Komparator

Möchte man zwei Spannungen vergleichen, so bedient man sich eines Komparators. Komparatoren sind im Prinzip Operationsverstärker, deren Eigenschaften durch spezielle schaltungstechnische Maßnahmen für die Vergleichsaufgabe optimiert wurden (Ansprechzeit möglichst kurz, keine Übersteuerung, etc.). Man kann jedoch für viele Anwendungen auch Operationsverstärker einsetzen.

Lässt man einen Operationsverstärker ohne äußere Beschaltung, so kommt seine offene Verstärkung voll zur Geltung. Dadurch schwingt die Ausgangsspannung schon bei wenigen Millivolt Eingangsspannungsänderung von einem in den anderen gesättigten Zustand. Man legt also an den (-)Eingang eine Referenzspannung U_ref und an den (+)Eingang die Signalspannung U_in. Ist nun U_in größer als U_ref, so ist die Ausgangsspannung ungefähr gleich der positiven Versorgungsspannung, ist U_in kleiner als U_ref, ist die Ausgangsspannung gleich der negativen Versorgungsspannung.

In der Praxis ist diese Schaltung jedoch nicht besonders günstig, da sich bei langsam ändernder Eingangsspannung U_in im Umschlagspunkt Schwingungen am Ausgang ergeben können, die vom Rauschen der Eingangsspannung herrühren.

Abhilfe schafft hier ein Komparator mit Hysterese (Schmitt-Trigger). Durch die Hysterese wird bewirkt, dass bei ansteigender Eingangsspannung U_in das Umschalten bei höherer Spannung erfolgt als das Umschalten bei abfallender Eingangsspannung.

Schmitt-Trigger

Hinweis:

Schmitt-Trigger verwendet man auch in der Digitaltechnik, um z.B. verschmierte Digitalsignale zu regenerieren, oder um Kontakte zu entprellen.

Dieses Verhalten wir durch eine Mitkopplung erreicht. Es wird zum Signal am (+)Eingang ein Teil des Ausgangs addiert, wodurch sich die Schaltschwellen in der oben erwähnten Weise verschieben. Die folgende Abbildung zeigt das Verhalten eines mit einer Hysterese versehenen Komparators. Die Größe der Hysterese wird durch

δU_in = R₁/R₂*(U_pos-U_neg)

bestimmt, wobei U_pos und U_neg die maximale positive und negative Ausgangsspannung des Operationsverstärkers bezeichnen.

Die obere Schaltschwelle U_H liegt bei R₁/R₂*(U_ref-U_pos) + U_ref, die untere Schaltschwelle U_L bei R₁/R₂*(U_ref-U_neg) + U_ref.

Verhalten eines Schmitt-Triggers

Die folgende Tabelle beinhaltet die wichtigsten Parameter von allgemein gebräuchlichen Komparatoren.

Typ	Uoff [mV]	Rin [kΩ]	Gain	td [ns]
LM261	3	17	3000	20
LF311	10	>106	200000	200
LM339	5	4000	200000	1300
LM360	5	17	3000	14
NE529	10	5	4000	22
LM710	5	40	1500	40
uA760	6	5	3000	22
Uoff.... Eingangsoffsetspannung     Rin.... Eingangswiderstand      td.... Verzögerungszeit