1

Der ideale Komparator

© Roland Küng, 2009

2

Review

GBP = ? Max. Verstärkung bei 1 kHz ? Bandbreite bei 2 OpAmps ?

3

Komparator

Weil differentielle Verstärkung Ad � ∞

geht Ausgang sofort VOH bzw VOL

wenn Vi minimal > bzw. < Vref wird

4

Komparator

1.63 V

vd

5

Anwendungen

Teekocher: Abschalter bei Siedepunkt

6

OpAmp –Eingänge vertauschen

Aus Gegenkopplung wird Mitkopplung � Instabil

7

Schmitt- TriggerKomparator mit Hysterese

Labiles System

VOL = L- VOH = L+0

=

Vd= 0 gilt nicht mehr !

8

vd

Schmitt- Trigger

invertierende Kennlinie

921

1

21

1

RR

RLv

RR

RLv

TLTH+

⋅=

+

⋅=−+

TH: Threshold High = obere Schwelle

TL: Threshold Low = untere Schwelle

L+ : Obere OpAmp Sättigungsspannung

L- : Untere OpAmp Sättigungsspannung

L-

L+

VTH

VTL

Schmitt- Trigger

invertierend

Hysterese: VTH - VTL

102

1

2

1

R

RLv

R

RLv

TLTH⋅−=⋅−=

+−

Hysterese: VTH - VTL

Nicht-invertierend

Schmitt- Trigger

11

Wozu Hysterese ?

Komparator

ohne

Hysterese

VTH

VLH

Schmitt

Trigger

12

Anwendungen

• Logiksignale: verhindert Mehrfachschalten

• Mechanische Schalter: Entprellen � Genau 1 Schaltvorgang

• Verrauschte digitale Empfangssignale regenerieren

• Relaxations-Oszillatoren

Für Präzisionsschwellen:

L+ und L- begrenzen mit Zenerdioden

OpAmp:

Sättigungsspannungen L+ L- ungenau, typ. 1…2 V weniger als Speisespannung

13

OpAmp - Comparator

OpAmp Comparator

Intern für lineare Verstärkung entworfen

Schlechter Komparator

Intern für schnelles Schalten optimiert

Nicht als Verstärker brauchbar

Eingangstufen sind in etwa identisch, Rest nicht !

14

Relaxations-Oszillator

RC-Glied (Tiefpass)

invertierender Komparator

15

RC -Ladekurve

)1()( / RCteVstVc

−

−=

RCteVstVc

/)( −

⋅=

Zeitkonstante T = RC

16

Relaxations-Oszillator

−+−==

=

−

+⋅⋅=

LLL

für

f

1

VL

VLlnRC2T

0TH

THperiod

21

1TH

RR

RLv

+

⋅=+

17

Rechteck-Dreieck-Oszillator

Integrator mit

T = 1/RC

Nicht-inv. Komparator

mit Hysterese

L+, L- und VTH, VTL

18

Rechteck-Dreieck-Oszillator

f0 = 8.25 kHz

19

Rechteck-Dreieck-Oszillator

−+−

−=

−=

L

VVRCT

L

VVRCT TLTH

2TLTH

1

21 TT

1f

+

=

Für L+ = -L- wird: 2

1TLTH

RLV- V

R⋅==

+

1

2

RCR4

Rf

⋅⋅⋅

=

Allg.:2

1TL

2

1TH

R

RLv

R

RLv

+−−=−=

20

The famous 555 Timer

1

2

1: low

1: off

1: load

2: threshold

2: on

2: ground

VTH = 2/3 VCC VTL = 1/3 VCC

21

The famous 555 Oscillator

1. Laden über RA+RB

2. Entladen über RB

VTH = 2/3 VCC VTL = 1/3 VCC

22

Applikationen des 555

http://en.wikipedia.org/wiki/555_timer_IC

Feuchtesensor mit Cvar

Temperatursensor mit Rvar

Lichtsensor mit Rvar

Joystick mit Potentiometer

Eierkochuhr u.a. Zeituhren

Einschaltverzögerung

Piepston Generator

……

23

Zusammenfassung

OpAmp Schaltungen in Mitkopplung betrieben sind nicht stabil

(d.h. ohmsche Rückführung auf positiven Eingang)

Komparator, Schmitt Trigger, Timer, Oszillatoren

Achtung: Goldene Regel vd = 0 nicht mehr anwendbar

Analyse: Start mit vo in Sättigung, Schwelle berechnen.

Schaltung kippt, wenn vd = v+ - v- das Vorzeichen bezüglich vo wechselt

Hysterese beim Komparator regeneriert Signale

Es gibt spezialisierte Komparatorbausteine die nicht

als OpAmp taugen

Relaxations- und Rechteck-Dreieck-Oszillator sind

einfachste Taktgeber, Timer.

Genauigkeit hängt von Sättigungsspannungen L+, L- ab

24

Papier Design

Ein Sensor liefert je nach Lichtmenge einen Strom von 0…1 mA gegen Masse.

Die Schaltung soll eine lineare Anzeige im Bereich von 0…10 V ansteuern.

Ein Alarmausgang soll auf positive Maximalspannung geschaltet werden,

wenn der Strom 0.6 mA übersteigt. Die Hysterese soll 0.2 mA betragen.

Die Opamps erreichen L+ = 12 V und L- = -12 V.

Speisespannung DC sind geregelt auf + - 15 V

i� v

WandlerLevel

ShifterSchmitt

Trigger

Help: I/V-Wanderinvertierender Summiererinvertierender ST

25

Lab VersuchEin Relaxations-Oszillator ist zu berechnen und aufzubauen

mit folgenden Specs:

1. f = 1 kHz, (symmetrisches Tastverhältnis)

C = 10 nF

Speisung + 12 V, - 12 V

Annahme L+ = 10 V, L- = -10 V

Die Schwelle sollen bei VTH = 4 V und VTL = -4 V liegen

OpAmp 741 oder TL081

2. Gleiche Daten aber für Dreieck-Generator

Steckbrett Sünden vermeiden:

- Speisungszuleitung: + rot, - blau, GND schwarz

- Masseschiene benutzen

- Jeweils möglichst kurze Drähte benutzen

- Generatorsignale direkt koaxial auf Oszilloskop geben

- KO Sonden direkt kontaktieren ohne Verlängerungsschwanz

- IC Speisungen mit 100 nF beim IC abblocken gegen GND