وارونگر کمتر باشد، خروجی کم است. این شرط، فارغ از اینکه سیگنال ورودی به ترمینال وارونگر یا غیر وارونگر مقایسه کننده متصل باشد، درست است.

همچنین می‌توان دریافت که مقدار ولتاژ خروجی کاملا به ولتاژ تغذیه آپ امپ وابسته است. از نظر تئوری، به دلیل بهره حلقه باز زیاد آپ امپ، مقدار ولتاژ خروجی آن می‌تواند در هر دو جهت بینهایت باشد (±∞). اما در عمل و به دلایل بدیهی، توسط ریل‌های منبع تغذیه محدود می‌شود و Vout برابر با +VCC یا -VCC خواهد بود.

پیش‌تر گفتیم که مقایسه کننده آپ امپ ساده، با مقایسه ولتاژ ورودی آن نسبت به یک ولتاژ مرجع DC از پیش تعیین شده، ولتاژ مثبت یا منفی تولید می‌کند. عموما از یک تقسیم کننده ولتاژ مقاومتی برای تنظیم ولتاژ مرجع ورودی یک مقایسه کننده استفاده می‌شود، اما همانطور که نشان داده شده، یک منبع باتری، دیود زنر یا پتانسیومتر نیز برای ولتاژ مرجع متغیر می‌توانند استفاده شوند.

ولتاژهای مرجع مقایسه کننده

۲. ولتاژهای مرجع مقایسه کننده

از نظر تئوری، می‌توان ولتاژ مرجع مقایسه کننده را بین 0V و ولتاژ تغذیه تنظیم کرد، اما بسته به دستگاه مقایسه کننده آپ امپ مورد استفاده، محدودیت‌های عملی در دامنه ولتاژ واقعی وجود دارد.

مقایسه کننده‌های ولتاژ مثبت و منفی

۳. مقایسه کننده‌های ولتاژ مثبت و منفی

بسته به این که منبع ولتاژ مرجع ثابت و ولتاژ ورودی را به کدام ورودی تقویت کننده عملیاتی متصل کنیم، از مدار مقایسه کننده آپ امپ ساده می‌توان برای تشخیص ولتاژ ورودی بالا رونده یا پایین رونده استفاده کرد. در مثال‌های بالا، از ورودی وارونگر برای تنظیم ولتاژ مرجع استفاده کرده و ولتاژ ورودی را به ورودی غیر وارونگر متصل کرده‌ایم.

اما به همین ترتیب می‌توانیم ورودی‌های مقایسه کننده را برعکس متصل کرده و سیگنال خروجی را به آنچه در بالا نشان داده شده تبدیل کنیم. پس یک مقایسه کننده آپ امپ می‌تواند طوری تنظیم شود که در پیکربندی وارونگر یا غیر وارونگر عمل کند.

مقایسه کننده ولتاژ مثبت

پیکربندی اساسی برای مقایسه کننده ولتاژ مثبت، که به عنوان مدار مقایسه کننده غیر وارونگر نیز شناخته می‌شود، تشخیص می‌دهد که چه زمانی سیگنال ورودی (Vin) بالاتر یا مثبت‌تر از ولتاژ مرجع (Vref) است و یک خروجی در Vout تولید می‌کند که بالا است.

مدار مقایسه کننده غیر معکوس گر

۴. مدار مقایسه کننده غیر وارونگر

در این پیکربندی غیر وارونگر، ولتاژ مرجع به ورودی وارونگر تقویت کننده عملیاتی و سیگنال ورودی به ترمینال غیر وارونگر متصل است. برای ساده نگه داشتن مسئله، فرض کرده‌ایم که دو مقاومت تشکیل دهنده شبکه تقسیم ولتاژ برابر هستند، به طوری که R۱=R۲=R. این یک ولتاژ مرجع ثابت تولید می‌کند که نیمی از ولتاژ تغذیه است، یعنی VCC/۲، در حالی که ولتاژ ورودی از صفر تا ولتاژ تغذیه متغیر است.

هنگامی که Vin از Vref بیشتر باشد، خروجی مقایسه کننده آپ امپ به سمت ریل تغذیه مثبت (VCC) اشباع می‌شود. هنگامی که Vin کمتر از Vref باشد، خروجی مقایسه کننده آپ امپ تغییر حالت داده به سمت ریل تغذیه منفی (0V) اشباع می‌شود.

مقایسه کننده ولتاژ منفی

پیکربندی اساسی برای مقایسه کننده ولتاژ منفی، که به عنوان مدار مقایسه کننده وارونگر نیز شناخته می‌شود، تشخیص می‌دهد که چه زمانی سیگنال ورودی (Vin) کمتر یا منفی‌تر از ولتاژ مرجع (Vref) است و یک خروجی در Vout تولید می‌کند که بالا است.

مدار مقایسه کننده وارونگر

۵. مدار مقایسه کننده وارونگر

در پیکربندی وارونگر، که مخالف پیکربندی مثبت بالا است، ولتاژ مرجع به ورودی غیر وارونگر تقویت کننده عملیاتی و سیگنال ورودی به ترمینال وارونگر متصل است. پس هنگامی که Vin کمتر از Vref باشد، خروجی مقایسه کننده آپ امپ به سمت ریل تغذیه مثبت (VCC) اشباع می‌شود.

برعکس این نیز درست است، وقتی Vin از Vref بیشتر باشد، خروجی مقایسه کننده آپ امپ تغییر حالت داده و به سمت ریل تغذیه منفی (0V) اشباع می‌شود.

پس بسته به اینکه از کدام ورودی آپ امپ برای سیگنال و ولتاژ مرجع استفاده کنیم، می‌توانیم یک خروجی وارونگر یا غیر وارونگر تولید کنیم. می‌توانیم این ایده برای تشخیص سیگنال پایین رونده یا بالا رونده را یک قدم جلوتر برده و با ترکیب دو مدار مقایسه کننده آپ امپ بالا، یک مدار مقایسه کننده پنجره‌ای تولید کنیم.

مقایسه کننده پنجره‌ای

مقایسه كننده پنجره‌ در واقع مقایسه كننده‌های معکوس کننده و غیر معکوس کننده بالا هستند که در یك مرحله مقایسه كننده ترکیب شده‌اند. مقایسه کننده پنجره‌ای، به جای نشان دادن این که ولتاژ ورودی بیشتر یا کمتر از یک نقطه مرجع از پیش تعیین شده است، سطح ولتاژهای ورودی که در یک باند یا پنجره ولتاژ مشخص هستند، تشخیص می‌دهد.

این بار، به جای تنها یک مقدار ولتاژ مرجع، مقایسه کننده پنجره‌ای دارای دو ولتاژ مرجع است که توسط یک جفت مقایسه کننده ولتاژ اجرا می‌شود، یکی که در مقایسه با یک آستانه ولتاژ بالا (Vref(upper)) یکی از مقایسه کننده‌های آپ امپ را تریگر می‌کند و دیگری که در مقایسه با سطح آستانه ولتاژ پایین (Vref(lower)) مقایسه کننده آپ امپ دیگر را تریگر می‌کند. پس سطوح ولتاژ بین این دو ولتاژ مرجع بالا و پایین، «پنجره» نامیده می‌شود و نام آن نیز از این رو انتخاب شده است.

با استفاده از ایده بالا در مورد یک شبکه تقسیم ولتاژ، اگر اکنون از سه مقاومت برابر استفاده کنیم، به طوری که R۱=R۲=R۳=R، می‌توانیم همانطور که نشان داده شده، یک مدار مقایسه کننده پنجره‌ای بسیار ساده تولید کنیم. همچنین، از آنجا که مقادیر مقاومت همگی برابر هستند، افت ولتاژ دو سر هر مقاومت نیز یک سوم ولتاژ تغذیه (یعنی (1/3)VCC) خواهد بود. بنابراین برای سهولت، در این مثال مقایسه کننده پنجره‌ای ساده، می‌توانیم ولتاژ مرجع بالایی را (2/3)VCC و ولتاژ مرجع پایین را (1/3)VCC تنظیم کنیم.

مدار مقایسه کننده پنجره‌ای زیر را در نظر بگیرید.

مدار مقایسه کننده پنجره‌ای

۶. مدار مقایسه کننده پنجره‌ای

در شرایط سوئیچینگ اولیه مدار، خروجی کلکتور باز آپ امپ A۱ «خاموش» و خروجی کلکتور باز آپ امپ A۲ «روشن» (جریان سینک) است، بنابراین Vout برابر است با 0V.

وقتی Vin کمتر از سطح ولتاژ پایین (Vref(lower)) باشد، که برابر است با (1/3)VCC، خروجی پایین خواهد بود. هنگامی که Vin از این سطح ولتاژ پایین (1/3)VCC فراتر می‌رود، اولین مقایسه کننده آپ امپ این را تشخیص داده و خروجی کلکتور باز خود را به  بالا تغییر می‌دهد. این بدان معنی است که خروجر هر دو آپ امپ به طور همزمان بالا هستند. هیچ جریانی از مقاومت بالا کش (RL) عبور نمی‌کند، بنابراین Vout برابر است با VCC.

با ادامه افزایش خود، Vin از سطح ولتاژ بالایی (Vref(upper))، که برابر است با (2/3)VCC، عبور می‌کند. در این مرحله، مقایسه کننده آپ امپ دوم این را تشخیص می‌دهد و خروجی خود را به پایین تغییر می‌دهد و Vout برابر با 0V می‌شود.

پس تفاوت بین Vref(upper) و Vref(lower) (که در این مثال (2/3)VCC-(1/3)VCC است) پنجره سوئیچینگ سیگنال بالا رونده را تشکیل می‌دهد.

حال فرض می‌کنیم Vin در حداکثر مقدار خود و برابر با VCC باشد. با کاهش ولتاژ ورودی، Vin از سطح ولتاژ بالایی (Vref(upper)) مقایسه کننده آپ امپ دوم عبور کرده و خروجی آن را به بالا تغییر می‌دهد. با ادامه این کاهش، Vin بار دیگر از سطح ولتاژ پایین (Vref(lower)) مقایسه کننده آپ امپ اول عبور کرده و خروجی را به پایین تغییر می‌دهد.

پس تفاوت بین Vref(upper) و Vref(lower) پنجره سیگنال پایین رونده را تشکیل می‌دهد. بنابراین می‌توانیم ببینیم که با عبور Vin از سطوح مرجع بالا یا پایین تنظیم شده توسط دو مقایسه کننده آپ امپ، سیگنال خروجی (Vout) بالا یا پایین خواهد بود.

در این مثال ساده، سطح تریپ بالایی را (2/3)VCC و سطح تریپ پایین را (1/3)VCC تنظیم کرده‌ایم (زیرا از سه مقاومت برابر استفاده کردیم)، اما با تنظیم آستانه‌های ورودی، این سطوح می‌توانند هر مقداری که نیاز داریم باشند. در نتیجه، عرض پنجره را می‌توان برای یک کاربرد خاص، تنظیم کرد.

اگر از منبع تغذیه دوگانه استفاده کنیم و سطح تریپ بالا و پایین را مثلا در ±10V تنظیم کنیم و Vin یک شکل موج سینوسی باشد، آن گاه می‌توانیم از این مدار مقایسه کننده پنجره‌ای به عنوان آشکارساز عبور از صفر موج سینوسی استفاده کنیم که خروجی آن، هر بار که موج سینوسی از خط صفر ولت، از مثبت به منفی یا منفی به مثبت، عبور می‌کند، بالا یا پایین است.

می‌توانیم با اتصال تعدادی مقایسه کننده آپ امپ مختلف به هم با سیگنال ورودی مشترک، این ایده تشخیص سطح ولتاژ جلوتر ببریم، به طوری که هر مقایسه کننده از ولتاژ مرجع متفاوتی استفاده می‌کند که توسط شبکه تقسیم ولتاژ، که با آن آشنا هستیم، تنظیم شده است. مدار آشکارساز سطح ولتاژ زیر را در نظر بگیرید.

آشکارساز سطح ولتاژ

۷. آشکارساز سطح ولتاژ

همانطور که در بالا گفته شد، شبکه تقسیم ولتاژ مجموعه‌ای از ولتاژهای مرجع را برای مدارهای مقایسه کننده آپ امپ جداگانه فراهم می‌کند. برای تولید چهار ولتاژ مرجع، به پنج مقاومت نیاز است. اتصال دو مقاومت پایینی، ولتاژ مرجعی را تولید می‌کند که یک پنجم ولتاژ تغذیه ((1/5)VCC) است (با استفاده از مقاومت‌های برابر). جفت دوم (2/5)VCC، جفت سوم (3/5)VCC و غیره، به طوری که این ولتاژهای مرجع با مقدار ثابت یک پنجم افزایش یافته و به (5/5)VCC، که در واقع خود VCC است، می‌رسند.

با افزایش ولتاژ ورودی مشترک، خروجی هر مدار مقایسه کننده آپ امپ به نوبت تغییر می‌کند و در نتیجه با افزایش ولتاژ ورودی، LED متصل شده به هر کدام، از مقایسه کننده پایین‌تر (A۴) به سمت بالا تا A۱، خاموش می‌شود. بنابراین با تنظیم مقادیر مقاومت‌ها در شبکه تقسیم ولتاژ، می‌توان مقایسه کننده‌ها را برای تشخیص هر سطح ولتاژ پیکربندی کرد. یک مثال خوب برای استفاده از آشکارساز و نمایش دهنده سطح ولتاژ، مانیتور وضعیت باتری است که با معکوس کردن LED ها و اتصال آنها به 0V (زمین) به جای VCC انجام می‌شود.

همچنین با افزایش تعداد مقایسه کننده‌های آپ امپ در مجموعه، می‌توان نقاط تریگر بیشتری ایجاد کرد. بنابراین به عنوان مثال، اگر هشت مقایسه کننده آپ امپ در زنجیره داشته باشیم و خروجی هر مقایسه کننده را به یک اینکدر دیجیتال 8 به 3 تغذیه کنیم، می‌توانیم یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) بسیار ساده بسازیم که سیگنال ورودی آنالوگ را به یک کد باینری 3 بیتی (0 تا 7) تبدیل می‌کند.

مقایسه کننده آپ امپ وارونگر با هیسترزیس

۸. مقایسه کننده آپ‌امپ وارونگر با هیسترزیس

در مدار مقایسه کننده وارونگر بالا، Vin به ورودی وارونگر آپ امپ اعمال شده است. مقاومت‌های R۱ و R۲ یک شبکه تقسیم ولتاژ تشکیل داده و فیدبک مثبت را تامین می‌کنند، به طوری که بخشی از ولتاژ خروجی در ورودی غیر وارونگر ظاهر می‌شود. مقدار فیدبک در ورودی غیر وارونگر با توجه به نسبت مقادیر دو مقاومت تعیین شده و به صورت زیر محاسبه می‌شود:

معادله تقسیم کننده ولتاژ

که در آن: از β (بتا) می‌توان برای نشان دادن کسر فیدبک استفاده کرد.

هنگامی که سیگنال ورودی از ولتاژ مرجع کمتر باشد (Vin<Vref)، ولتاژ خروجی بالا و برابر با ولتاژ اشباع مثبت خواهد بود (VOH). از آنجا که خروجی بالا و مثبت است، مقدار ولتاژ مرجع در ورودی غیر وارونگر تقریبا برابر خواهد بود با +β×V که به آن نقطه تریپ بالا یا UTP گفته می‌شود.

با افزایش سیگنال ورودی، Vin برابر با این سطح ولتاژ نقطه تریپ بالا (VUTP) در ورودی غیر وارونگر می‌شود. این امر باعث می‌شود که خروجی مقایسه کننده به حالت پایین تغییر کند و مانند قبل برابر ولتاژ اشباع منفی شود (VOL).

اما این بار تفاوتی وجود دارد، به این صورت که یک مقدار ولتاژ نقطه تریپ دوم ایجاد می‌شود، زیرا در نتیجه ولتاژ اشباع منفی در خروجی، اکنون یک ولتاژ منفی در ورودی غیر معکوس کننده ظاهر می‌شود که برابر است با -β×V. پس اکنون سیگنال ورودی باید زیر این سطح ولتاژ دوم، که به آن نقطه تریپ پایین یا LTP گفته می‌شود، قرار گیرد تا خروجی مقایسه کننده ولتاژ تغییر کند و دوباره به حالت مثبت اصلی خود بازگردد.

بنابراین می‌توانیم ببینیم که وقتی خروجی تغییر حالت می‌دهد، ولتاژ مرجع در ورودی غیر وارونگر نیز تغییر می‌کند و دو مقدار مختلف ولتاژ مرجع و دو نقطه سوئیچینگ متفاوت ایجاد می‌کند. یکی نقطه تریپ بالا (UTP) و دیگری نقطه تریپ پایین (LTP) نامیده می‌شود. تفاوت این دو نقطه به هیسترزیس معروف است.

مقدار هیسترزیس توسط کسر فیدبک (β) ولتاژ خروجی برگشتی به ورودی غیر وارونگر تعیین می‌شود. مزیت فیدبک مثبت این است که مدار اشمیت تریگر مقایسه کننده در برابر تحریک نامنظم ناشی از نویز یا تغییر آرام سیگنال‌های ورودی در باند هیسترزیس مصون است و یک سیگنال خروجی تمیزتر تولید می‌کند، چراکه خروجی مقایسه کننده آپ امپ تنها یک بار تریگر می‌شود.

بنابراین برای ولتاژهای خروجی مثبت، Vref=+β×VCC، اما برای ولتاژهای خروجی منفی، Vref=-β×VCC. پس می‌توان گفت که مقدار هیسترزیس ولتاژ به صورت زیر محاسبه می‌شود:

همچنین می‌توانیم با جابجایی ترمینال‌های ورودی و مرجع، یک مدار مقایسه کننده آپ امپ غیر وارونگر با هیسترزیس داخلی تولید کنیم:

مقایسه کننده آپ امپ غیر معکوس کننده با هیسترزیس

۹. مقایسه کننده آپ امپ غیر وارونگر با هیسترزیس

مقایسه کننده، مثال ۱

قرار است از یک تقویت کننده عملیاتی با فیدبک مثبت برای تولید مدار اشمیت تریگر استفاده شود. اگر R۱=10kΩ و R۲=90kΩ و اگر آپ امپ به منبع تغذیه دوگانه ±10V متصل شده باشد، نقاط سوئیچینگ بالا و پایین ولتاژ مرجع و پهنای هیسترزیس را به دست آورید.

با توجه به این که: R۱=10kΩ و R۲=90kΩ و منبع تغذیه +VCC=10V و -VCC=-10V.

کسر فیدبک:

ولتاژ نقطه تریپ بالا (VUTP)

ولتاژ نقطه تریپ پایین (VLTP)

پهنای هیسترزیس

پس با اشباع خروجی از یک سطح به سطح دیگر، ولتاژ مرجع (Vref) بین +1V و -1V سوئیچ می‌کند. امیدواریم که از این مثال ساده بتوانید ببینید که پهنای هیسترزیس، که در کل 2 ولت است، به سادگی و با تنظیم نسبت تقسیم ولتاژ مقاومت‌های فیدبک (R۱ و R۲) بزرگ‌تر یا کوچک‌تر می‌شود.

مقایسه کننده ولتاژ

اگرچه می توانیم از تقویت کننده‌های عملیاتی مانند ۷۴۱ به عنوان یک مدار مقایسه کننده ساده استفاده کنیم، مشکل این است که آپ امپ‌ها تنها برای عملکرد خطی بهینه شده‌اند. یعنی ترمینال‌های ورودی عملا در سطح ولتاژ یکسانی هستند و مرحله خروجی آن برای تولید ولتاژ خروجی خطی طراحی شده است که برای مدت طولانی اشباع نشده باشد. همچنین تقویت کننده‌های عملیاتی استاندارد برای استفاده در کاربردهای حلقه بسته با فیدبک منفی از خروجی آن تا ورودی وارونگر طراحی شده‌اند.

از طرف دیگر، مقایسه کننده ولتاژ اختصاصی دستگاهی غیر خطی است که به دلیل بهره بسیار زیاد، هنگامی که سیگنال‌های ورودی تفاوت نسبتا کمی داشته باشند، امکان اشباع شدید را فراهم می‌کند. تفاوت بین مقایسه کننده آپ امپ و مقایسه کننده ولتاژ در مرحله خروجی است، چراکه یک آپ امپ استاندارد دارای یک مرحله خروجی است که برای عملکرد خطی بهینه شده است، در حالی که مرحله خروجی مقایسه کننده ولتاژ برای عملکرد اشباع مداوم بهینه شده است، زیرا طوری در نظر گرفته شده است که همواره نزدیک به یکی از ریل‌های تغذیه باشد و در بین آنها نباشد.

مقایسه کننده‌های تجاری مانند مقایسه کننده تک LM311، مقایسه کننده چهارگانه LM339 یا مقایسه کننده دیفرانسیلی دوگانه LM393، مقایسه کننده‌هایی هستند که در بسته های IC استاندارد ارائه می‌شوند و با منبع تغذیه واحد یا دوگانه کار می‌کنند. این مقایسه کننده‌های ولتاژ اختصاصی تنها با هدف سوئیچینگ سریع خروجی از یک حالت اشباع و حالت دیگر طراحی شده‌اند، چراکه ترانزیستورهای مورد استفاده برای مرحله خروجی مقایسه کننده ولتاژ، عموما ترانزیستورهای سوئیچینگ هستند.

از آنجا که مقایسه کننده‌های ولتاژ یک سیگنال ورودی خطی را به یک سیگنال خروجی دیجیتال تبدیل می‌کنند، معمولا برای اتصال دو سیگنال الکتریکی غیر مشابه با ولتاژهای منبع تغذیه یا مرجع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. در نتیجه، مرحله خروجی مقایسه کننده ولتاژ، به جای ولتاژهای خروجی واقعی، معمولا به عنوان یک سوئیچ ترانزیستوری کلکتور باز (یا درین باز) با حالت باز یا بسته تنظیم می‌شوند.

مدار مقایسه کننده ولتاژ

۱۰. مدار مقایسه‌کننده ولتاژ

در اینجا، خروجی کلکتور باز از مقایسه کننده ولتاژ از طریق یک مقاومت بالا کش (و یک LED برای نشان دادن) به منبع ولتاژ متصل می‌شود که خروجی را به سمت منبع تغذیه بالا می‌کشد. وقتی سوئیچ خروجی بالا است، یک مسیر با امپدانس بالا ایجاد می‌کند، بنابراین هیچ جریانی عبور نمی‌کند، چراکه Vout=VCC.

هنگامی که مقایسه کننده تغییر حالت می‌دهد و سوئیچ خروجی پایین است، یک مسیر با امپدانس کم به زمین ایجاد می‌کند و جریان از طریق مقاومت بالا کش (و LED) جاری می‌شود که باعث افت ولتاژ روی خود شده و خروجی به تغذیه پایین می‌رسد، در این مورد، زمین.

سپس می‌توان دریافت که بین نماد شماتیک مقایسه کننده آپ امپ و مقایسه کننده ولتاژ یا مدارهای داخلی آنها تفاوت بسیار کمی وجود دارد. تفاوت اصلی در مرحله خروجی است و پیکربندی کلکتور باز یا درین باز برای تحریک رله‌ها، روشن کردن لامپ‌ها و غیره مفید است. با تحریک یک ترانزیستور در خروجی، ظرفیت جریان سوئیچینگ بیشتری نسبت به خروجی مقایسه کننده به تنهایی امکان پذیر است.

خلاصه مقایسه کننده آپ امپ

در این مقاله در مورد مقایسه کننده آپ امپ دیدیم که یک مدار مقایسه کننده، اساسا یک تقویت کننده عملیاتی بدون فیدبک است، یعنی از آپ امپ در پیکربندی حلقه باز استفاده می‌شود و هنگامی که ولتاژ ورودی (Vin) از یک ولتاژ مرجع (Vref) از پیش تعیین شده می‌گذرد، خروجی تغییر حالت می‌دهد.

به دلیل بهره بسیار زیاد حلقه باز تقویت کننده عملیاتی، استفاده از آن با فیدبک مثبت یا حتی بدون فیدبک، باعث اشباع خروجی به ریل تغذیه آن می‌شود و بسته به مقادیر نسبی دو ولتاژ ورودی آن، یکی از دو ولتاژ خروجی مجزا تولید می‌شود. این رفتار ّای آستابل غیرخطی است و اساس مدارهای مقایسه کننده آپ امپ و مدارهای اشمیت تریگر را تشکیل می‌دهد.

مراحل خروجی مقایسه کننده‌های اختصاصی، مانند LM311 تک، LM393 دوگانه یا LM339 چهارگانه برای کار در ناحیه‌های اشباع خود طراحی شده‌اند که به این مدارهای مقایسه ولتاژ اجازه می‌دهند که به طور گسترده در کاربردهای مبدل آنالوگ به دیجیتال و انواع مختلف مدارهای آشکارساز سطح ولتاژ استفاده شوند.

با افزودن فیدبک مثبت بین خروجی و ورودی مقایسه کننده، به راحتی می‌توان رفتار سوئیچینگ نامنظم یک مقایسه کننده حلقه باز را برطرف کرد. با فیدبک مثبت، مدار دارای هیسترزیس است و سوئیچینگ خروجی بین دو نقطه مختلف سوئیچینگ (UTP و LTP) رخ می‌دهد.

مقایسه کننده‌های آپ امپ پنجره‌ای نوعی مدار مقایسه کننده ولتاژ هستند که با استفاده از دو مقایسه کننده آپ امپ یک خروجی دو حالته تولید می‌کنند که با استفاده از دو ولتاژ مرجع، نشان می دهند که ولتاژ ورودی در یک محدوده یا پنجره خاص است یا نه. یک ولتاژ مرجع بالا و یک ولتاژ مرجع پایین.

اگرچه تقویت کننده‌های عملیاتی و مقایسه کننده‌ها ممکن است شبیه به هم باشند، اما بسیار متفاوت هستند و برای استفاده در کاربردهای مختلف طراحی شده‌اند، زیرا از یک آپ امپ می‌توان به عنوان یک مقایسه کننده استفاده کرد اما از یک مقایسه کننده ولتاژ به دلیل مرحله خروجی غیر خطی آن، نمی‌توان به عنوان یک تقویت کننده استفاده کرد.

از آموزش‌های قبلی می‌دانیم که تقویت کننده عملیاتی یک دستگاه آنالوگ با ورودی آنالوگ دیفرانسیلی و یک خروجی آنالوگ است و اگر در پیکربندی حلقه باز از آن استفاده شود، خروجی آن مانند یک خروجی مقایسه کننده عمل می‌کند. اما مقایسه کننده‌های ولتاژ اختصاصی (LM311، LM393، LM339) به طور گسترده در دسترس هستند و عملکرد بسیار بهتری نسبت به یک مقایسه کننده آپ امپ استاندارد دارند.