Kann ein Komparator (LM393) als Verstärker verwendet werden?

Werfen Sie einen Blick auf die grundlegenden Schaltpläne der Interna, die in den Datenblättern für den LM324 (normaler Operationsverstärker) bzw. LM393 (Komparator) gezeigt werden: -

Die Eingangsstufen sind beide ziemlich ähnlich, aber der erste große Unterschied ist der interne Kompensationskondensator im LM324-Operationsverstärker (dargestellt mit einem roten Kästchen um ihn herum). Diese Kompensation stellt sicher, dass der LM324-Operationsverstärker bei normalen Arten von negativer Rückkopplung (einschließlich des typischen Worst-Case-Szenarios, bei dem der Ausgang direkt mit dem invertierenden Eingang verbunden wird) nicht instabil wird und oszilliert.

Q10 und Q11 im LM324 sind nur Emitterfolger, sodass von diesen Transistoren keine "zusätzliche Verstärkung" (auch bekannt als potenzielle zusätzliche Stabilitätssorgen) ausgeht, und Q12 (LM324) wird sich ziemlich genau wie Q7 im LM393 verhalten, dh viel produzieren der Spannungsverstärkung.

Die Ausgangsstufen sind eindeutig sehr unterschiedlich, wobei der LM324 Push-Pull-Emitter-Folger (keine Verstärkung) verwendet, während der LM393 eine weitere gemeinsame Emitterstufe mit hoher Verstärkung hat, die von Q8 gebildet wird.

Kurz gesagt, der LM324 hat eine Frequenzkompensation, um eine Vielzahl von Rückkopplungskonfigurationen zu ermöglichen, während der LM393 diese Kompensation nicht hat und, um die Sache aus Stabilitätssicht noch schlimmer zu machen, eine weitere Stufe der Spannungsverstärkung hat.

Wenn Sie die Schaltpläne des Datenblatts als anständigen Leitfaden für die Interna beider Chips betrachten, müssen Sie zu dem Schluss kommen, dass das Anwenden „normaler“ Mengen an negativer Rückkopplung (um einen Verstärker vom Typ eines normalen Operationsverstärkers herzustellen) zu Oszillationen oder erheblicher Instabilität führt Probleme insbesondere bei niedrigen Closed-Loop-Verstärkungen.

Wenn wir uns die Datenblätter genauer ansehen, hat der LM393 eine minimale Spannungsverstärkung von 50 V pro eingegebenem Millivolt, während der LM324 nur 15 V pro eingegebenem Millivolt beträgt. Dies erhärtet den Verdacht auf höhere Verstärkung (für den LM393), den die Schaltpläne in den Datenblättern implizieren.

Abgesehen davon gibt es immer Methoden, einen Komparator in einen Verstärker umzuwandeln, aber es gibt nicht genügend Hinweise im LM393-Datenblatt, die auf eine feste Methode hinweisen.

Die LM393-Module, die Sie bei eBay beworben sehen, sind keine Mikrofonverstärker als solche.

Sie werden als Schallerkennungsmodule beworben, die eine (mehr oder weniger) digitale Ausgabe liefern.

Auf diesem Modul befindet sich ein LM393 und es wird als Geräuschdetektor beworben. Es hat einen aktiven Low-Ausgang, der den Fähigkeiten des LM393 entspricht - der LM393 kann nur nach unten ziehen.

Als Mikrofonverstärker nützt es dir nichts. Das ist nicht seine Aufgabe, und (wie durch ein Wunder) wird damit beworben, dass es das tut, wofür es eigentlich gut ist.

Da der LM393 ein dualer Komparator ist, verwenden die LM393-Module mit einem analogen Ausgang möglicherweise den zweiten Komparator als (schlechten) Verstärker für das Mikrofon.

Anhand des hinzugefügten Schemas können Sie sehen, dass der 393 in diesen Modulen überhaupt nicht als Verstärker verwendet wird.

AO kommt direkt vom Mikrofon, wie ich vermutet habe.

Die beiden Komparatoren liefern einfache Ein/Aus-Signale als Reaktion auf die Lautstärke des Tons, den das Mikrofon aufnimmt.

Einem Komparator fehlt die Kompensation, so dass er im Allgemeinen nicht so einfach stabilisiert werden kann, dass er je nach interner Konstruktion, wenn überhaupt, als Verstärker mit Einheitsverstärkung fungiert.

Im speziellen Fall des LM393 ist es jedoch möglich, ihn als wirklich miesen Operationsverstärker zu verwenden, indem man dem Ausgang einen BFC hinzufügt. (Ich glaube die$\mu$fehlt im Datenblatt und die Kondensatorwerte sollten 0,5 uF betragen - es ist nicht so groß und F bei einem Kondensator . ).

Dies ist nur möglich, weil die Schaltung innerhalb der LM393-Familie so einfach ist, dass der interne Knoten, der normalerweise in einem Operationsverstärker verwendet wird, effektiv zugänglich ist.

Als Sie die Frage zuerst gestellt haben, habe ich mich sehr gefragt, warum ein Komparator als Verstärker verwendet werden sollte (auch wenn dies möglich wäre), da es OpAmps gibt, die so billig wie der LM393 sind, aber sicherlich die Arbeit besser machen würden. Es macht also keinen Sinn.

Eine Idee war, dass der Komparator in a verwendet wird$\Delta\Sigma$Konverter, um das Signal in eine einfache digitale Form zu wandeln, die robust gegen Störungen ist.

Deshalb habe ich nach dem Schaltplan gefragt.
Jetzt, da Sie das Schema bereitgestellt haben, sehen wir, dass es nicht zur Verstärkung als analoges Signal verwendet wird, sondern es nur in ein einfaches digitales Signal umwandelt. Dies kann für einige Anwendungen nützlich sein, bei denen es ausreicht, das Vorhandensein einer dominanten Schallfrequenz zu erkennen, oder als Sensor, um nur das Vorhandensein von Geräuschen zu erkennen; aber als Verstärkung eines Tonsignals würde ich das nicht bezeichnen.

Bleibt also die Frage: Wo ist die angebliche Verstärkung auf der Platine?

Offensichtlich meinen sie den JFET (oder sogar einen kompletten IC), den die meisten Elektret-Mikrofonkapseln integriert haben:

Bild aus diesem Dokument .

Ein Komparator ist ein Verstärker, also kann er im Allgemeinen als Verstärker verwendet werden. Ich sage aber nicht, dass es praktisch oder einfach sein wird!

Ein LM393 IST ein Verstärker, aber er wurde entwickelt, um als Komparator verwendet zu werden, und ist daher so konzipiert, dass er eine sehr hohe Verstärkung und einen Open-Collector-Ausgang hat. Sie könnten den Open-Collector-Ausgang mit einem Widerstand laden, um eine Rückkopplung zu liefern und anzulegen (um die Verstärkung zu reduzieren), sodass er zu einem linearen Verstärker wird. Mit Blick auf die interne Schaltung des LM393 sollte das möglich sein.

Aber eine Herausforderung könnte darin bestehen, es stabil zu machen und es so funktionieren zu lassen, wie Sie es möchten (für einen Verstärker mit linearer Rückkopplung).

Ein Komparator hat eine Open-Collector-Ausgangsstufe mit begrenztem Strom.

Sie können einen Pullup-R wie 1K und negative Rückkopplungsverhältnisse mit viel höheren Werten verwenden, um den Verstärker eines armen Mannes ähnlich wie Operationsverstärker vorgespannt zu machen.

Nachdem ich ein wenig mit einem dieser Schallsensoren herumgespielt habe, habe ich ein paar Beobachtungen.

• Der LM393 wird verwendet, weil er spottbillig ist - wahrscheinlich < 10 Cent in qt.

• Der LM393 kann möglicherweise mit etwas negativer Rückkopplung als Verstärker verwendet werden, dies wurde jedoch nicht versucht. Wahrscheinlich, weil das Board ein Allzweckboard sein soll - ebenfalls preislich 2,00 $

• Das Mikrofon hat keine Verstärkung – mit Ausnahme des eingebauten Fets am Elektret – wie oben erwähnt. Erwarten Sie Ausgaben unter 100 mV - aber immer noch verwendbar, wenn Sie das Elektret unterschiedlich lesen und nicht nur versuchen, die Ausgabe zu schwellen, wie eine Reihe von Online-Tutorials zeigen. Sie müssen neben dem Ding schreien oder mit den Fingern schnippen, damit es irgendetwas tut. Trotzdem können Sie genauso gut ein Elektret kaufen und es mit einer Handvoll Widerständen vorspannen.

• Der digitale Ausgang ist kaum stabil und neigt zum Schwingen. Ich hatte weniger Rauschen, als ich VCC einen Pullup-Widerstand von 10K hinzufügte (dies stammt von Beobachtungen mit einem Zielfernrohr).

• Schließlich ist das Ganze wirklich heikel und das Einstellen des Potis mit 25 Drehungen, damit das grüne Licht blinkt (im Grunde DC-Vorspannung des Mikrofonelements), ist absolut notwendig.

• Kostengünstiger chinesischer Müll - die Verwendung eines Operationsverstärkers und ein paar Kappen würde zu einem weit überlegenen Sensor führen - aber hey - Sie bekommen, wofür Sie bezahlen. Ich vermute, dass sogar die AC-Kopplung des Eingangs zum Komparator die Dinge unendlich verbessert hätte. Zum Preis von etwa 1-2 Cent und drei Teile.