Rangkaian Op-amp Komparator
Komparator adalah rangkaian pengambilan keputusan elektronik yang menggunakan penguat operasional atau Op-amp dengan gain sangat tinggi dalam keadaan loop terbuka, yaitu, tidak ada resistor feedback (umpan balik).
Op-amp komparator membandingkan satu tingkat tegangan analog dengan tingkat tegangan analog lain, atau beberapa tegangan referensi yang telah ditetapkan, VREF dan menghasilkan sinyal output berdasarkan perbandingan tegangan ini. Dengan kata lain, komparator tegangan Op-amp membandingkan besarnya dua input tegangan dan menentukan mana yang terbesar dari keduanya.
Kita telah melihat dalam tutorial sebelumnya tentang Rangkaian Op-amp Monostabil bahwa penguat operasional (Op-amp) dapat digunakan dengan umpan balik negatif untuk mengontrol besarnya sinyal output-nya di wilayah linier yang melakukan berbagai fungsi berbeda.
Kita juga telah melihat bahwa Op-smp standar dicirikan oleh gain loop terbuka AO dan bahwa tegangan output-nya diberikan oleh ekspresi: VOUT = AO (V+ - V-) di mana V+ dan V- sesuai dengan tegangan di terminal non-inverting dan terminal inverting masing-masing.
Sebaliknya, komparator tegangan, baik menggunakan umpan balik positif atau tidak ada umpan balik sama sekali (mode loop terbuka) untuk mengalihkan output antara dua keadaan jenuh, karena dalam mode loop terbuka gain tegangan penguat pada dasarnya sama dengan AVO.
Kemudian karena gain loop terbuka tinggi ini, output dari komparator berayun baik sepenuhnya ke rel supply positif, +Vcc atau sepenuhnya ke rel supply negatif, -Vcc pada aplikasi sinyal input yang bervariasi yang melewati beberapa nilai ambang batas yang telah ditetapkan.
Komparator Op-amp loop terbuka adalah rangkaian analog yang beroperasi di wilayah non-liniernya karena perubahan pada dua input analog, V+ dan V- menyebabkannya berperilaku seperti perangkat bistabil digital karena pemicu menyebabkannya memiliki dua kemungkinan output menyatakan, +Vcc atau -Vcc.
Kemudian kita dapat mengatakan bahwa komparator tegangan pada dasarnya adalah konverter analog ke digital 1-bit, karena sinyal input adalah analog tetapi output berperilaku digital.
Pertimbangkan rangkaian komparator tegangan Pp-amp dasar di bawah ini.
Dengan mengacu pada rangkaian komparator Op-amp di atas, mari kita asumsikan bahwa VIN lebih kecil dari level tegangan DC pada VREF, ( AIN <VREF). Karena input non-inverting (positif) dari komparator kurang dari input inverting (negatif), output akan menjadi RENDAH dan pada tegangan supply negatif, -Vcc menghasilkan saturasi negatif dari output.
Jika sekarang kita meningkatkan tegangan input, VIN sehingga nilainya lebih besar daripada tegangan referensi VREF pada input inverting, tegangan output dengan cepat beralih TINGGI ke arah tegangan supply positif, +Vcc menghasilkan saturasi positif dari output.
Jika kita mengurangi lagi tegangan input VIN, sehingga sedikit kurang dari tegangan referensi, output Op-amp beralih kembali ke tegangan saturasi negatif yang bertindak sebagai detektor ambang.
Kemudian kita dapat melihat bahwa komparator tegangan Op-amp adalah perangkat yang outputnya tergantung pada nilai tegangan input, VIN sehubungan dengan beberapa level tegangan DC karena outputnya TINGGI ketika tegangan pada input non-inverting adalah lebih besar dari tegangan pada input inverting, dan RENDAH ketika input non-inverting kurang dari tegangan input inverting. Kondisi ini benar terlepas dari apakah sinyal input terhubung ke input inverting atau non-inverting.
Kita juga dapat melihat bahwa nilai tegangan output sepenuhnya tergantung pada tegangan power supply Op-amp. Secara teori karena Op-amp gain loop terbuka tinggi, besarnya tegangan outputnya bisa tak terbatas di kedua arah, ( ± ∞ ). Namun secara praktis, dan untuk alasan yang jelas itu dibatasi oleh rel supply Op-amp yang memberikan VOUT = +Vcc atau VOUT = -Vcc.
Kami mengatakan sebelumnya bahwa komparator Op-amp dasar menghasilkan output tegangan positif atau negatif dengan membandingkan tegangan input terhadap beberapa tegangan referensi DC yang telah ditetapkan.
Secara umum, pembagi tegangan resistif digunakan untuk mengatur tegangan referensi input komparator, tetapi sumber baterai, dioda zener atau potensiometer untuk tegangan referensi variabel semuanya dapat digunakan seperti yang ditunjukkan.
Secara teori, tegangan referensi komparator dapat diatur antara 0v dan tegangan supply tetapi ada batasan praktis pada kisaran tegangan aktual tergantung pada komparator Op-amp yang digunakan perangkat.
Tetapi sama-sama kita bisa menghubungkan input komparator sebaliknya membalikkan sinyal output ke yang ditunjukkan di atas. Kemudian komparator Op-amp dapat dikonfigurasikan untuk beroperasi dalam apa yang disebut konfigurasi inverting atau non-inverting.
Dalam konfigurasi non-inverting ini, tegangan referensi terhubung ke input penguat inverting dengan sinyal input yang terhubung ke input penguat non-inverting. Untuk menjaga hal-hal sederhana, kita telah mengasumsikan bahwa dua resistor membentuk jaringan pembagi potensial adalah sama dan: R1 = R2 = R. Ini akan menghasilkan tegangan referensi tetap yang setengah dari tegangan supply, yaitu Vcc/2, sedangkan tegangan input adalah variabel dari nol ke tegangan supply.
Ketika VIN lebih besar dari VREF, output komparator Op-amp akan jenuh ke arah rel supply positif, Vcc. Ketika VIN kurang dari VREF, output komparator Op-amp akan berubah status dan jenuh pada rel supply negatif, 0v seperti yang ditunjukkan.
Dalam konfigurasi penguat inverting, yang merupakan kebalikan dari konfigurasi positif di atas, tegangan referensi terhubung ke input penguat non-inverting dari Op-amp sementara sinyal input terhubung ke input penguat inverting. Kemudian ketika VIN kurang dari VREF output komparator Op-amp akan jenuh ke arah rel supply positif, Vcc.
Demikian juga sebaliknya adalah benar, ketika VIN lebih besar dari VREF, output komparator Op-amp akan berubah keadaan dan jenuh terhadap rel supply negatif, 0v.
VHisterisis = VUTP - VLTP
Perhatikan bahwa panah pada grafik histerisis menunjukkan arah perpindahan di titik perjalanan atas dan bawah.
Titik Trip Tegangan Rendah, VLTP
Lebar histerisis:
V(HYS) = UTP - LTP
V(HYS) = +βVcc - (-βVcc) = 1.0V - (-1.0V) = 2.0V
Jadi: V(HYS) = 2βVcc = 2 x 0.1 x 10 = 2.0V
Kemudian tegangan referensi VREF, beralih antara +1V dan -1V karena output jenuh dari satu level ke level lainnya. Mudah-mudahan kita bisa lihat dari contoh sederhana ini bahwa lebar histerisis ini, 2 volt secara total, dapat dibuat lebih besar atau lebih kecil hanya dengan menyesuaikan rasio pembagi tegangan dari resistor umpan balik R1 dan R2.
Op-amp komparator membandingkan satu tingkat tegangan analog dengan tingkat tegangan analog lain, atau beberapa tegangan referensi yang telah ditetapkan, VREF dan menghasilkan sinyal output berdasarkan perbandingan tegangan ini. Dengan kata lain, komparator tegangan Op-amp membandingkan besarnya dua input tegangan dan menentukan mana yang terbesar dari keduanya.
Kita telah melihat dalam tutorial sebelumnya tentang Rangkaian Op-amp Monostabil bahwa penguat operasional (Op-amp) dapat digunakan dengan umpan balik negatif untuk mengontrol besarnya sinyal output-nya di wilayah linier yang melakukan berbagai fungsi berbeda.
Kita juga telah melihat bahwa Op-smp standar dicirikan oleh gain loop terbuka AO dan bahwa tegangan output-nya diberikan oleh ekspresi: VOUT = AO (V+ - V-) di mana V+ dan V- sesuai dengan tegangan di terminal non-inverting dan terminal inverting masing-masing.
Sebaliknya, komparator tegangan, baik menggunakan umpan balik positif atau tidak ada umpan balik sama sekali (mode loop terbuka) untuk mengalihkan output antara dua keadaan jenuh, karena dalam mode loop terbuka gain tegangan penguat pada dasarnya sama dengan AVO.
Kemudian karena gain loop terbuka tinggi ini, output dari komparator berayun baik sepenuhnya ke rel supply positif, +Vcc atau sepenuhnya ke rel supply negatif, -Vcc pada aplikasi sinyal input yang bervariasi yang melewati beberapa nilai ambang batas yang telah ditetapkan.
Komparator Op-amp loop terbuka adalah rangkaian analog yang beroperasi di wilayah non-liniernya karena perubahan pada dua input analog, V+ dan V- menyebabkannya berperilaku seperti perangkat bistabil digital karena pemicu menyebabkannya memiliki dua kemungkinan output menyatakan, +Vcc atau -Vcc.
Kemudian kita dapat mengatakan bahwa komparator tegangan pada dasarnya adalah konverter analog ke digital 1-bit, karena sinyal input adalah analog tetapi output berperilaku digital.
Pertimbangkan rangkaian komparator tegangan Pp-amp dasar di bawah ini.
Rangkaian Komparator Op-amp
Dengan mengacu pada rangkaian komparator Op-amp di atas, mari kita asumsikan bahwa VIN lebih kecil dari level tegangan DC pada VREF, ( AIN <VREF). Karena input non-inverting (positif) dari komparator kurang dari input inverting (negatif), output akan menjadi RENDAH dan pada tegangan supply negatif, -Vcc menghasilkan saturasi negatif dari output.
Jika sekarang kita meningkatkan tegangan input, VIN sehingga nilainya lebih besar daripada tegangan referensi VREF pada input inverting, tegangan output dengan cepat beralih TINGGI ke arah tegangan supply positif, +Vcc menghasilkan saturasi positif dari output.
Jika kita mengurangi lagi tegangan input VIN, sehingga sedikit kurang dari tegangan referensi, output Op-amp beralih kembali ke tegangan saturasi negatif yang bertindak sebagai detektor ambang.
Kemudian kita dapat melihat bahwa komparator tegangan Op-amp adalah perangkat yang outputnya tergantung pada nilai tegangan input, VIN sehubungan dengan beberapa level tegangan DC karena outputnya TINGGI ketika tegangan pada input non-inverting adalah lebih besar dari tegangan pada input inverting, dan RENDAH ketika input non-inverting kurang dari tegangan input inverting. Kondisi ini benar terlepas dari apakah sinyal input terhubung ke input inverting atau non-inverting.
Kita juga dapat melihat bahwa nilai tegangan output sepenuhnya tergantung pada tegangan power supply Op-amp. Secara teori karena Op-amp gain loop terbuka tinggi, besarnya tegangan outputnya bisa tak terbatas di kedua arah, ( ± ∞ ). Namun secara praktis, dan untuk alasan yang jelas itu dibatasi oleh rel supply Op-amp yang memberikan VOUT = +Vcc atau VOUT = -Vcc.
Kami mengatakan sebelumnya bahwa komparator Op-amp dasar menghasilkan output tegangan positif atau negatif dengan membandingkan tegangan input terhadap beberapa tegangan referensi DC yang telah ditetapkan.
Secara umum, pembagi tegangan resistif digunakan untuk mengatur tegangan referensi input komparator, tetapi sumber baterai, dioda zener atau potensiometer untuk tegangan referensi variabel semuanya dapat digunakan seperti yang ditunjukkan.
Tegangan Referensi Komparator
Secara teori, tegangan referensi komparator dapat diatur antara 0v dan tegangan supply tetapi ada batasan praktis pada kisaran tegangan aktual tergantung pada komparator Op-amp yang digunakan perangkat.
Komparator Tegangan Positif dan Negatif
Rangkaian komparator Op-amp dasar dapat digunakan untuk mendeteksi baik tegangan input positif atau negatif tergantung pada input Op-amp mana kita menghubungkan sumber tegangan referensi tetap dan tegangan input juga. Dalam contoh di atas kami telah menggunakan input inverting untuk mengatur tegangan referensi dengan tegangan input yang terhubung ke input non-inverting.Tetapi sama-sama kita bisa menghubungkan input komparator sebaliknya membalikkan sinyal output ke yang ditunjukkan di atas. Kemudian komparator Op-amp dapat dikonfigurasikan untuk beroperasi dalam apa yang disebut konfigurasi inverting atau non-inverting.
Komparator Tegangan Positif
Konfigurasi dasar untuk komparator tegangan positif, juga dikenal sebagai rangkaian komparator non-inverting mendeteksi ketika sinyal input, VIN di atas atau lebih positif daripada tegangan referensi, VREF menghasilkan output pada VOUT yang TINGGI seperti yang ditunjukkan.Rangkaian Komparator Non-inverting
Dalam konfigurasi non-inverting ini, tegangan referensi terhubung ke input penguat inverting dengan sinyal input yang terhubung ke input penguat non-inverting. Untuk menjaga hal-hal sederhana, kita telah mengasumsikan bahwa dua resistor membentuk jaringan pembagi potensial adalah sama dan: R1 = R2 = R. Ini akan menghasilkan tegangan referensi tetap yang setengah dari tegangan supply, yaitu Vcc/2, sedangkan tegangan input adalah variabel dari nol ke tegangan supply.
Ketika VIN lebih besar dari VREF, output komparator Op-amp akan jenuh ke arah rel supply positif, Vcc. Ketika VIN kurang dari VREF, output komparator Op-amp akan berubah status dan jenuh pada rel supply negatif, 0v seperti yang ditunjukkan.
Komparator Tegangan Negatif
Konfigurasi dasar untuk komparator tegangan negatif, juga dikenal sebagai rangkaian komparator inverting mendeteksi ketika sinyal input, VIN DI BAWAH atau lebih negatif daripada tegangan referensi, VREF menghasilkan output pada VOUT yang TINGGI seperti yang ditunjukkan.Rangkaian Komparator Op-amp Inverting
Dalam konfigurasi penguat inverting, yang merupakan kebalikan dari konfigurasi positif di atas, tegangan referensi terhubung ke input penguat non-inverting dari Op-amp sementara sinyal input terhubung ke input penguat inverting. Kemudian ketika VIN kurang dari VREF output komparator Op-amp akan jenuh ke arah rel supply positif, Vcc.
Demikian juga sebaliknya adalah benar, ketika VIN lebih besar dari VREF, output komparator Op-amp akan berubah keadaan dan jenuh terhadap rel supply negatif, 0v.
Kemudian tergantung pada input Op-amp mana yang kami gunakan untuk sinyal dan tegangan referensi, kami dapat menghasilkan output penguat inverting atau non-inverting. Kita dapat mengambil gagasan untuk mendeteksi baik sinyal negatif atau positif, selangkah lebih maju dengan menggabungkan dua rangkaian komparator Op-amp di atas untuk menghasilkan rangkaian komparator jendela.
Komparator Jendela (window)
Sebuah Komparator Jendela pada dasarnya adalah Op-amp komparator penguat inverting dan non-inverting di atas digabungkan menjadi tahap komparator tunggal. Jendela komparator mendeteksi tingkat tegangan input yang berada di dalam sebuah band tertentu atau jendela tegangan, bukan menunjukkan apakah tegangan lebih besar atau kurang dari beberapa preset atau titik referensi tegangan tetap.
Kali ini, alih-alih hanya memiliki satu nilai tegangan referensi, komparator jendela akan memiliki dua tegangan referensi yang diimplementasikan oleh sepasang komparator tegangan. Satu yang memicu komparator Op-amp pada pendeteksian beberapa ambang batas tegangan atas, VREF(UPPER) dan satu yang memicu komparator Op-amp pada deteksi tingkat ambang batas tegangan yang lebih rendah, VREF(LOWER). Kemudian level tegangan antara dua tegangan referensi atas dan bawah ini disebut "jendela/window", maka namanya.
Menggunakan ide kami di atas jaringan pembagi tegangan, jika kita sekarang menggunakan tiga resistor nilai yang sama sehingga R1 = R2 = R3 = R kita dapat membuat rangkaian komparator jendela yang sangat sederhana seperti yang ditunjukkan.
Juga karena nilai resistif semuanya sama, tegangan turun pada masing-masing resistor juga akan sama dengan sepertiga tegangan supply, 1/3Vcc. Kemudian dalam contoh sederhana ini, kita dapat mengatur tegangan referensi atas ke 2/3Vcc dan tegangan referensi lebih rendah ke 1/3Vcc. Pertimbangkan rangkaian komparator jendela di bawah ini.
Rangkaian Komparator Jendela
Ketika VIN berada di bawah level tegangan yang lebih rendah, VREF(LOWER) yang setara dengan 1/3Vcc, output akan menjadi RENDAH. Ketika VIN melebihi level tegangan rendah 1/3Vcc ini, komparator Op-amp pertama mendeteksi ini dan mengalihkan output TINGGI ke Vcc.
Ketika VIN terus meningkat melewati level tegangan atas, VREF(UPPER) pada 2/3Vcc dan komparator Op-amp kedua mendeteksi ini dan mengubah output kembali RENDAH. Kemudian perbedaan antara VREF(UPPER) dan VREF(LOWER) (yaitu 2/3Vccc - 1/3Vcc dalam contoh ini) menciptakan jendela pengalihan untuk sinyal positif.
Sekarang mari kita asumsikan bahwa VIN berada pada nilai maksimum dan sama dengan Vcc. Ketika VIN berkurang, ia melewati level tegangan atas VREF(UPPER) dari komparator Op-amp kedua yang mengubah output menjadi TINGGI. Ketika VIN terus menurun, ia melewati level tegangan yang lebih rendah, VREF(LOWER) dari komparator Op-amp pertama sekali lagi mengganti output RENDAH.
Kemudian perbedaan antara VREF(UPPER) dan VREF(LOWER) menciptakan jendela untuk sinyal negatif. Jadi kita dapat melihat bahwa ketika VIN melewati di atas atau melewati di bawah level referensi atas dan bawah yang ditetapkan oleh dua komparator Op-amp, sinyal output VOUT akan menjadi TINGGI atau RENDAH.
Dalam contoh sederhana ini kami telah menetapkan level trip atas pada 2/3Vcc dan level trip bawah pada 1/3Vcc (karena kami menggunakan tiga resistor nilai yang sama), tetapi dapat berupa nilai apa pun yang kami pilih dengan menyesuaikan ambang input. Hasilnya, lebar jendela dapat disesuaikan untuk aplikasi yang diberikan.
Jika kita menggunakan catu daya ganda dan mengatur tingkat perjalanan atas dan bawah untuk mengatakan ±10 volt dan VIN adalah bentuk Gelombang sinusoidal, maka kita dapat menggunakan rangkaian komparator jendela ini sebagai detektor penyilang nol dari gelombang sinus yang akan menghasilkan output, TINGGI atau RENDAH setiap kali gelombang sinus melintasi garis nol volt dari positif ke negatif atau negatif ke positif.
Kita dapat mengambil gagasan untuk mendeteksi level tegangan lebih jauh dengan menghubungkan sejumlah komparator Op-amp yang berbeda bersama-sama dengan mereka semua menggunakan sinyal input yang sama, tetapi dengan masing-masing komparator menggunakan tegangan referensi yang berbeda yang ditetapkan oleh jaringan pembagi tegangan yang sekarang kita kenal di seluruh supply. Pertimbangkan rangkaian detektor level tegangan di bawah ini.
Detektor Tingkat Tegangan Komparator Op-amp
Seperti di atas, jaringan pembagi tegangan menyediakan satu set tegangan referensi untuk masing-masing rangkaian komparator Op-amp. Untuk menghasilkan empat tegangan referensi akan membutuhkan lima Resistor.
Persimpangan pada pasangan bawah resistor akan menghasilkan tegangan referensi yaitu seperlima dari tegangan supply, 1/5Vcc menggunakan resistor nilai yang sama. Pasangan kedua 2/5Vcc, pasangan ketiga 3/5Vcc dan seterusnya, dengan tegangan referensi ini meningkat dengan jumlah tetap seperlima ( 1/5 ) menuju 5/5Vcc yang sebenarnya adalah Vcc.
Dengan meningkatnya tegangan input umum, output dari setiap rangkaian komparator Op-amp beralih secara bergantian dimulai dengan komparator yang lebih rendah, A4 dan ke atas menuju A1 ketika tegangan input meningkat.
Jadi dengan mengatur nilai-nilai resistor di jaringan pembagi tegangan, komparator dapat dikonfigurasi untuk mendeteksi level tegangan apa pun. Salah satu contoh yang baik dari penggunaan deteksi dan indikasi level tegangan adalah untuk monitor kondisi baterai.
Juga dengan meningkatkan jumlah komparator Op-amp di set, lebih banyak titik pemicu dapat dibuat. Jadi misalnya, jika kami memiliki delapan Op-amp komparator dalam rantai dan mengumpankan output masing-masing komparator ke 8-ke-3 line Digital Encoder, kami dapat membuat konverter analog-ke-digital yang sangat sederhana, (ADC) yang akan mengubah sinyal input analog menjadi kode biner 3-bit (0-ke-7).
Komparator Op-amp dengan Umpan Balik Positif
Kita telah melihat di sini bahwa penguat operasional (Op-amp) dapat dikonfigurasikan untuk beroperasi sebagai komparator dalam mode loop terbuka, dan ini bagus jika sinyal input bervariasi dengan cepat atau tidak terlalu berisik.
Namun jika sinyal input, VIN lambat untuk berubah atau ada gangguan listrik, maka komparator Op-amp dapat berosilasi mengalihkan bolak-balik antara dua keadaan saturasi, +Vcc dan -Vcc ketika sinyal input melayang di sekitar tegangan referensi, tingkat VREF. Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini dan untuk menghindari Op-amp dari berosilasi adalah dengan memberikan umpan balik positif di sekitar komparator.
Sesuai namanya, umpan balik positif adalah teknik untuk memberi makan kembali sebagian atau sebagian dari sinyal output yang dalam fase input penguat non-inverting melalui pembagi potensial yang diatur oleh dua resistor dengan jumlah umpan balik sebanding dengan rasio mereka.
Penggunaan umpan balik positif di sekitar komparator Op-amp berarti bahwa begitu output dipicu ke saturasi di kedua level, harus ada perubahan signifikan pada sinyal input VIN sebelum output beralih kembali ke titik saturasi asli. Perbedaan antara dua titik switching ini disebut histerisis yang menghasilkan apa yang biasa disebut rangkaian pemicu Schmitt. Pertimbangkan rangkaian komparator inverting di bawah ini.
Inverting Komparator Op-amp dengan Histerisis
Untuk rangkaian komparator inverting di atas, VIN diterapkan pada input inverting op-amp. Resistor R1 dan R2 membentuk jaringan pembagi tegangan melintasi komparator yang memberikan umpan balik positif dengan bagian dari tegangan output yang muncul pada input non-inverting op-amp. Jumlah umpan balik ditentukan oleh rasio resistif dari dua Resistor yang digunakan dan yang diberikan sebagai:
Persamaan Pembagi Tegangan
Di mana: β (beta) dapat digunakan untuk menunjukkan fraksi umpan balik.
Ketika sinyal input kurang dari tegangan referensi, VIN <VREF, tegangan output akan menjadi TINGGI, VOH dan sama dengan tegangan saturasi positif. Karena outputnya TINGGI dan positif, nilai tegangan referensi pada input non-inverting akan kira-kira sama dengan: +β*Vcc disebut Titik Trip Atas atau UTP.
Sebagai sinyal input, VIN meningkatkannya menjadi sama dengan tegangan titik trip atas ini, level VUTP pada input non-inverting. Ini menyebabkan output komparator berubah menjadi LOW, VOL dan sama dengan tegangan saturasi negatif seperti sebelumnya.
Tetapi perbedaan kali ini adalah bahwa nilai tegangan titik trip kedua dibuat karena tegangan negatif sekarang muncul pada input non-inverting yang sama dengan: -β*Vcc sebagai akibat dari tegangan saturasi negatif pada output. Maka sinyal input sekarang harus jatuh di bawah level tegangan kedua ini, yang disebut Titik Trip Bawah atau LTP untuk output komparator tegangan untuk mengubah atau beralih kembali ke keadaan positif semula.
Jadi kita dapat melihat bahwa ketika output berubah keadaan, tegangan referensi pada input non-inverting juga berubah menciptakan dua nilai tegangan referensi yang berbeda dan dua titik switching yang berbeda. Satu disebut Lower Upper Trip Point (UTP) dan lainnya disebut Lower Trip Point (LTP). Perbedaan antara dua titik perjalanan ini disebut Histerisis.
Jumlah histerisis ditentukan oleh fraksi umpan balik, β dari tegangan output diumpankan kembali ke input non-inverting. Keuntungan dari umpan balik positif adalah bahwa rangkaian pemicu Schmitt komparator yang dihasilkan kebal terhadap pemicu tidak menentu yang disebabkan oleh kebisingan atau secara perlahan mengubah sinyal input dalam pita histerisis yang menghasilkan sinyal output yang lebih bersih karena output komparator Op-amp hanya dipicu sekali.
Jadi untuk tegangan output positif, VREF = +β*Vcc, tetapi untuk tegangan output negatif, VREF = -β*Vcc. Maka kita dapat mengatakan bahwa jumlah histerisis tegangan akan diberikan sebagai:
VHisterisis = VUTP - VLTP
VHisterisis = +βVcc - (-βVcc)
∴ VHisterisis = 2βVcc
Kami juga dapat menghasilkan rangkaian komparator Op-amp non-inverting dengan histirisis bawaan dengan mengubah terminal input dan referensi seperti yang ditunjukkan:
∴ VHisterisis = 2βVcc
Kami juga dapat menghasilkan rangkaian komparator Op-amp non-inverting dengan histirisis bawaan dengan mengubah terminal input dan referensi seperti yang ditunjukkan:
Komparator Op-amp Non-inverting dengan Histerisis
Contoh: Op-amp Komparator No.1
Penguat operasional (Op-amp) harus digunakan dengan umpan balik positif untuk menghasilkan rangkaian pemicu Schmitt. Jika resistor, R1 = 10kΩ dan resistor, R2 = 90kΩ, apa yang akan menjadi nilai-nilai titik beralih atas dan bawah dari tegangan referensi dan lebar histerisis jika Op-amp terhubung ke ganda ±10V power supply.
Diberikan: R1 = 10kΩ, R2 = 90kΩ. Power supply +Vcc = 10v dan -Vcc = 10v.
Fraksi Feedback (umpan balik) Op-amp Komparator:
Titik Trip Tegangan Atas, VUTP
V(HYS) = UTP - LTP
V(HYS) = +βVcc - (-βVcc) = 1.0V - (-1.0V) = 2.0V
Jadi: V(HYS) = 2βVcc = 2 x 0.1 x 10 = 2.0V
Kemudian tegangan referensi VREF, beralih antara +1V dan -1V karena output jenuh dari satu level ke level lainnya. Mudah-mudahan kita bisa lihat dari contoh sederhana ini bahwa lebar histerisis ini, 2 volt secara total, dapat dibuat lebih besar atau lebih kecil hanya dengan menyesuaikan rasio pembagi tegangan dari resistor umpan balik R1 dan R2.
Komparator Tegangan
Meskipun kita dapat menggunakan Op-amp seperti 741 sebagai rangkaian komparator dasar, masalah dengan ini adalah bahwa Op-amp hanya dioptimalkan untuk operasi linier. Di situlah terminal input berada pada level tegangan yang hampir sama dan tahap outputnya dirancang untuk menghasilkan tegangan output linier yang tidak jenuh untuk jangka waktu yang lama. Juga Op-amp standar dirancang untuk digunakan dalam aplikasi loop tertutup dengan umpan balik negatif dari outputnya ke input invertingnya.
Komparator tegangan khusus di sisi lain adalah perangkat non-linear yang memungkinkan untuk saturasi berat, karena gain yang sangat tinggi, ketika sinyal input berbeda dengan jumlah yang relatif kecil. Perbedaan antara komparator Op-amp dan komparator tegangan ada pada tahap output karena Op-amp standar memiliki tingkat output yang dioptimalkan untuk operasi linier, sedangkan tahap output dari komparator tegangan dioptimalkan untuk operasi jenuh kontinu karena selalu dimaksudkan untuk berada dekat dengan satu rel supply atau yang lainnya dan tidak di antaranya.
Komparator komersial seperti komparator tunggal LM311, komparator quad LM339 atau komparator diferensial ganda LM393, adalah komparator tegangan yang datang dalam paket IC standar yang beroperasi dari catu daya tunggal atau ganda. Komparator tegangan khusus ini dirancang untuk tujuan satu-satunya untuk mengalihkan output dengan sangat cepat dari satu keadaan jenuh yang lain karena transistor yang digunakan untuk tahap output komparator tegangan umumnya switching transistor.
Karena komparator tegangan mengubah sinyal input linier menjadi sinyal output digital, mereka biasanya digunakan untuk menghubungkan dua sinyal listrik yang berbeda dengan tegangan supply atau referensi yang berbeda. Sebagai hasilnya, tahap output komparator tegangan umumnya dikonfigurasikan sebagai sakelar transistor collector terbuka tunggal (atau Drain) dengan keadaan terbuka atau tertutup daripada tegangan output aktual seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian Komparator Tegangan
Di sini, output collector terbuka dari komparator tegangan dihubungkan ke sumber tegangan melalui resistor pull-up tunggal (dan LED untuk indikasi) yang menarik output tunggal tinggi ke catu daya. Ketika sakelar output adalah TINGGI itu menciptakan jalur impedansi tinggi, oleh karena itu tidak ada arus yang mengalir seperti VOUT = Vcc.
Ketika komparator berubah keadaan dan sakelar output adalah RENDAH, itu menciptakan jalur impedansi rendah ke ground dan arus mengalir melalui resistor pull-up (dan LED) menyebabkan penurunan tegangan dengan sendirinya dengan output ditarik ke tingkat supply yang lebih rendah, ground dalam kasus ini.
Kemudian kita dapat melihat bahwa ada sedikit perbedaan antara simbol skematis dari komparator Op-amp dan komparator tegangan atau rangkaian internal mereka. Perbedaan utama adalah pada tahap output dengan collector terbuka atau konfigurasi drain berguna untuk menjalankan relai, lampu, dll. Dengan menggerakkan transistor dari output memungkinkan untuk kapasitas switching arus lebih besar daripada output komparator saja.
Ringkasan Komparator Op-amp
Dalam tutorial ini tentang Komparator Op-amp, kita telah melihat bahwa rangkaian komparator pada dasarnya adalah penguat operasional (Op-amp) tanpa umpan balik, yaitu, Op-amp digunakan dalam konfigurasi loop terbuka, dan ketika tegangan input, VIN melebihi tegangan referensi preset, VREF, status perubahan output.
Karena gain loop terbuka yang sangat tinggi dari Opa-mp, menggunakannya dengan umpan balik positif atau bahkan tanpa umpan balik sama sekali menyebabkan output jenuh ke rel supplynya menghasilkan salah satu dari dua tegangan output yang berbeda tergantung pada nilai relatif dari kedua input. Perilaku bistabil ini non-linear dan membentuk dasar komparator Op-amp dan rangkaian pemicu Schmitt.
Tahap output dari komparator khusus, seperti LM311 tunggal, dual LM393 atau quad LM339 dirancang untuk beroperasi di daerah saturasi mereka yang memungkinkan rangkaian komparator tegangan ini digunakan secara luas dalam aplikasi konverter analog-ke-digital dan untuk berbagai jenis rangkaian deteksi level tegangan.
Perilaku switching yang tidak menentu dari komparator loop terbuka dapat dengan mudah diatasi dengan menambahkan umpan balik positif antara output dan input komparator. Dengan umpan balik positif, rangkaian memiliki histerisis dengan pergantian output terjadi antara dua titik pengalihan yang berbeda, UTP dan LTP.
Komparator jendela op-amp adalah jenis rangkaian komparator tegangan yang menggunakan dua komparator Op-amp untuk menghasilkan output dua-keadaan yang menunjukkan apakah tegangan input berada dalam kisaran atau rentang nilai tertentu dengan menggunakan dua tegangan referensi. Tegangan referensi atas dan tegangan referensi lebih rendah.
Walaupun penguat dan komparator operasional mungkin terlihat serupa, mereka sangat berbeda dan dirancang untuk digunakan dalam aplikasi yang berbeda karena Op-amp dapat digunakan sebagai komparator, komparator tegangan tidak dapat digunakan sebagai Op-amp karena non-Op-amp. tahap output linier.
Kita tahu dari tutorial sebelumnya bahwa Penguat Operasional (Op-amp) adalah perangkat analog dengan input analog diferensial dan output analog dan jika dioperasikan dalam konfigurasi loop terbuka, outputnya bertindak seperti output komparator. Tetapi komparator tegangan khusus (LM311, LM393, LM339) tersedia secara luas yang akan melakukan jauh lebih baik daripada komparator Op-amp standar.