طراحی و شبیه سازی مدار مقایسه کننده ولتاژ

معرفی مدار مقایسه کننده ولتاژ

قبل از اینکه شروع به طراحی مدار مقایسه کننده ولتاژ بکنیم باید بدانیم یک آیسی تقویت کننده عملیاتی یا به اختصار آپ-امپ (op-amp) چیست؟
تقویت کننده عملیاتی (Op amp) بخش مهمی از هر زنجیره سیگنال آنالوگ است که اغلب به عنوان بخش مهمی از رابط بین سنسورها و ADC های پیشرو در جهان کار می کند. توابع متداول تقویت کننده آنالوگ شامل بهره، بافر، فیلتر کردن و تغییر سطح است. مجموعه دستگاههای آنالوگ گسترده ترین انتخاب را در زمینه تقویت کننده های عملیاتی در صنعت فراهم میکند که کیفیت، استحکام و عملکرد بینظیری را ارائه میکند تا راه حل های بهینه را در بازارهای خودرو، صنعتی، مصرف کننده و مراقبتهای بهداشتی فراهم کند.

تقویت کننده عملیاتی
شکل ۱- شماتیک تقویت کننده عملیاتی

یک مقایسه کننده ولتاژ دو ولتاژ ورودی را با هم مقایسه می کند و یک سیگنال باینری خروجی می دهد که نشان می دهد کدام بزرگتر است. اگر ورودی غیر معکوس (+) بزرگتر از ورود ی معکوس (-) باشد، خروجی بالا می رود. اگر ورودی معکوس بزرگتر از غیر معکوس باشد، خروجی کم می شود.

رایج ترین کاربرد مقایسه کننده ها، مقایسه بین ولتاژ و مرجع پایدار است. مقایسه کننده ها کاربردهای زیادی دارند، از جمله آشکارسازهای آستانه / تشخیص دهنده، آشکارسازهای عبور از صفر و نوسانگرها. بسته به اینکه سیگنال ورودی به کدام ترمینال اعمال می شود، دو نوع اصلی مقایسه کننده ولتاژ معکوس و غیر معکوس هستند. در مقایسه کننده معکوس (یا مقایسه کننده ولتاژ منفی)، سیگنال ورودی به ترمینال معکوس کننده اعمال می شود و ولتاژ مرجع در ترمینال غیر معکوس است. اگر ولتاژ ورودی کمتر از ولتاژ مرجع باشد، یک خروجی ولتاژ مثبت ایجاد می کند.

در مقایسه کننده غیر معکوس، سیگنال ورودی به ترمینال غیر معکوس اعمال می شود و ولتاژ مرجع در ترمینال معکوس است. اگر ولتاژ ورودی بیشتر از ولتاژ مرجع باشد، خروجی ولتاژ مثبت ایجاد می کند. یک مقایسه کننده ساده را می توان با استفاده از یک آپ امپ بدون بازخورد منفی به دست آورد.

بهره ولتاژ بالا آن را قادر می سازد تا تفاوت های بسیار کوچک در ولتاژ ورودی را حل کند. مقایسه کننده ها میتوانند با ویژگیهای اضافه شده، مانند هیسترزیس و مراجع داخلی، این طراحی اولیه را بهبود بخشند.در این آزمایش ما از یک آیسی LM393 استفاده می کنیم که حاوی دو مقایسه کننده است .مشخصات ولتاژ آفست ورودی به اندازه ۲.۰ میلی ولت این دستگاه را به یک انتخاب عالی برای بسیاری از کاربردها در الکترونیک مصرف کننده، خودرو و صنعتی تبدیل کرده است.

  • محدوده تغذیه ولتاژ گسترده: ۲.۰ Vdc تا ۳۶ Vdc
  • Drain جریان بس یار کم مستقل از ولتاژ منبع تغذیه : ۰.۴ می لی آمپر
  • جریان بای اس ورود ی کم: ۲۵nA

از جمله امکانات این آیسی است.در شکل زیر شماتیک داخلی آیسی را مشاهده می کنید.

مقایسه کننده ولتاژ
شکل ۲ – شماتیک داخلی آیسی LM393

همانطور که در شماتیک آیسی مشاهده می کنید اگر پایه معکوس گر (-) ولتاژ بیشتری نسبت به پایه غیر معکوس گر (+) داشته باشد ترانزیستور Q16 فعال می شود و خروجی آیسی را به پایه GND متصل می کند و اگر عکس این قضیه رخ دهد یعنی پایه غیر معکوس گر (+) ولتاژ بیشتری نسبت به پایه معکوس گر(-) داشته باشد خروجی مانند یک مقاومت مقدار بالا(های امپدانس) عمل می کند. برای استفاده از مقایسه کننده از هر دو روش بالا می توان استفاده کرد.

مقایسه کننده ولتاژ
شکل ۳ – شماتیک کلی مقایسه کننده

 

شبیه سازی مقایسه کننده ولتاژ

برای درک بهتر با شبیه سازی پیش می رویم:

شبیه سازی مقایسه کننده ولتاژ
شکل ۴ – شبیه سازی مقایسه کننده (۱)

با توجه به شکل ۴ ورودی مثبت از ورودی منفی بیشتر است در نتیجه خروجی مانند یک مقاومت مقدار بالا عمل می کند در نتیجه ۱۲ ولت با گذر از مقاومت و روشن کردن ال ای دی نشان میدهد
که ورودی مثبت مقدار بیشتری از مقدار مرجع (ورودی منفی) دارد.

شبیه سازی مقایسه کننده ولتاژ
شکل ۵ – شبیه سازی مقایسه کننده (۲)

با توجه به شکل ۴ ورودی مثبت از ورودی منفی کمتر است در نتیجه خروجی به زمین مدار متصل می شود و نشان دهنده این است که مقدار ولتاژ در ورودی مثبت از مقدار مرجع کمتر است.

در دو شبیه سازی بعدی شکل خروجی مدار را تغییر می دهیم ،همانطور که در شکل زیر مشاهده می کنید.

شبیه سازی مقایسه کننده ولتاژ
شکل ۶ – شبیه سازی مقایسه کننده (۳)

باتوجه به شکل بالا خروجی مدار مقاومت و ال ای دی این بار به زمین احتیاج دارد و عکس مدار قبلی عمل می کند در این مدار بهتر است ولتاژ مرجع ، ورودی مثبت در نظر گرفته شود.همانطور که مشاهده می کنید ولتاژ ورودی منفی از ولتاژ مرجع (ولتاژ ورودی مثبت) کمتر است در نتیجه خروجی آپ امپ مانند مقاومت مقدار بالا عمل می کند و ال ای دی روشن نمی شود.

شبیه سازی مقایسه کننده ولتاژ
شکل ۷ – شبیه سازی مقایسه کننده (۴)

اما در شکل ۷ می بینید که ولتاژ ورودی منفی از ولتاژ مرجع (ورودی مثبت)بیشتر است این به این معناست که خروجی به زمین متصل شده است و مسیر عبور جریان را برای روشن کردن ال ای دی باز کرده است.
در این مطلب سعی داشتیم تا به شکلی آسان مقایسه کننده ولتاژ را شرح دهیم به گونه ای که به آسانی قابل پیاده سازی باشد . در شکل های زیر نمونه هایی از استفاده های مقایسه کننده ولتاژ را مشاهده می کنید.

 مقایسه کننده به عنوان سنسور لمسی
شکل ۸ – استفاده از مقایسه کننده به عنوان سنسور لمسی
مقایسه کننده ولتاژ به عنوان سنسور تشخیص نور
شکل ۹ – مقایسه کننده ولتاژ به عنوان سنسور تشخیص نور

پیام بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *