In diesem Beitrag werden wir über den Operationsverstärker als Komparator sprechen.Wir haben bereits andere Anwendungen des Operationsverstärkers in Schaltungen zur Erzeugung rechteckiger Wellenformen wie astabile (oder freilaufende) Multivibratoren, monostabile Multivibratoren (oder One-Shot) und bistabile Multivibratoren (oder Flip-Flops) besprochen.
Zum besseren Verständnis von Operationsverstärkern klicken Sie hier:- Operationsverstärker (Op-amp)
Op-amp Komparator
Ein Komparator findet seine Bedeutung in Schaltungen, in denen zwei Spannungssignale verglichen werden sollen und unterschieden werden soll, welches stärker ist. Ein Komparator ist auch eine wichtige Schaltung beim Entwurf von nicht-sinusförmigen Wellenformgeneratoren wie Relaxationsoszillatoren.
Bei einem Operationsverstärker mit offener Schleife und einem Differenz- oder Einzeleingangssignal mit einem Wert größer als 0 treibt die hohe Verstärkung, die gegen unendlich geht, den Ausgang des Operationsverstärkers in die Sättigung. Ein Operationsverstärker in Open-Loop-Konfiguration hat also einen Ausgang, der in die positive oder negative Sättigung geht oder zwischen positiver und negativer Sättigung umschaltet und somit den Ausgang oberhalb dieser Werte abschneidet. Dieses Prinzip wird in einer Komparatorschaltung mit zwei Eingängen und einem Ausgang verwendet. Die beiden Eingänge, von denen einer eine Referenzspannung (Vref) ist, werden miteinander verglichen.
Arbeitsweise einer 741-IC-Operationsverstärker-Vergleichsschaltung
Nicht-invertierende 741-IC-Operationsverstärker-Vergleichsschaltung
Eine nicht-invertierende 741-IC-Operationsverstärker-Vergleichsschaltung ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Sie wird als nicht-invertierende Komparatorschaltung bezeichnet, da das sinusförmige Eingangssignal Vin an den nicht-invertierenden Anschluss angelegt wird. Die feste Referenzspannung Vref liegt an der invertierenden Klemme (-) des Operationsverstärkers an.
Wenn der Wert der Eingangsspannung Vin größer ist als die Referenzspannung Vref, geht die Ausgangsspannung Vo in die positive Sättigung. Das liegt daran, dass die Spannung am nicht-invertierenden Eingang größer ist als die Spannung am invertierenden Eingang.
741 IC Nicht-invertierende Komparatorschaltung
Wenn der Wert der Eingangsspannung Vin kleiner ist als die Referenzspannung Vref, geht die Ausgangsspannung Vo in die negative Sättigung. Das liegt daran, dass die Spannung am nicht-invertierenden Eingang kleiner ist als die Spannung am invertierenden Eingang. Daher wechselt die Ausgangsspannung Vo vom positiven Sättigungspunkt zum negativen Sättigungspunkt, wenn sich die Differenz zwischen Vin und Vref ändert. Dies ist in der folgenden Wellenform dargestellt. Der Komparator kann als Spannungspegel-Detektor bezeichnet werden, da für einen festen Wert von Vref der Spannungspegel von Vin erkannt werden kann.
Der Schaltplan zeigt die Dioden D1 und D2. Diese beiden Dioden werden verwendet, um den Operationsverstärker vor Schäden durch einen Anstieg der Eingangsspannung zu schützen. Diese Dioden werden als Klemmdioden bezeichnet, da sie die differentiellen Eingangsspannungen entweder auf 0,7 V oder -0,7 V begrenzen. Die meisten Operationsverstärker benötigen keine Klammerdioden, da die meisten von ihnen bereits über einen eingebauten Schutz verfügen. Der Widerstand R1 ist in Reihe mit der Eingangsspannung Vin geschaltet und R ist zwischen dem invertierenden Eingang und der Referenzspannung Vref angeschlossen. R1 begrenzt den Strom durch die Klammerdioden und R verringert das Offset-Problem.
741 IC Op-Amp Non-Inverting Comparator Waveform Inverting 741 IC Op-amp Comparator Circuit
In der folgenden Abbildung ist eine invertierende 741 IC Op-Amp Komparatorschaltung dargestellt. Es handelt sich um eine invertierende Komparatorschaltung, da das sinusförmige Eingangssignal Vin an den invertierenden Anschluss angelegt wird. Die feste Referenzspannung Vref wird an den nicht invertierenden Anschluss (+) des Operationsverstärkers angelegt. Ein Potentiometer wird als Spannungsteiler verwendet, um die Referenzspannung an der nicht-invertierenden Eingangsklemme zu erhalten. Die beiden Enden des Potentiometers sind mit der Versorgungsgleichspannung +VCC und -VEE verbunden. Der Schleifer ist mit der nicht-invertierenden Eingangsklemme verbunden. Wenn der Schleifer auf einen Wert nahe +VCC gedreht wird, wird Vref positiver, und wenn der Schleifer in Richtung -VEE gedreht wird, wird der Wert von Vref negativer. Die Wellenformen sind unten dargestellt.
Op-amp 741 IC Inverting Comparator Circuit 
741 IC Op-Amp Inverting Comparator Waveform Comparator Characteristics
1. Operation Speed – According to change of conditions in the input, a comparator circuit switches at a good speed beween the saturation levels and the response is instantaneous.
2. Accuracy – Accuracy of the comparator circuit causes the following characteristics:-
(a) High Voltage Gain – The comparator circuit is said to have a high voltage gain characteristic that results in the requirement of smaller hysteresis voltage. Infolgedessen schaltet die Komparator-Ausgangsspannung zwischen dem oberen und dem unteren Sättigungspegel um.
(b) Hohes Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) – Die Gleichtakt-Eingangsspannungsparameter, wie z.B. ein Rauschen, werden mit Hilfe eines hohen CMRR abgefangen.
(c) Sehr kleiner Eingangsoffsetstrom und Eingangsoffsetspannung – Ein vernachlässigbarer Eingangsoffsetstrom und eine vernachlässigbare Eingangsoffsetspannung verursachen weniger Offsetprobleme. Um weitere Offset-Probleme zu reduzieren, können Offset-Spannungs-Kompensationsnetzwerke und Offset-Minimierungswiderstände verwendet werden.