Unterschied zwischen Differential-Operationsverstärker und Komparator

In erster Näherung gibt es keinen Unterschied. Eine ähnliche Frage könnte lauten: "Was ist der Unterschied zwischen einem Gleichstrommotor und einem Generator?" Beide funktionieren in beiden Kapazitäten, aber jede ist optimiert, um bestimmte Qualitäten auf Kosten anderer zu maximieren, je nach beabsichtigter Anwendung.

Vergleichen wir das interne Schema für einen gemeinsamen Operationsverstärker, TL072 , und einen gemeinsamen Komparator, LM339 :

TL072

LM339

Gemeinsame Dinge:

1. differentieller Paareingang
2. sehr hoher Gewinn

Unterschiede:

1. Der TL072 verwendet JFETs für den Eingang. Dies liegt daran, dass JFETs eine extrem hohe Eingangsimpedanz bieten, was für einen Operationsverstärker wünschenswert ist. Die meisten Operationsverstärkeranalysen gehen davon aus, dass die Bias-Ströme (die Ströme, die sich durch die Eingänge bewegen) Null sind, aber dies gilt nur insoweit, als die Eingangsimpedanz unendlich ist. Für einen Komparator möchten Sie zwar eine hohe Eingangsimpedanz, um eine übermäßige Belastung der Quelle zu vermeiden, aber es ist nicht so wichtig, dass die Eingangsimpedanz sehr hoch ist.

2. Der LM339 hat einen Open-Collector - Ausgang. Für einen Komparator ist dies gut, da es ihm ermöglicht, über einen Pull-up-Widerstand mit einer beliebigen Anzahl von Ausgangsspannungen zu kommunizieren oder ganz einfach einen Wired-or-Bus zu implementieren. Sie würden dies nicht für einen Operationsverstärker wünschen, da Sie normalerweise möchten, dass ein Operationsverstärker genauso gut Strom liefert wie ihn senkt, damit Ihre Ausgangswellenform symmetrisch ist. Beachten Sie den NPN-PNP-Gegentaktpaarausgang von TL072.

3. Der LM339 kann den Ausgang so niedrig wie 0,2 V oder so hoch wie ziehen$V_{cc}$, aufgrund seines Open-Collector-Ausgangs. TL072 spezifiziert einen Ausgangsspannungshub von$\pm 10V$wann$Vcc = 15V$wenn die Last kleiner ist als$2k\Omega$.

Ein erfahrener IC-Designer könnte wahrscheinlich mehr Unterschiede aufzeigen, allein vom Schaltplan her. Ich bin keiner von denen, aber ich kann die Unterschiede in den Datenblättern sehen. Zum Beispiel sehe ich für LM339 überhaupt kein Gleichtakt- oder Netzteilunterdrückungsverhältnis, keine harmonische Verzerrung oder Rauschzahl. Diese könnten für einen Komparator gemessen werden, und Sie finden sie in jedem Datenblatt eines Operationsverstärkers, aber für eine Komparatoranwendung sind diese Parameter nicht besonders relevant, daher sind sie nicht spezifiziert, und wenn sie es wären, wären sie wahrscheinlich sehr Arm.

Sie können also in jedem Fall einen Operationsverstärker als Komparator oder einen Komparator als Operationsverstärker verwenden, wenn Ihre Anforderungen nicht sehr anspruchsvoll sind. Angesichts der Unterschiede in der Spezifikation der Teile ist es möglicherweise nicht möglich, anhand der Spezifikationen zu erkennen, wie sie überhaupt funktionieren.

Sie sind gleich, wenn Sie den Differenzverstärker in Sättigung betreiben . Dann übernimmt er die Funktion des Komparators.

Aber im Grunde ist der Differenzverstärker ein Verstärker, der es in die ANALOGE DOMÄNE bringt

Ein Komparator vergleicht die Eingangsspannung mit einer Referenzspannung und gibt entweder die Versorgung Vdd oder Vss aus, dieses binäre Verhalten bringt es in den DIGITALEN DOMAIN .

TI-Anwendungsbericht Operationsverstärker und Komparatoren – nicht verwechseln! ¹ bietet einen informativen Vergleich zwischen Operationsverstärkern und Komparatoren. Zusammenfassung der im Bericht hervorgehobenen Punkte:

1. Die Ausgänge der Komparatoren sind manchmal ein offener Kollektor/Drain für den digitalen Betrieb. Die Ausgänge mehrerer Komparatoren können miteinander verbunden werden, um ein NAND-Gatter zu bilden:

   Der Ausgang eines Operationsverstärkers ist jedoch immer analog und für den linearen Betrieb vorgesehen.

2. Komparatoren werden im Allgemeinen mit offenem Regelkreis betrieben, während Operationsverstärker im Allgemeinen mit geschlossenem Regelkreis betrieben werden. Ein Komparator kann jedoch mit einem geschlossenen Regelkreis verwendet werden, um eine Hysterese hinzuzufügen:

   Die Hysteresespannung ist

   $$V_H = \frac{R_P}{R_P + R_H}$$

3. Ein Operationsverstärker kann als Komparator verwendet werden, wenn er für einen offenen Regelkreis konfiguriert ist, dies wird jedoch nicht empfohlen:

   Ein für den Closed-Loop-Betrieb vorgesehener Operationsverstärker ist für Closed-Loop-Anwendungen optimiert. Die Ergebnisse, wenn ein Operationsverstärker im offenen Regelkreis verwendet wird, sind unvorhersehbar. Kein Halbleiterhersteller, einschließlich Texas Instruments, kann oder will den Betrieb eines Operationsverstärkers garantieren, der in einer Open-Loop-Anwendung verwendet wird. Die in Operationsverstärkern verwendeten analogen Ausgangstransistoren sind für die Ausgabe analoger Wellenformen ausgelegt und haben daher große lineare Bereiche. Die Transistoren verbringen vor der Sättigung übermäßig viel Zeit im linearen Bereich, wodurch die Anstiegs- und Abfallzeiten lang werden.

   ...

   Das Design einer Operationsverstärker-Ausgangsstufe ist eine schlechte Nachricht für den Designer, der einen Komparator mit schneller Reaktionszeit benötigt. Die für Operationsverstärker-Ausgangsstufen verwendeten Transistoren sind keine Schalttransistoren. Sie sind lineare Geräte, die für die Ausgabe einer genauen Darstellung analoger Wellenformen ausgelegt sind. Wenn sie gesättigt sind, verbrauchen sie möglicherweise nicht nur mehr Strom als erwartet, sondern sie können sich auch verzögern. Die Wiederherstellungszeit kann sehr unvorhersehbar sein. Eine Charge von Geräten kann in Mikrosekunden wiederhergestellt werden, eine andere Charge in 10 Millisekunden. Die Wiederherstellungszeit wird nicht angegeben, da sie nicht getestet werden kann. Je nach Gerät wird es möglicherweise überhaupt nicht wiederhergestellt. Bei einigen Rail-to-Rail-Vorrichtungen ist eine außer Kontrolle geratene Zerstörung der Ausgangstransistoren durchaus möglich.

   _{"Operationsverstärker und Komparatoren - Verwechseln Sie sie nicht!", Bruce Carter, S. 7-8}

Insgesamt werden Operationsverstärker für den linearen Betrieb und Komparatoren für den Spannungsvergleich empfohlen. Es ist möglich , bestimmte Operationsverstärker als Komparatoren mit einer Open-Loop-Konfiguration zu verwenden, aber die Leistung in einem solchen Modus ist im Vergleich zu einem Komparator schlecht und/oder unvorhersehbar. Und einige Operationsverstärker können zerstört werden, wenn sie in einer solchen Konfiguration verwendet werden.

¹ Seltsamerweise kann das Dokument (Literatur-ID SLOA067) weder über den normalen Literaturlink ( http://www-s.ti.com/sc/techlit/sloa067 ) noch über die Suche nach dem Titel oder der Literatur-ID auf der Website von TI gefunden werden. Daher habe ich eine Kopie des Dokuments von einer anderen Website verlinkt.

Für das praktische Systemdesign können Sie einen Operationsverstärker als Komparator verwenden, wenn Sie keine sehr hohe Leistung benötigen. Da Komparatoren jedoch in der Regel für den Einsatz in digitaler Logik ausgelegt sind, ist es einfacher, logikkompatible Komparatoren zu finden (z. B. mit einem Ausgang von 0 oder 5 V). Außerdem machen einige Operationsverstärker seltsame Dinge, wenn sie in die Sättigung gehen dürfen, da sie für die Verwendung in Closed-Loop-Konfigurationen ausgelegt sind. Beispielsweise können sie sich nur langsam erholen, was für die meisten Komparatoranwendungen unerwünscht ist.

Auf Englisch:

Ein Komparator gibt einen booleschen/digitalen Wert zurück: 0, wenn Eingang A höher ist als Eingang B, andernfalls 1.

Ein differenzieller Operationsverstärker gibt einen analogen Wert aus: die Differenz zwischen den Eingängen, multipliziert mit einem op-amp-spezifischen Multiplikator (der Verstärkung).

In Mathe:

Ein differenzieller Operationsverstärker ist wie diese Funktion:

Woher$f$ist die Ausgabefunktion,$i_1$und$i_2$die Ausgänge und$m$ein Operationsverstärker-spezifischer Multiplikator.

Ein Komparator ist eher so: