Nederlands
Menu

Opamp versus comparator: gebruik, uitgangstrap, snelheid en compensatie

Beide hebben hetzelfde driehoekige symbool en versterken het spanningsverschil tussen twee ingangen sterk, maar ze zijn voor een ander doel ontworpen. Een opamp is bedoeld voor gebruik met tegenkoppeling: hij heeft fasecompensatie om oscillatie te voorkomen en laat de uitgang vloeiend bewegen als analoge spanning. Een comparator wordt in open lus gebruikt en is ontworpen om snel als binaire H of L aan te geven welke van twee spanningen groter is; hij heeft geen fasecompensatie en een uitgang die gemakkelijk op logica aansluit. Daarom is een opamp als comparator traag, en gaat een comparator met tegenkoppeling gemakkelijk oscilleren.

KenmerkOpampComparator
Belangrijkste gebruikMet tegenkoppeling; versterking en frequentiegedrag worden bepaald door externe weerstanden en condensatorenIn open lus (of met meekoppeling voor hysterese) om te bepalen welke spanning groter is
UitgangEen analoge spanning die continu met de ingang meeverandertBinair H of L. Normaal verzadigd naar een van beide kanten
UitgangstrapPush-pull. Er zijn rail-to-railtypen die tot dicht bij de voedingsspanning zwaaienOpen-drain (open-collector) of push-pull afgestemd op logische niveaus
FasecompensatieIntern aanwezig. Veel typen oscilleren niet, zelfs niet met tegenkoppeling bij een versterking van 1Niet aanwezig. Daardoor schakelt hij sneller
Maat voor de snelheidVersterking-bandbreedteproduct (GBW) en slew ratePropagatievertraging (afhankelijk van het type enkele ns tot enkele µs) en de stijg- en daaltijd van de uitgang
Herstel uit verzadigingNiet bedoeld om in verzadiging te gaan. Herstel kan lang duren en is meestal niet gespecificeerdOntworpen om herhaaldelijk te verzadigen en om te slaan, en schakelt snel
HystereseNormaal niet gebruiktMeekoppeling via externe weerstanden of een type met ingebouwde hysterese voorkomt dat de uitgang door ruis heen en weer klappert
IngangenDoor tegenkoppeling blijven de twee ingangsspanningen vrijwel gelijk (virtuele kortsluiting). Sommige typen hebben beveiligingsdiodes tussen de ingangenGaat ervan uit dat er een groot verschil tussen de ingangen staat. Veel typen laten een grote differentiële spanning toe
VervangingKan soms een comparator vervangen als traagheid geen probleem is en de uitgangsniveaus passenKan geen opamp vervangen. Met tegenkoppeling gaat hij gemakkelijk oscilleren
Belangrijkste toepassingenVersterkers, filters, buffers, integratoren en signaalconditionering van sensorenDrempeldetectie, nuldoorgangsdetectie, spanningsbewaking, flash-ADC's en PWM-opwekking

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Opamp
Wanneer een signaal analoog moet worden versterkt of wanneer je filters en buffers bouwt. Toepassingen waarbij de uitgang met tegenkoppeling continu beweegt.
Comparator
Wanneer snel en betrouwbaar moet worden vastgesteld of een spanning een drempel overschrijdt en dit aan logica moet worden doorgegeven. Bewaking van de batterijspanning, nuldoorgangsdetectie en vergelijkingen in een ADC.
Opamp als vervanging
Wanneer een trage reactie geen probleem is en het uitgangsniveau past bij de volgende schakeling. Controleer in de datasheet eerst het toegestane differentiële ingangsspanningsbereik en het gedrag bij verzadiging.

Veelgestelde vragen

Mag je een opamp als comparator gebruiken?

Voor toepassingen waarbij snelheid niet belangrijk is kan dat soms. Door de fasecompensatie schakelt hij echter traag, herstelt hij langzaam uit verzadiging en passen de H- en L-spanningen van de uitgang soms niet bij de logica. Bij typen met beveiligingsdiodes tussen de ingangen gaat er stroom lopen als er een grote differentiële spanning op staat, dus let daarop.

Wat gebeurt er als je een comparator tegenkoppelt?

Meestal gaat hij oscilleren. Een comparator heeft geen fasecompensatie zodat hij snel kan schakelen, waardoor de fasemarge van de tegenkoppelingslus tekortschiet. Gebruik voor versterking en vergelijkbare toepassingen een opamp.

Waarom geef je een comparator hysterese?

Als de ingang langzaam rond de drempel verandert, kan een klein beetje ruis de uitgang vele malen tussen H en L laten wisselen. Door met meekoppeling de drempel voor een stijgende en een dalende ingang te laten verschillen (schmitttrigger), schakelt de uitgang maar één keer.

Waarom hebben comparators vaak een open-drainuitgang?

Omdat je door de pull-upspanning te kiezen de uitgang direct kunt aansluiten op logica die op een andere spanning werkt dan de comparator. Bovendien kun je de uitgangen van meerdere comparators op één lijn samenvoegen, zodat de lijn L wordt zodra er één reageert (wired-AND).

Test uw begrip

Welke uitspraak over de werking van een comparator is juist?

  1. AHij integreert de ingangsspanning over de tijd
  2. BHij vergelijkt twee ingangsspanningen en geeft het resultaat als tweewaardig signaal (H of L)
  3. CHij geeft een spanning evenredig met de ingangsspanning
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Hij vergelijkt twee ingangsspanningen en geeft het resultaat als tweewaardig signaal (H of L)

Een comparator bepaalt welke van twee ingangsspanningen groter is en geeft een tweewaardige uitgang H of L. Anders dan een op-amp wordt hij zonder negatieve terugkoppeling gebruikt en is hij ontworpen om snel uit verzadiging te herstellen; met bijvoorbeeld een open-drain-uitgang kan hij rechtstreeks op logica worden aangesloten. Hij wordt gebruikt voor beslissingen in AD-converters, bewaking van over- en onderspanning en nuldoorgangsdetectie. Om te voorkomen dat de uitgang door ruis heen en weer springt, wordt soms hysterese toegepast.

Hoe heet de eigenschap dat in een ideale op-ampschakeling met negatieve terugkoppeling de spanningen op de twee ingangen vrijwel gelijk zijn?

  1. ASlew rate
  2. BOffset
  3. CVirtuele kortsluiting (imaginary short)
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Virtuele kortsluiting (imaginary short)

Wordt negatieve terugkoppeling toegepast op een op-amp met een zeer grote open-lusversterking A, dan is het spanningsverschil tussen de ingangen vrijwel 0, namelijk Vout/A, omdat de uitgang bij een eindige waarde in evenwicht komt. Doordat het lijkt alsof ze zijn kortgesloten terwijl ze niet werkelijk zijn verbonden, heet dit virtuele kortsluiting; is de niet-inverterende ingang geaard, dan kan ook de inverterende ingang als 0 V (virtuele aarde) worden beschouwd. Dit is de basis van de analyse van op-ampschakelingen, maar het geldt niet als de uitgang verzadigd is of bij schakelingen met positieve terugkoppeling (comparator).

Welke schakeling heeft verschillende drempels voor stijgende en dalende ingang en voorkomt zo dat de uitgang door ruis heen en weer springt?

  1. APLL
  2. BSample-and-holdschakeling
  3. CSchmitt-trigger
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: C. Schmitt-trigger

Een Schmitt-trigger is een schakeling met een hoge drempel voor stijgende ingang en een lage drempel voor dalende ingang, zodat een verschil (hysterese) ontstaat. Ook bij een langzaam veranderend of met ruis behept signaal wordt voorkomen dat de uitgang rond de drempel herhaaldelijk schakelt (stuiteren). Hij wordt gemaakt door positieve terugkoppeling op een comparator toe te passen, en er bestaan ook logica-IC's zoals de 74HC14. Hij wordt ook gebruikt voor het vormgeven van schakelaaringangen en voor RC-oscillatoren (relaxatieoscillatie).

  1. Welke uitspraak over het idee van "dominante-poolcompensatie" voor fasecompensatie van een op-amp is juist?
  2. Welke uitspraak over de slew rate van een op-amp is juist?
  3. Welke grootheid wordt gebruikt om te beoordelen of een versterker met negatieve terugkoppeling stabiel werkt zonder te oscilleren?

Oefenvragen over Analoge en elektronische schakelingen

Belangrijke termen uitgelegd

Operationele versterker (op-amp)
Versterker met een differentiële ingang en een hoge versterkingsfactor. Met negatieve terugkoppeling wordt hij gebruikt voor versterkerschakelingen, filters en dergelijke.
Comparator
Schakeling die twee ingangsspanningen vergelijkt en het resultaat als binaire H of L afgeeft. Ook een basisbouwsteen van AD-omzetters.
Negatieve terugkoppeling
Een deel van de uitgang met tegengestelde polariteit naar de ingang terugvoeren. De versterking daalt, maar de winst wordt stabieler en vervorming en bandbreedte verbeteren.
Schmitt-trigger
Schakeling met verschillende drempels voor stijgende en dalende ingangssignalen (hysterese). De uitgang blijft stabiel, ook bij langzaam veranderende signalen of signalen met ruis.
Fasemarge (phase margin)
Marge tot een faseverschuiving van 180° bij de frequentie waarop de lusversterking van de negatief teruggekoppelde lus 1 (0 dB) wordt. Is die klein, dan wordt de respons oscillerend; bij 0 of minder treedt oscillatie op. Als richtlijn geldt doorgaans 45 tot 60° of meer.

Verwante vergelijkingen