Informations- und Kommunikationstechnik

Der Operationsverstärker als Komparator

Ein Operationsverstärker kann zwei Eingangsgrößen miteinander vergleichen, englisch: to compare. Komparatorschaltungen werden allgemein ohne Gegenkopplung betrieben und arbeiten mit hoher Leerlaufverstärkung. Bei direkter Ansteuerung mit geringfügig unterschiedlichen Eingangssignalen wechselt das Ausgangssignal nur zwischen den beiden Aussteuergrenzen. Wegen der hohen Verstärkung und der schnellen Arbeitsweise der Komparatoren entsteht bei annähernd gleichen Eingangsspannungen und sehr kleinen Eingangsdifferenzspannungen ein Problem. Ein allgegenwärtiger Rauschanteil auf den Signalen und thermische Drift führen zum undefinierten Hin- und Herschalten der Ausgangsspannung. Am Ausgang zeigen sich hochfrequente wilde Schwingungen.

Abhilfe wird durch Mitkopplung erreicht, wo von einem Spannungsteiler ein Teil der Ausgangsspannung an den E+ Eingang des OPVs zurückgeführt wird. Es lassen sich zwei Schaltungsvarianten für den Komparator erstellen. Die Referenzspannung, mit der das Eingangssignal vergleichen werden soll, liegt entweder am nicht invertierenden E+ Eingang oder am invertierenden E− Eingang.

Invertierender Komparator mit Hysterese

Am invertierenden Eingang des OPVs liegt als Eingangssignal eine Dreieckspanung an, die in diesem Beispiel mit der Referenzspannung Uref = 2 V verglichen wird. Die Komparatorschaltung verfügt mit den beiden Widerständen über eine Mitkopplung. Hierbei soll R2 um den Faktor 9 größer als R1 sein. Die Ausgangsspannung des OPVs kann zwischen den Betriebsspannungen ± 20 V umschalten.

Das Oszillogramm zeigt, dass die Eingangsspannung erst oberhalb der Referenzspannung bei rund 4 V den Umschaltvorgang auslöst und um 0 V wieder zurück schaltet. Diese Spannungsdifferenz wird als Hysterese bezeichnet. Die Referenzspannung liegt mittig zu den Umschaltspannungen. Die Umschaltung erfolgt mit Leerlaufverstärkung, wenn die Eingangsspannung Ue die Spannung U0 am E+ Eingang des OPVs gerade überschreitet.

invertierender Komparator

Die Hysterese kann berechnet werden. Anfangs hat die Ausgangsspannung den Maximalwert UH = 20 V und die Referenzspannung beträgt Uref = 2 V. Über beiden Widerständen liegt die Spannung UH − Uref und die Spannung über R1 beträgt U0 − Uref. Nach dem Umschalten hat die Ausgangsspannung den Wert UL = −20 V. Die Referenzspannung ist unverändert. Die Spannungen über den Widerständen errechnen sich auch jetzt aus den Potenzialdifferenzen. Damit folgen die Beziehungen:

Hystereseformeln

Die errechneten Umschaltspannungen sind im Diagramm eingetragen und ergaben sich auch bei der Simulation. Je größer der Widerstandswert R2 gewählt wird, desto geringer fällt der Unterschied zwischen den Umschaltspannungen aus und die Hysterese wird schmaler. Der Wert von R2 sollte nicht größer als 1 MΩ sein.

Nicht invertierender Komparator mit Hysterese

Die Referenzspannung liegt am E− Eingang des OPVs und das Eingangssignal am Widerstand R1 des Mitkoppelnetzwerks. Ein Aufbau ohne Mitkopplung führt bei Spannungsgleichheit zum unkontrollierten Schwingen der Ausgangsspannung. Mit positiver Referenzspannung am invertierenden Eingang nimmt die Ausgangsspannung des OPVs den negativen Maximalwert UL an. Die Ausgangsspannung schaltet um, wenn der E+ Eingang den Wert der Referenzspannung Uref erreicht. Die Eingangsspannung am Widerstand R1 ist die zu berechnende oberen Hysteresespannung U0(H). Der Ausgang schaltet zurück, wenn die Eingangsspannung den unteren Wert der Hysteresespannung U0(L) unterschreitet.

nicht invertierender Komparator

Die beiden Schaltspannungen lassen sich bei bekanntem Widerstandsverhältnis und festgelegter Referenzspannung mithilfe der Ersatzschaltung berechnen. Die gesuchte Größe ist die jeweilige Spannung U0, für die sich am E+ Eingang des OPVs die Referenzspannung ergibt. Beide Varianten der Komparatorschaltungen verhalten sich etwas unterschiedlich. Auch für den nicht invertierenden Komparator wird mit größerem Widerstandswert von R2 die Hysterese schmaler.

Hysteresegleichungen

Komparatorschaltungen mit Hysterese, auch als Schwellwertschalter oder Schmitt-Trigger bezeichnet, können ohne ICs mit zwei Transistoren aufgebaut werden. Meistens werden aber Komparator-ICs verwendet, deren Ausgangsspannungen zu anderen Logikbaugruppen kompatibel sind. Sie haben kürzere Schaltzeiten und kommen ohne ein äußeres Rückkoppelnetzwerk aus, da die Hysterese integriert ist.

Einsatzbereiche

Insgesamt handelt es sich um einstellbare bistabile Kippstufen, die in vielen Bereichen der Elektronik zum Einsatz kommen. Sinnvolle Anwendungen finden sich in Zweipunkt-Regelschaltungen zur Überwachung von Temperatur, Druck, Ladezustand, Belichtung und viele mehr. Sie erzeugen Auslöseimpulse zum Triggern für den Erhalt stehender Oszillografenbilder oder im Fernsehgerät mit CRT-Bildschirm zur Synchronisation der Bild- und Zeilenablenkgeneratoren.