اتصال کوتاه

.

.

«مقایسه‌کننده‌ی ولتاژ» شکل ویژه‌ای از مدار تقویت‌کننده‌ی عملیاتی است. این مدار در تصویر زیر دیده می‌شود.

.

یک مدار مقایسه‌کننده که وقتی ولتاژ روی ورودی وارونگر آن مثبت‌تر از مقدار ولتاژ

در نقطه‌ی تنظیم بر روی ورودی ناوارونگر باشد، ولتاژ خروجی آن پایین است.

.

این مدار دارای دو ورودی به عنوان دریافت‌کننده‌ی سیگنال‌های آنالوگ و یک خروجی است و بسته به این که ولتاژ روی ورودی ناوارونگر (+) یا وارونگر (-) بیش‌تر باشد، می‌تواند به ترتیب یکی از دو حالت «درست» (True) یا «نادرست» (False) را به خود بگیرد. بنابراین، این مدار ولتاژهای روی ورودی‌های خود را با هم «مقایسه» می‌کند. نتیجه‌ی مقایسه‌ی «درست» به صورت یک ولتاژ مثبت بر روی خروجی نمایندگی می‌شود، و «نادرست» با پیدا شدن یک ولتاژ منفی و یا صفر ولت بر روی آن. در مدار بالا برای تولید یک ولتاژ مبنای مقایسه بر روی «نقطه‌ی تنظیم» (set Point=SP)، از دو مقاومت‌های منفرد استفاده شده که بین خطوط مثبت و زمین تغذیه وصل شده‌اند. سیگنال ورودی با ولتاژی که ترکیب این مقاومت‌ها بر روی این نقطه ایجاد کرده (V_SP)، مقایسه می‌شود. پس به طور خلاصه می‌توان گفت: یک مدار مقایسه‌کننده دو ولتاژ قابل تغییر را با هم مقایسه می‌کند.

هر مدار استاندارد تقویت‌کننده‌ی عملیاتی را بدون کاربرد مقاومت‌های ورودی و فیدبک می‌توان به صورت یک مقایسه‌کننده به کارگرفت. اگر ولتاژ روی ورودی ناوارونگر بالاتر از ولتاژ روی ورودی وارونگر باشد، ولتاژ خروجی به مقدار مرزی مثبت (Clamping Limit) بالا می‌رود. اگر ورودی وارونگر روی پتانسیل بالاتری قرار گیرد، ولتاژ خروجی به مقدار مرزی منفی پایین می‌رود. اگر مقایسه‌کننده یک ولتاژ نامعیّن را با یک ولتاژ معیّن مقایسه کند، ولتاژ معیّن «نقطه‌ی تنظیم» خوانده می‌شود و خروجی مقایسه‌کننده نمایان‌گر آن است که آیا ولتاژ نامعین بالاتر یا پایین‌تر از نقطه‌ی تنظیم قرار دارد.

.

تفاوت‌های تقویت‌کننده عملیاتی و مقایسه‌کننده 

آن تقویت‌کننده‌های عملیاتی که برای استفاده به عنوان مقایسه‌کننده در نظر گرفته شده‌اند، مانند LM311، برای «پاسخ‌گوییِ سریع به تغییرات در سیگنال‌های ورودی» بهینه‌سازی شده‌اند، زیرا تقویت‌کننده‌های عملیاتی برای استفاده در «حالت خطی» با بازخورد منفی طراحی شده‌اند. آپ‌امپ‌ها دارای یک تأخیر زمانی در برگشت از حالت اشباع هستند و تقریباً تمام آن‌ها دارای خازن‌های جبران‌سازاند که باعث به وجود آمدن زمان تأخیر و محدود شدن عملکرد آپ‌امپ در فرکانس‌های بالا می‌شود. در نتیجه آپ‌امپ یک مقایسه‌کننده‌ی نامطلوب است که دارای «تاخیر انتشار» در حد چند ده میکروثانیه است.

به دلیل این که تقویت‌کننده‌ی عملیاتی دارای هیچ‌گونه مکانیزم داخلی برای ایجاد پس‌ماند (هیسترزیس) نیست، همیشه به یک مدار خارجی برای تولید پس‌ماند نیاز دارد تا حرکت سیگنال‌های ورودی کندتر شوند.

همچنین، محدوده‌ی تغییرات خروجی مقایسه‌کننده‌های آنالوگ برای اتصال راحت و آسان به مدارهای دیجیتال طراحی می‌شوند. که وقتی از تقویت‌کننده‌ی عملیاتی به عنوان مقایسه‌کننده استفاده می‌شود، نیاز است این تطبیق ولتاژ انجام شود.

علاوه بر این‌ها، مدار خروجی مقایسه‌کننده‌ها از نوع «کلکتور باز» هستند و روی خروجی آن‌ها یک مقاومت بیرونی به عنوان مقاومت خروجی یا «مقاومت بالانگهدار» (Pull-Up) با نام R_OUT قرار داده می‌شود که خروجی مدار مجتمع از طریق آن به خط مثبت تغذیه وصل می‌شود. هنگامی که خروجی مقایسه‌کننده «راست» باشد، ترانزیستور خروجی به حالت قطع می‌رود و مقاومت بالانگهدار خروجی آی.سی. را به خط مثبت منبع تغذیه به بالا می‌راند. هنگامی که خروجی مقایسه‌کننده «ناراست» باشد، این ترانزیستور به حالت اشباع می‌رود و ولتاژ خروجی مقایسه‌کننده برابر خواهد بود با ولتاژ کلکتور-امیتر اشباع، یعنی V_CE(sat) مربوط به این ترانزیستور.

.

پس‌ماند یا هیسترزیس

مدارهای مقایسه‌کننده، می‌توانند همچنین از «پس‌ماند» یا «هیسترزیس» بهره ببرند تا از نوسان لرزشی (Chatter) در ولتاژ خروجی و تولید پالس‌های سوزنی در امان بمانند. نوسان لرزشی وضعیتی را بیان می‌کند که در طول آن خروجی مقایسه‌کننده با سرعت زیاد پایین و بالا می‌رود و این زمانی اتفاق می‌افتد که ولتاژ ورودی مدار در نزدیکی یا درست برابر ولتاژ نقطه‌ی تنظیم باشد. این وضعیت همچنین ممکن است در زمانی که ورودی مقایسه‌کننده نویز دریافت کند نیز پدیدار شود، زیرا دامنه‌ی نویز ممکن است به سرعت در محدوده‌ی ولتاژ نقطه‌ی تنظیم تغییر کنند. چند و چون این پدیده بر روی خروجی مقایسه‌کننده‌ها در گراف چپ تصویر زیر دیده می‌شود.

.

.

همان طور که ملاحظه می‌شود، وجود نویز باعث شده که در لحظات متعددی ولتاژ ورودی از مقدار آستانه‌ای ولتاژ تنظیم شده فراتر رود. نتیجه‌ی آن، تغییرحالت‌های سریعی هست که در خروجی این مدار مشاهده می‌شود.

پس‌ماند یا هیسترزیس نوعی از «بازخورد مثبت» یا «فیدبک مثبت» است که ولتاژ آستانه‌ایِ نقطه‌ی تنظیم را در حد چند میلی‌ولت در جهت مخالف با جهتی که  سیگنال ورودی از نقطه‌ی تنظیم عبور می‌کند، جابجا می‌کند.

همان طور که در گراف سمت راست تصویر بالا مشاهده می‌شود، یک انحراف کوچک در ولتاژ نقطه‌ی تنظیم، خروجی مدار مقایسه‌کننده را در جای جدید خود نگه می‌دارد و از بازگشت وضعیت خروجی به حالت قبلی جلوگیری می‌کند.

.

مقاومت 3 که بازخوردی از خروجی مدار به ورودی ناوارونگر آن می‌رساند (فیدبک مثبت)

مقداری پس‌ماند (هیسترزیس) در پاسخ مدار ایجاد می‌کند.

.

تصویر بالا نشان می‌دهدکه چگونه خروجی مدار مقایسه‌کننده از طریق مقاومت 3 به ورودی مثبت آن برگردانده می‌شود و در نقطه‌ی تنظیم مقدار اندکی جریان به مدار تقسیم ولتاژ (مقاومت‌های 1 و 2) اضافه یا از آن کم کرده و به این ترتیب و مقدار ولتاژ نقطه‌ی تنظیم را جابجا می‌کند.

برخی کاربردهای مدارهای مقایسه‌کننده‌ی ولتاژ عبارتند از:

• مدارهای ترموستات،
• مدارهای چشم الکترونیک،
• ترازوهای الکترونیک،
• آشکارسازهای نقطه‌ی عبور از صفر،
• مربعی‌کننده‌های سیگنال (که شکل‌موج‌های چرخه‌ای دیگر را به موج مربعی تبدیل می‌کنند)، و
• آشکارسازهای قلّه‌ی موج.

پایان بخش اول

(ادامه در بخش دوم)

.

.

مطالب مرتبط:

مقایسه کننده های ولتاژ – بخش 2

مدار یک ترموستات ساده برای کنترل دما در بازه‌ی دلخواه

مدار یک منبع تغذیه آزمایشگاهی با ولتاژ و جریان قابل تنظیم

وقتی که دست‌ها یکدیگر را می‌شویند

نگهبانی برای حفاظت از باتری خودرو

.

.

.