Informations- und Kommunikationstechnik

Der Operationsverstärker als Komparator

Mit seinen zwei Signaleingängen kann ein Operationsverstärker zwei Eingangsgrößen miteinander vergleichen, englisch: to compare. Eine Komparatorschaltung wird allgemein mit hoher Leerlaufverstärkung ohne Gegenkopplung betrieben. Bei direkter Ansteuerung mit nur geringfügig unterschiedlichen Eingangssignalen wechselt das Ausgangssignal zwischen den beiden Aussteuergrenzen des OPVs. Der hohe Verstärkungsfaktor und die kurze Reaktionszeit führen bei sehr kleinen Eingangsdifferenzspannungen zu unkontrollierten hochfrequenten, sogenannten wilden Schwingungen am Ausgang. Auslösende Faktoren sind ein allgegenwärtiger Rauschanteil auf den Signalen und eine geringe thermische Drift um den Arbeitspunkt.

Abhilfe schafft eine geeignete Mitkopplung, wo ein Spannungsteiler einen Teil der Ausgangsspannung an den E+ Eingang des OPVs zurückführt. Als Schaltungstyp gibt es invertierende und nicht invertierende Komparatoren. 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

Im folgenden Beispiel liegt das Eingangssignal am invertierenden Eingang des OPVs und die Referenzspannung am nicht invertierenden Eingang. Das Eingangssignal ist eine Dreieckspannung, die mit einer DC-Referenz verglichen wird. Die Mitkopplung und Schalthysterese wird vom ohmschen Spannungsteiler bestimmt. Der OPV arbeitet mit symmetrischer Spannungsversorgung von ±15 V. Die Sättigungsspannungen wurden in der Simulation zu ±14 V ermittelt. Die Simulation wurde mit drei unterschiedlichen Referenzspannungen bei konstantem Mitkoppelfaktor durchgeführt.

invertierender Komparator

Die Spannungswerte wurden mithilfe von Cursorstellungen aus den Simulationsdiagrammen abgelesen. Die Hysteresespannung errechnet sich aus der Spannungsdifferenz an den beiden Umschaltspannungen. Bei der Referenzspannung Uref = 0 V liegen die Umschaltpunkte zum neuen Sättigungswert symmetrisch zum Nullpunkt. Jede andere Referenzspannung verschiebt die Hysterese auf einen früheren oder späteren Zeitpunkt, verändert aber nicht die Hysteresespannung. Aus dem Widerstandsverhältnis der Mitkopplung errechnet sich ein Koppelfaktor, der die Hysteresespannung mitbestimmt. Mit kleinerem Koppelfaktor nimmt auch die Hysteresespannung ab, der Verlauf der Hysterese wird schmaler.

Die Umschaltspannungen UoH und UoL und die daraus folgende Hysteresespannung UHys können berechnet werden. Die Spannung Uo am E+ Eingang des OPVs ist die Spannungssumme aus UR1 und der Referenzspannung Uref. Die Spannung über dem gesamten Spannungsteiler ist gleich der Sättigungsspannung Usat abzüglich der Referenzspannung Uref. Da die Sättigungsspannung entweder positiv oder negativ sein kann, ergeben sich zwei Umschaltspannungen.

Hystereseformeln

Die Hysteresespannung ist von der Referenzspannung unabhängig. Die in der Simulation ermittelte Hysteresespannung ist um 3% gegenüber dem berechneten Wert zu hoch. Die abgelesenen Umschaltspannungen weisen eine Toleranz von rund 10% auf, ein durchaus gutes Ergebnis.

Nicht invertierender Komparator mit Hysterese

Die Ankopplungen der Referenzspannung und des Eingangssignals sind in dieser Schaltungsvariante gegeneinander getauscht. Die Referenzspannung liegt direkt am E− Eingang des OPVs. Eine geeignete Mitkopplung verhindert ein unkontrolliertes Schwingen der Ausgangsspannung bei Spannungsgleichheit an den Eingängen. Beträgt die Referenzspannung Uref = 0 V, dann liegen auch hier die Umschaltpunkte symmetrisch zum Nullpunkt. Auch beim nicht invertierenden Komparator wird mit größerem Widerstandswert von R2 und kleinerem Koppelfaktor die Hysterese schmaler.

nicht invertierender Komparator

Der Komparator schalten, wenn die Spannungsdifferenz direkt an den Eingängen des OPVs gerade nicht mehr null beträgt, also die Spannung am E+ Eingang nicht mehr der Referenzspannung am E− Eingang entspricht. Die beiden Schaltspannungen UoH und UoL können mithilfe der Ersatzschaltung für das Widerstandverhältnis der Mitkopplung und der Referenzspannung berechnet werden. Mit zunehmender Eingangsspannung soll der Komparator von der negativen zur positiven Sättigungsspannung umschalten.

Hysteresegleichungen

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

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 Oszillogramme oder im Fernsehgerät mit CRT-Bildschirm zur Synchronisation der Bild- und Zeilenablenkgeneratoren.