Mạch so sánh sử dụng IC 741, IC 311, IC 339

Chức năng cơ bản của mạch so sánh để so sánh hai mức điện áp tại các chân đầu vào của nó và tạo ra một đầu ra để cho biết điện áp đầu vào nào có điện thế cao hơn điện áp kia.

Trong bài này chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu tỉ mỉ cách thiết kế chính xác mạch so sánh sử dụng các IC phổ biến như IC 741, IC 311 và IC LM339

Sự khác biệt giữa Bộ so sánh và Bộ khuếch đại Op

IC 741 là một ví dụ lý tưởng của một bộ khuếch đại op đơn và IC LM311 có thể được coi là một ví dụ điển hình về một bộ so sánh đơn chuyên dụng.

Bạn sẽ thấy cả hai thiết bị này có biểu tượng thiết bị hình 'tam giác' giống hệt nhau bên trong, mà chúng ta thường nhận ra và sử dụng để vẽ mạch so sánh. Tuy nhiên, đáp ứng đầu ra của hai dạng so sánh này có thể có một vài khác biệt lớn.

Mặc dù cả hai bộ khuếch đại op và bộ so sánh đều có thể được định cấu hình để so sánh các tín hiệu vi sai tại các chân đầu vào của chúng, nhưng sự khác biệt chính giữa hai bộ so sánh là:

• Trong điều kiện được cấp nguồn, đầu ra của amp op sẽ là dương hoặc âm, tùy thuộc vào mức điện áp chân cắm đầu vào, nhưng không bao giờ có thể mở. Ngược lại, đầu ra của bộ so sánh có thể là mở hoặc nối đất (âm) hoặc nổi.
• Một đầu ra amp op có thể hoạt động mà không cần bất kỳ điện trở kéo lên hoặc kéo xuống nào, nhưng bộ so sánh sẽ luôn yêu cầu một điện trở kéo lên hoặc kéo xuống bên ngoài để cho phép giai đoạn đầu ra hoạt động bình thường.
• Một amp op có thể được sử dụng để xây dựng các mạch khuếch đại độ lợi cao, một bộ so sánh không thể được sử dụng cho các ứng dụng như vậy.
• Đáp ứng chuyển mạch đầu ra của amp op thường chậm hơn so với IC so sánh.

Một thiết kế mạch so sánh cổ điển có thể được nhìn thấy trong hình sau:

Ở đây, đầu ra phản hồi bằng tín hiệu kỹ thuật số 'cao', bất cứ khi nào điện áp ở đầu vào không đảo (+) cao hơn đầu vào (-) không đảo. Ngược lại, đầu ra thành tín hiệu kỹ thuật số thấp, bất cứ khi nào điện áp đầu vào không đảo ngược thấp hơn điện áp đầu vào đảo ngược.

Tham khảo hình trên, chúng ta có thể thấy kết nối tiêu chuẩn của mạch so sánh có một đầu vào (đầu vào đảo ngược trong ví dụ này) được cấu hình với điện áp tham chiếu và chân đầu vào khác là đầu vào không đảo được kết nối với điện áp tín hiệu đầu vào .

Trong thời gian Vin được giữ ở điện áp thấp hơn điện áp tham chiếu +2 V, đầu ra vẫn ở mức thấp khoảng -10 V. Nếu Vin được tăng ngay trên +2 V, đầu ra ngay lập tức thay đổi trạng thái và chuyển sang mức cao khoảng + 10 V. Sự thay đổi trạng thái này ở đầu ra từ -10 V đến +10 V chỉ ra rằng Vin đã trở nên cao hơn so với tham chiếu +2 V.

Thành phần chính bên trong bất kỳ bộ so sánh nào là một mạch op amp, được đặt ở mức tăng điện áp rất cao. Để nghiên cứu chính xác hoạt động của bộ so sánh, chúng ta có thể lấy ví dụ về IC 741, như hình dưới đây:

Ở đây chúng ta có thể thấy đầu vào đảo ngược pin2 (-) được tham chiếu đến mặt đất, hoặc mức 0 V. Một tín hiệu hình sin được áp dụng trên pin3 là đầu vào không đảo ngược của amp op. Tín hiệu hình sin thay đổi luân phiên này khiến đầu ra chuyển đổi giữa trạng thái đầu ra cao và thấp, như được chỉ ra ở bên phải của hình ảnh.

Khi đầu vào Vin di chuyển thậm chí một milivolt trên tham chiếu 0 V, sự khác biệt được khuếch đại bởi bộ khuếch đại op khuếch đại cao bên trong của vi mạch, khiến đầu ra tăng cao ở mức bão hòa dương đầu ra. Điều kiện này được duy trì trong thời gian dài khi tín hiệu Vin vẫn ở trên tham chiếu 0 V.

Bây giờ, ngay sau khi mức tín hiệu giảm xuống dưới mức tham chiếu 0 V, đầu ra được điều khiển đến mức bão hòa thấp hơn của nó. Một lần nữa, điều kiện này được duy trì miễn là tín hiệu đầu vào Vin vẫn ở dưới mức tham chiếu 0 V.

Giải thích ở trên và dạng sóng được trình bày trong hình ảnh cho thấy rõ ràng phản ứng kỹ thuật số của đầu ra đối với tín hiệu đầu vào thay đổi tuyến tính.

Đối với các ứng dụng thông thường, mức tham chiếu không nhất thiết phải ở 0 V, thay vào đó có thể là bất kỳ mức tích cực nào theo yêu cầu. Và, trong trường hợp cần thiết, tham chiếu cũng có thể được kết nối với các đường cung cấp tích cực hoặc tiêu cực, trong khi tín hiệu đầu vào được áp dụng tại chân đầu vào khác.

Sử dụng IC 741 làm bộ so sánh

Trong ví dụ sau, chúng ta sẽ học cách sử dụng một amp op làm bộ so sánh

Trong hình, chúng ta có thể thấy một mạch op amp làm việc với một tham chiếu tích cực được đặt tại chân đầu vào đảo ngược (-) của nó. Đầu ra được gắn với một đèn LED.

Sử dụng công thức mạng bộ chia điện áp, chúng ta có thể tính toán giá trị điện áp tham chiếu trên chân đầu vào (-) của IC.

Vref = 10 k / 10 k + 10 k x +12 V = +6 V

Vì tham chiếu này được liên kết với chân (-) của IC, nếu điện áp Vin ở đầu vào (+) cao hơn tham chiếu này hoặc trở nên dương hơn tham chiếu, sẽ buộc đầu ra Vo chuyển sang mức bão hòa dương của nó.

Điều này sẽ làm cho đèn LED sáng, cho biết rằng Vin đã trở nên tích cực hơn mức tham chiếu +6 V.

Ngược lại, nếu đầu vào không đảo ngược (+) được định cấu hình làm chân tham chiếu và Vin được áp dụng cho chân đầu vào đảo ngược (-), đầu ra sẽ xuống thấp ngay khi đầu vào Vin thấp hơn giá trị tham chiếu và ngược lại.

Điều này sẽ ngay lập tức làm cho đèn LED tắt.

Do đó, đèn LED có thể được thực hiện để BẬT hoặc TẮT cho tín hiệu đầu vào nhất định, bằng cách đấu dây thích hợp chân đầu vào với mức tham chiếu và tín hiệu đầu vào.

Sử dụng đơn vị IC so sánh chuyên dụng

Thông thường op amp hoạt động tốt như mạch so sánh, nhưng sử dụng IC so sánh chuyên dụng thậm chí còn hoạt động tốt hơn so với op amp cho ứng dụng so sánh.

IC so sánh được thiết kế đặc biệt lý tưởng cho chức năng so sánh và thể hiện phản ứng được cải thiện như chuyển đổi nhanh hơn ở đầu ra giữa mức tích cực và tiêu cực.

Các IC này có khả năng chống nhiễu cao hơn, và trong nhiều trường hợp, các đầu ra có thể được sử dụng trực tiếp để điều khiển tải.

Chúng ta hãy tìm hiểu chi tiết về một vài IC so sánh phổ biến, từ cuộc thảo luận sau đây.

Mạch so sánh sử dụng IC 311

Hình trên cho thấy sơ đồ bên trong và chi tiết sơ đồ chân của IC so sánh 311. IC được thiết kế để hoạt động từ nguồn điện kép, cũng trong phạm vi +15 V và -15 V, là mức tương thích tiêu chuẩn cho tất cả các vi mạch kỹ thuật số hiện đại.

Giai đoạn đầu ra bên trong vi mạch có một bóng bán dẫn lưỡng cực, có cực thu và cực phát nổi. Điều này có nghĩa là đầu ra từ bóng bán dẫn này có thể được cấu hình có thể được cấu hình theo hai cách khác nhau:

1. Bằng cách thêm một điện trở kéo lên với chân thu 7 và nối đất cho chân bộ phát1, và sau đó sử dụng chân thu làm đầu ra.
2. Bằng cách nối bộ thu với dòng tích cực và sử dụng bộ phát làm đầu ra.

Đầu ra bóng bán dẫn cũng có thể được sử dụng để điều khiển rơ le hoặc một tải nhỏ như đèn trực tiếp mà không cần bất kỳ giai đoạn đệm bên ngoài nào.

IC cũng có tính năng cân bằng và đầu vào nhấp nháy có thể được gắn với đầu ra.

Chúng ta sẽ thảo luận về một số ứng dụng hữu ích của vi mạch này trong các phần sau:

Hình trên cho thấy cách IC 311 có thể được cấu hình như một máy dò không vượt qua bộ so sánh để cảm nhận điện áp đầu vào, bất cứ khi nào nó vượt qua vạch 0.

Đầu vào đảo ngược (-) của 311 có thể được nhìn thấy được nối với đất. Trong khoảng thời gian tín hiệu đầu vào ở mức tích cực, bóng bán dẫn đầu ra vẫn được BẬT, tạo ra mức thấp (-10 trong ví dụ này) ở đầu ra (bộ thu bóng bán dẫn).

Ngay sau khi tín hiệu đầu vào âm hoặc dưới 0 V, bóng bán dẫn sẽ TẮT. Điều này tạo ra một + 10V tích cực ở đầu ra cực thu của IC. Điều này cho phép chúng ta biết khi nào tín hiệu đầu vào ở trên mức 0 và khi nào nó giảm xuống dưới mức 0.

Hình tiếp theo dưới đây cho thấy cách sử dụng bộ so sánh IC 311 để tạo một mạch vuốt.

Trong ví dụ về mạch so sánh này, chân đầu ra 7 sẽ chuyển sang mức cao khi mức điện áp pin3 tăng trên tham chiếu pin2. Nhưng điều này chỉ có thể xảy ra khi chân đầu vào nhấp nháy pin6 ở mức thấp hoặc ở 0 V.

Khi mức nhấp nháy TTL cao được áp dụng ở chân của bóng bán dẫn, chân 6 trở nên thấp, làm cho bóng bán dẫn đầu ra của IC tắt, và do đó cho phép chân7 đi lên cao.

Đầu ra tiếp tục ở mức cao miễn là đầu vào TTL được giữ ở mức cao, bất kể điều kiện tín hiệu đầu vào ở chân 3.

Tuy nhiên, nếu tín hiệu TTL được áp dụng ở dạng nhấp nháy, thì đầu ra đáp ứng với tín hiệu đầu vào tại chân 3. Nói một cách đơn giản, đầu ra vẫn bị khóa ở mức cao, trừ khi pin6 được vuốt.

Cách kết nối rơ le với bộ so sánh

Hình tiếp theo dưới đây cho thấy cách bộ so sánh 311 có thể được sử dụng trực tiếp để vận hành một rơ le .

Ở đây, khi mức điện áp ở đầu vào pin2 giảm xuống dưới 0 V, pin3 sẽ tích cực hơn pin2. Điều này làm cho bộ thu của bóng bán dẫn bên trong chuyển sang TẮT, chuyển tiếp BẬT. Các tiếp điểm của rơ le có thể được kết nối với tải nặng hơn để thực hiện một hành động chuyển đổi mong muốn.

Miễn là đầu vào (+) tại pin2 vẫn dưới 0 V, rơle vẫn ở trạng thái BẬT. Ngược lại, khi có tín hiệu tích cực trên chân 2, rơle sẽ vẫn ở trạng thái TẮT.

Mạch so sánh sử dụng IC 339

IC 339, còn được viết phổ biến là LM339, là một vi mạch so sánh bốn. Có nghĩa là, nó bao gồm 4 bộ so sánh điện áp riêng biệt có đầu vào và đầu ra được kết nối thích hợp thông qua các chân bên ngoài tương ứng của gói IC, như hình dưới đây.

Cũng giống như bất kỳ khối so sánh nào khác, mỗi khối so sánh có một vài đầu vào và một đầu ra. Khi IC được cấp nguồn bằng cách đặt điện áp qua Vcc và các chân cấp đất, nó sẽ cấp nguồn cho tất cả các bộ so sánh với nhau. Vì vậy, ngay cả khi một bộ so sánh duy nhất được sử dụng, tất cả 3 bộ còn lại sẽ tiêu thụ một số điện năng.

Tất cả các bộ so sánh đều có các đặc điểm giống hệt nhau, do đó chúng ta có thể phân tích bất kỳ đặc điểm nào trong số này để tìm hiểu chức năng cơ bản của bộ so sánh.

Khi một đầu vào vi sai tích cực được áp dụng trên các đầu cuối đầu vào, nghĩa là khi sự khác biệt giữa các tín hiệu được áp dụng là tích cực, nó sẽ TẮT bóng bán dẫn đầu ra. Điều này làm cho đầu ra hiển thị một mạch hở hoặc mở nổi.

Khi đầu vào vi sai là âm, nghĩa là khi sự khác biệt giữa các tín hiệu được áp dụng tại các chân đầu vào là âm, nó sẽ BẬT bóng bán dẫn đầu ra của bộ so sánh, điều này làm cho chân đầu ra của bộ so sánh chuyển sang âm hoặc ở điện thế V.

Tham khảo hình trên, chúng ta có thể hiểu rằng khi đầu vào không đảo (+) của IC được sử dụng làm chân tham chiếu, điện áp thấp hơn tham chiếu này tại chân đầu vào đảo (-) sẽ dẫn đến đầu ra của bộ so sánh trở nên mở. Mặt khác, nếu (-) được sử dụng làm chân tham chiếu, mức điện áp ở đầu vào (+) cao hơn tham chiếu sẽ khiến đầu ra chuyển sang âm hoặc ở V-

Để tìm hiểu cách thức hoạt động của IC 339 giống như một bộ so sánh, ví dụ sau đây cho thấy IC như một bộ phát hiện điểm giao nhau.

Thời điểm tín hiệu đầu vào tăng trên 0 V, đầu ra được bật cao ở mức V +. Đầu ra chỉ TẮT ở V- trong khi đầu vào được giữ dưới 0 V.

Như đã giải thích trước đó, mức tham chiếu không cần là 0 V, nó có thể được thay đổi thành bất kỳ mức mong muốn nào khác. Ngoài ra, bạn cũng có thể sử dụng chân đầu vào khác (+) làm chân tham chiếu và chân đầu vào (-) làm chân đầu vào tín hiệu để chấp nhận tín hiệu đầu vào khác nhau.

Lợi thế của việc có một đầu ra nổi trong các IC so sánh

Như đã thảo luận trong các giải thích trước, đầu ra của bộ so sánh được chuyển qua BJT có bộ thu mở làm đầu ra. Điều này mang lại lợi thế khi kết nối trực tiếp đầu ra của hai bộ so sánh từ IC 339 giống như một Cổng HOẶC .

Dưới đây là một ví dụ điển hình về mạch so sánh cửa sổ. Ở đây hai khối so sánh IC 339 được cấu hình với một tín hiệu đầu vào chung duy nhất và các đầu ra được kết hợp giống như cổng OR.

Đầu ra của các bộ so sánh tương ứng xuống thấp bất cứ khi nào tín hiệu đầu vào vượt qua ngưỡng đặt dưới hoặc ngưỡng đặt trên, do đó cho phép người dùng biết khi nào tín hiệu nằm ngoài mức cửa sổ đã đặt.

Một bộ so sánh cửa sổ có thể được sử dụng cho các ứng dụng hữu ích như bảo vệ điện áp thấp cao mạch, và máy theo dõi năng lượng mặt trời mạch v.v.

Phần kết luận

Từ những giải thích trên, chúng tôi học được rằng:

Bộ so sánh về cơ bản là các đơn vị có hai đầu vào bổ sung và một đầu ra đáp ứng. Đầu ra chuyển sang cao hoặc thấp khi mức điện áp trên một trong các đầu vào cao hơn hoặc thấp hơn đầu vào kia, tùy thuộc vào đầu vào nào được sử dụng làm tham chiếu hoặc ở mức điện áp cố định.

Mặc dù một amp op cũng có thể được sử dụng giống như một bộ so sánh, nhưng các IC so sánh chuyên dụng được thiết kế tốt hơn để hoạt động giống như bộ so sánh.

Các IC so sánh chuyên dụng như LM311, LM339 được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng so sánh, với phản ứng nhanh hơn và khả năng xuất dòng cao linh hoạt.

Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào liên quan, vui lòng hỏi chúng thông qua khung bình luận bên dưới.