Opamps-Hysterese:Der ultimative Leitfaden

Viele grundlegende Konzepte in der technischen Welt sind schwer zu handhaben, weil ihre Bedeutungen so trügerisch sein können. Leider ist die Hysterese eines dieser Grundkonzepte.

Möglicherweise haben Sie versucht, das Konzept zu finden, nur um aufzugeben oder auf etwas zu stoßen, das so kompliziert und langwierig ist, dass Sie es aufgeben möchten. Aber keine Sorge, wir haben eine Lösung!

Glücklicherweise haben wir diesen Artikel geschrieben, um das Konzept der Operationsverstärker-Hysterese in einer einfachen, aber umfassenden Anleitung aufzuschlüsseln.

Sind Sie bereit? Dann legen wir los!

Was ist Hysterese in Opamp?

Opamps-Diagramm

Das Thema Operationsverstärker-Hysterese wird sinnvoll, sobald wir das Wort Hysterese definieren. Einfach ausgedrückt bedeutet Hysterese, hinterherzuhinken oder hinterherzulaufen oder Änderungen gegenüber einem früheren Zustand zu widerstehen. Außerdem beschreibt Hysterese in der Technik nicht symmetrische Operationen, oder einfacher ausgedrückt, der Pfad von A nach B unterscheidet sich von B nach A.

Darüber hinaus finden Sie Hysterese in Bereichen des Magnetismus, der nicht-plastischen Verformung und natürlich in elektronischen Schaltungen wie Operationsverstärkern (die als Komparatoren fungieren).

Dynamischer dedizierter verriegelter Komparator

Um es weiter aufzuschlüsseln, werfen wir einen Blick auf ein einfaches Beispiel, um zu verstehen, was Hysterese in Operationsverstärkern bedeutet.

Wenn Sie ein 12-Volt-Relais an eine variable Stromversorgung anschließen und die Eingangsversorgungsspannung langsam von 0 auf 12 erhöhen, werden Sie feststellen, dass das Relais um die 11 Volt aktiviert wird.

Wenn Sie also diese Spannung reduzieren, sollte es normalerweise das Relais ausschalten. Aber das ist nicht der Fall. Das Relais schaltet erst ab, wenn die Spannung weit unter 9 Volt sinkt.

Der Unterschied zwischen den Aktivierungs- und Deaktivierungsschwellen des Relais wird als Spannungsverzögerung bezeichnet, und diese Spannungsverzögerung bezeichnen wir als Hysterese.

Nun kann die Hysterese nachteilige Auswirkungen auf elektronische Schaltungen wie einzelne BJT-Schaltungen haben und verhindert, dass Sie feste Schwellenwerte auf Ihrem Kurs einhalten. Daher wird der Hysteresepegel in den meisten Fällen auf das geringstmögliche Niveau reduziert, um die Kontrolle über die Schwellenwerte der Schaltung zu behalten.

Im Gegensatz dazu sind Opamp-Schaltungen wirksam bei der Vermeidung von Hystereseeffekten bei der Handhabung bestimmter Operationen. Für die meisten Operationsverstärker-Batterieladeschaltungen wird das Fehlen einer Hysterese zu einem erheblichen Nachteil.

In solchen Situationen würden Sie also eine zusätzliche Hysterese in die Schaltung zwingen, indem Sie einen Rückkopplungswiderstand über die Ausgänge des Operationsverstärkers und an einen seiner Eingangspins installieren.

Daher würde es helfen, den Hystereseeffekt in Ihre Operationsverstärkerschaltung einzubeziehen.

Andererseits verfügen die meisten Komparatoren über eine eingebaute Hysterese, und diese Komparatoren haben normalerweise einen Wert zwischen 5 mV und 10 mV. Außerdem hilft die interne Hysterese dieser analogen Komparatoren, Schwingungen durch minimale Mengen an parasitärer Rückkopplung zu verhindern.

Jedes externe Rauschen mit größerer Amplitude kann jedoch die interne Hysterese dieser Komparatoren blockieren, obwohl dies ausreicht, um Eigenschwingungen zu stoppen. In Situationen wie dieser würde das Problem einfach durch Einbeziehung einer externen Hysterese gelöst.

Funktionsprinzip

Obwohl Hysterese in einigen Schaltungen nicht erwünscht ist, ist sie dennoch wertvoll für analoge Schaltungen, da sie hilft, das Schalten in Schaltungen mit Transistoren zu steuern. Daher können Sie die Hysterese in einer Komparatorschaltung verwenden, um das Tastverhältnis der Ausgangswellenform einzustellen.

Hinweis:Operationsverstärker und Komparatoren sind zwei wesentliche und gleichwertige Komponenten in diesen Schaltungen. Noch wichtiger ist, dass ein Operationsverstärker als Komparator arbeiten kann, aber nicht alle Komparatoren können als arbeiten Verstärker .

Aus diesem Grund können die beiden Begriffe austauschbar sein, da die Hysterese für beide Schaltkreise wichtig ist. Außerdem trägt das Verständnis, wie diese Schaltkreise funktionieren, wesentlich dazu bei, die Funktionsweise von Hysterese in fortgeschrittenen Kursen zu verstehen.

Der Vergleich zweier standardmäßiger integrierter Schaltkreise mit dem Operationsverstärker und dem Komparator macht es einfacher zu verstehen, wie die Hysterese in einigen dieser Schaltkreise funktioniert und wie sie verwendet werden kann, um das Schaltverhalten dieser Schaltkreise nach Ihren Wünschen zu modifizieren.

Vergleich von ICs mit beiden Komponenten

Der erste Eindruck, den Sie aus dem obigen Diagramm gewinnen, ist, wie ähnlich sich die beiden Komponenten sind. Es gibt jedoch Unterschiede, wie zum Beispiel, dass der Komparator ein geerdeter Emitter ist, während der Operationsverstärker dies nicht ist. Aus diesem Grund funktioniert der Ausgang des Komparators gut für die Sättigung. Andererseits funktioniert die Herstellung des Operationsverstärkers besser für lineare Operationen.

Integrierter Schaltkreis

Hysterese in einem Komparator

Die Hysterese in einer einfachen Komparatorschaltung ist für die Erzeugung eines stabilen Schaltverhaltens verantwortlich. Wenn Sie einen Mitkopplungswiderstand hinzufügen, erzeugt dieser im Verlauf eine Hysterese, die die Schaltschwelle festlegt, wann immer das Eingangssignal zunimmt oder abnimmt.

Hier ist der knifflige Teil.

Das störende Rauschen des Eingangssignals kann den gesamten Prozess beeinträchtigen. Somit werden mehrere Übergänge erzeugt, wenn das Eingangssignal ansteigt. Das Hinzufügen von Hysterese zur Komparatorschaltung wirkt also jedem durch Rauschen verursachten Schaltfehler entgegen.

Hysterese in einem Operationsverstärker

Die Hysterese in einem Operationsverstärker ist ähnlich wie eine positive Rückkopplung eine Hysteresespannung in einem Komparator erzeugt (nicht negative Spannungen). Dadurch kann der Operationsverstärker eine Schmitt-Trigger-Schaltung bilden.

Hier wird es interessant.

Wenn Sie einen Operationsverstärker als Regelkreis bis zur Sättigung (mit Hysterese) treiben, wird der Ausgang gesättigt und Sie erhalten die gleichen Ergebnisse, die Sie von einem Komparator erhalten würden. Es funktioniert für invertierende Eingaben und nicht invertierende Eingaben.

Komparator ohne Hysterese

Komparator ohne Hysterese

Quelle:Pxhere

Hier ist eine Standard-Komparatorschaltung ohne Hysterese. Für diese Schaltung erzeugt das Spannungsteilernetzwerk Rx und Ry die minimale Schwellenspannung, die vom Kurs verwendet wird. Der Komparator bewertet und vergleicht also den Eingangsspannungsbereich (Vin) mit der festen Schwellenspannung (Vth), um die Beziehung zwischen der Spannung zu finden.

Wenn Sie nun die Eingangsspeisespannung (die Sie vergleichen möchten) an den invertierenden Eingang der Schaltung anschließen, wird ein Ausgang mit invertierter Polarität erzeugt.

Somit würde sich der Ausgang jedes Mal, wenn die Spannungsdifferenz des Eingangsvorstroms signifikanter als der Schwellenwert ist, näher an die negative Versorgung bewegen. Ebenso würde sich der Komparatorausgang näher an positive Versorgungsschienen bewegen, wenn der Punkt höher als die Eingangsreferenzspannung ist.

Obwohl diese Technik ihre Vorteile hat, wie zum Beispiel die Entscheidung, ob ein Signal über einem festgelegten Schwellenwert liegt, hat sie ein Problem. Das Rauschen des Eingangssignals kann mehrere Übergänge sowohl über als auch unter dem festen Punkt erzeugen, was zu schwankenden Ergebnissen führt.

Die Ausgabe eines Komparators ohne Hysterese

Sie können die mehreren Übergänge im obigen Diagramm sehen. Stellen Sie sich das Eingangssignal als Temperaturparameter vor, und der Ausgang wäre eine kritische Temperaturanwendung, um die Dinge transparenter zu machen. Nun liefert Ihnen das inkonsistente Ausgangssignal möglicherweise nicht die gewünschten Ergebnisse.

Oder stellen Sie sich vor, Sie benötigen den Ausgang eines Komparators, um einen Motor oder ein Ventil zu betreiben. Das schwankende Signal würde das Ventil in kritischen Schwellensituationen mehrfach ein-/ausschalten.

Glücklicherweise ist dies ein Problem, das durch Hysterese gelöst wird, da es dem wackeligen Signal beim Umschalten der Schwellenwerte vollständig entgegenwirkt und eine Art Rauschimmunität bietet.

Komparator mit Hysterese

Komparatorschaltungen mit Hysterese

Hier ist nun ein Diagramm der Komparatorschaltung mit Hysterese. Hier konzentriert sich der Widerstand RH auf den Schwellenpegel der Hysterese. Jedes Mal, wenn die Ausgangsspannung logisch hoch wird (5 V), würde die RH parallel zu Rx laufen. Somit kann zusätzlicher Gleichstrom in Ry fließen und die Schwellen-(VH)-Grenze auf 2,7 V erhöht werden. Außerdem ändert sich die Ausgangsantwort nicht auf logisch niedrig, wenn der Eingangsstrom nicht höher als die Schwellenspannung (2,7 V) ist.

Wenn der Ausgang jedoch auf logisch niedrig ist, wird Rh parallel zu Ry. Dadurch wird der in Ry fließende Strom reduziert und die Schwellenspannung t0 auf 2,3 V gesenkt. Um nun wieder auf logisch hoch (5 V) zu gehen, muss das Eingangssignal niedriger als 2,3 V sein.

Design des Hysteresekomparators

Um also das Design des Hysterese-Komparators aufzuschlüsseln, sehen wir uns die Schaltpläne, die Komponenten und das Design an.

Schaltpläne

Sehen Sie sich das folgende Diagramm an:

Hysterese-Komparator-Schaltungsschemata

Erforderliche elektronische Komponenten

• (1) Leiterplatte (PCB)
• Komparator (hier können Sie einen beliebigen Komparator verwenden. Zum Beispiel haben wir einen TLV3201 für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch verwendet. Dieser Komparator hat einen niedrigen Ruhestrom)
• Standard-Metallschichtwiderstände (0,1 %)

Designanforderungen

• +5V Versorgungsspannung
• 0 V bis 5 V Eingang

Design des Hysteresekomparators

Designformeln für Hysteresekomparatoren

Für die Designs können wir die Gleichungen (1) und (2) verwenden, um die Widerstandswerte zum Erstellen Ihrer Hysterese-Schwellenspannungen (d. h. VH und VL) auszuwählen. Außerdem müssen Sie einen RX mit einem einzigen Wert auswählen.

Wir haben festgestellt, dass unser RX eine Bewertung von 100.000 haben würde. Wir haben diese Bewertung gewählt, damit RX daran arbeitet, die Stromaufnahme zu minimieren. Andererseits haben wir Rh mit einem Wert von 576k implementiert. Somit haben wir die Gleichungen (1) und (2) in Anhang A bestätigt:Rh/Rx =VL/VH – VL.

Schlussworte

Komparatoren sind hilfreich, wenn es darum geht, zwischen zwei Signalpegeln zu unterscheiden. Sie können beispielsweise einen Komparator verwenden, um zwischen normalen und Übertemperaturbedingungen zu unterscheiden.

Außerdem führt die Variation von Rauschen oder Signal an der Vergleichsschwelle zu mehreren Übergängen. Der Vorteil der Hysterese in einer Komparatorschaltung besteht also darin, dass sie einen unteren und oberen Punkt festlegt, um das Problem zahlreicher Übergänge zu lösen.

Nun, das schließt diesen Artikel ab; Wenn Sie Fragen haben, können Sie sich gerne an uns wenden.