Mạch so sánh hay Comparator, còn gọi là Op-Amp Comparator trong kỹ thuật điện tử là phần tử thực hiện so sánh hai giá trị điện áp hoặc dòng điện đưa tới ngõ vào thuận và đảo, và cho ra kết quả nhị phân biểu hiện giá trị thuận có lớn hơn không. Phần lớn mạch được chế phục vụ so điện áp
Bộ so sánh điện áp là một mạch so sánh hai điện áp, chuyển đầu ra sang trạng thái cao hay thấp tùy thuộc vào điện áp nào cao hơn. Mạch so sánh điện áp hoạt động dựa trên opamp. Hình 1 hiển thị mạch so sánh điện áp ở chế độ đảo và Hình 2 hiển thị mạch so sánh điện áp ở chế độ không đảo.
Mạch so sánh không đảo
Trong mạch so sánh không đảo, điện áp tham chiếu được đặt vào đầu vào đảo ngược và điện áp so sánh đặt vào đầu vào không đảo. Bất cứ khi nào điện áp so sánh [Vin] vượt quá điện áp tham chiếu, đầu ra của opamp sẽ chuyển sang bão hòa dương [V+] và ngược lại. Trên thực tế những gì xảy ra là sự khác biệt giữa Vin và Vref, [Vin – Vref] sẽ là một giá trị dương và được khuếch đại đến vô cùng bởi opamp. Do không có điện trở phản hồi Rf, opamp ở chế độ vòng hở do đó độ lợi điện áp [Av] sẽ gần với vô cực. Vì vậy, điện áp đầu ra dao động đến giá trị tối đa tức là V+. Phương trình Av = 1 + [Rf / R1]. Khi Vin xuống dưới Vref, điều ngược lại xảy ra.
Phần lớn mạch được chế phục vụ so điện áp.
Thuật ngữ Comparator thường được dùng với ý nghĩa này. Khi cần phân biệt thì dùng Op-Amp Comparator, ví dụ phân biệt với các mạch so sánh số là “Digital comparator”. Đôi khi mạch còn được gọi là ADC 1 bit
Nguyên lý hoạt động
Mạch gồm hai phầnː mạch ngõ vào là một khuếch đại thuật toán có hệ số khuếch lớn, và mạch ngõ ra thông dụng của các mạch logic.
Theo biểu diễn trong ký hiệu mạch so sánh, với V1 ở ngõ vào thuận, thì
Nếu V1 > V2, Vout là logic 1 [high] Nếu V1 < V2, Vout là logic 0 [low] Sự bất định xảy ra khi V1 ≈ V2, nhưng thường được khử bằng các phản hồi dương để tạo trễ.[2]
Đặc trưng trễ giống như đối với Trigger Schmitt.
Mạch so sánh đảo ngược
Bộ khuếch đại đảo ngược sử dụng opamp là một bộ khuếch đại sử dụng opamp trong đó dạng sóng đầu ra sẽ ngược pha với dạng sóng đầu vào. Dạng sóng đầu vào sẽ được khuếch đại theo hệ số Av [độ lợi điện áp của bộ khuếch đại] theo độ lớn và pha của nó sẽ bị đảo ngược. Trong mạch khuếch đại đảo ngược, tín hiệu được khuếch đại được nối với đầu vào đảo ngược của opamp thông qua điện trở đầu vào R1. Rf là điện trở hồi tiếp. Rf và Rin cùng xác định độ lợi của bộ khuếch đại. Điện áp khuếch đại đảo ngược được biểu thị bằng phương trình Av = – Rf / R1. Sơ đồ mạch của bộ khuếch đại đảo ngược cơ bản sử dụng opamp được hiển thị bên dưới.
Trong trường hợp bộ so sánh đảo ngược, điện áp tham chiếu được đặt vào đầu vào không đảo và điện áp so sánh đặt vào đầu vào đảo ngược. Bất cứ khi nào điện áp đầu vào [Vin] vượt quá Vref, đầu ra của opamp sẽ chuyển sang bão hòa âm. Ở đây, sự khác biệt giữa hai điện áp [Vin-Vref] được đảo ngược và khuếch đại đến vô cùng bởi opamp. Phương trình Av = -Rf / R1. Phương trình tăng điện áp ở chế độ đảo ngược là Av = -Rf / R1. Vì không có điện trở phản hồi, độ lợi sẽ gần với vô cực và điện áp đầu ra sẽ càng âm hay V-.
Mạch so sánh điện áp thực tế sử dụng uA741
Dưới đây là mạch so sánh không đảo ngược thực tế dựa trên opamp uA741. Ở đây, điện áp tham chiếu được đặt bằng cách sử dụng mạng phân chia điện áp bao gồm R1 và R2. Phương trình là Vref = [V + / [R1 + R2]] x R2. Việc thay thế các giá trị được đưa ra trong sơ đồ mạch vào phương trình này sẽ cho Vref = 6V. Bất cứ khi nào Vin vượt quá 6V, đầu ra sẽ dao động lên -/+12 DC và ngược lại. Mạch được cấp nguồn từ nguồn cung cấp kép +/- 12V DC.
LM393 là một IC so sánh điện áp 8 chân được sử dụng rộng rãi, đóng gói SO-8 và các gói khác. IC nhỏ này được tích hợp nhiều tính năng phù hợp để sử dụng làm bộ so sánh. IC chứa hai opamps so sánh độ chính xác cao riêng biệt có thể hoạt động từ nguồn điện đơn hoặc kép. Một tính năng khác là dải điện áp cung cấp rộng nên có thể sử dụng IC trong nhiều ứng dụng khác nhau. IC này yêu cầu dòng điện hoạt động thấp do đó rất lý tưởng để sử dụng trong các thiết bị di động và hoạt động bằng pin. Hệ thống logic đầu ra có thể được sử dụng trong các mạch kỹ thuật số. Dòng điện đầu ra tối đa của IC là 20mA đủ để điều khiển các transistor và hệ thống logic, thiết bị logic và vi điều khiển.
Tính năng / Thông số kỹ thuật IC LM393
Hai bộ khuếch đại hoạt động so sánh điện áp riêng biệt trong một gói duy nhất.
Có thể hoạt động từ nguồn cấp điện đơn và kép.
Hoạt động từ điện áp cung cấp rộng từ 2V đến 36V.
Yêu cầu dòng hoạt động thấp chỉ khoảng 400uA.
Yêu cầu dòng phân cực đầu vào và bù thấp.
Đầu ra của nó có thể dễ dàng sử dụng để điều khiển hầu hết các hệ thống logic.
Độ chính xác cao
Đáng tin cậy để sử dụng trong các thiết bị thương mại.
Giá thấp
Thích hợp cho các thiết bị di động hoặc hoạt động bằng pin.
Sơ đồ chân IC LM393
Chân số 1 [đầu ra A]: đầu ra của Op-amp thứ nhất của IC.
Chân số 2 [đầu vào đảo ngược A]: đầu vào đảo ngược của Op-amp thứ nhất của IC.
Chân số 3 [đầu vào không đảo ngược A]: đầu vào không đảo ngược của Op-amp thứ nhất của IC.
Chân số 4 [nối đất GND]: Nối đất / âm tính cho cả hai Op-amp của IC.
Chân số 5 [đầu vào đảo ngược B]: đầu vào đảo ngược của Op-amp thứ hai của IC.
Chân số 6 [đầu vào không đảo ngược B]: đầu vào không đảo ngược của Op-amp thứ hai của IC.
Chân số 7 [đầu ra B]: đầu ra của Op-amp thứ hai của IC.
Chân số 8 [Vcc]: cấp điện dương của các Op-amp của IC.
Các ứng dụng
Mạch so sánh
Phát hiện điện áp
Ứng dụng dao động
Ứng dụng hệ thống logic
Thay thế và tương đương
LM193, LM293, LM2903, LM311, LM358
Mạch ứng dụng
Sơ đồ bên dưới là mạch công tắc cảm biến tối dùng IC LM393, ở đây dùng IC LM393 làm bộ so sánh. Mạch sử dụng LDR làm cảm biến ánh sáng và bóng tối. LDR là một điện trở phụ thuộc vào ánh sáng, điện trở của nó thay đổi khi lượng ánh sáng thay đổi trên bề mặt. Biến trở 20K được sử dụng để hiệu chỉnh mạch để BẬT tải với lượng ánh sáng mong muốn. Ở đầu ra của mạch, một relay SPDT được dẫn xuất thông qua một transistor 2N3904 BJT. Bạn có thể mắc nối tiếp bất kỳ tải hoặc thiết bị nào tại điểm được ghi “Tải” trong mạch. Điện áp hoạt động của mạch là 5V nhưng mạch có thể hoạt động bất kỳ điện áp nào từ 2V đến 36V DC. Công tắc relay nên được sử dụng theo điện áp hoạt động, ví dụ vận hành mạch với 5V thì sử dụng relay 5V đến 6V, nếu muốn hoạt động với điện áp cao hơn thì sử dụng công tắc relay theo điện áp đó. Công tắc relay có sẵn nhiều các điện áp khác nhau như 3V, 5V, 6V, 9V, 12V, …
Cách để chạy IC này lâu dài an toàn trong mạch
Để có được hiệu suất ổn định và lâu dài với LM393, bạn không nên vận hành IC với hơn 32V DC. Không hoạt động quá ± 18 khi hoạt động với nguồn điện kép. Để có hiệu suất ổn định, luôn vận hành một số vôn dưới điện áp hoạt động tối đa. Để không hoạt động với tải quá 20mA, luôn gắn cẩn thận các chân nếu sơ ý chập mạch có thể gây hư hỏng mạch bên trong IC do gây quá nhiệt mạch bên trong. Hàn sai cũng có thể gây hỏng mạch bên trong của IC hoặc làm cho IC yếu do đó sẽ không hoạt động như mong đợi hoặc cung cấp hiệu suất không ổn định, hàn sai bao gồm các mối hàn không sạch, giữ mỏ hàn hơn 10 giây với bất kỳ chân nào trong khi hàn hoặc bất kỳ chân nào tiếp xúc hơn 300 độ C trong 10 giây cũng sẽ làm hỏng IC bên trong. Không vận hành IC ở nhiệt độ dưới 0 độ C và trên +70 độ C và luôn bảo quản IC ở nhiệt độ trên -65 độ C và dưới +150 độ C.