Hystérésis des amplificateurs opérationnels :le guide ultime

De nombreux concepts fondamentaux du monde technique sont difficiles à appréhender en raison du caractère trompeur de leur signification. Malheureusement, l'hystérésis est l'un de ces concepts de base.

Vous avez peut-être essayé de rechercher le concept uniquement pour abandonner ou rencontrer quelque chose de si compliqué et de si long que vous voudriez abandonner. Mais ne vous inquiétez pas, nous avons une solution !

Heureusement, nous avons écrit cet article pour décomposer le concept d'hystérésis des opamps en un guide simple mais complet.

Es-tu prêt? Alors, commençons !

Qu'est-ce que l'hystérésis dans Opamp ?

Schéma Opamps

Le sujet de l'hystérésis des amplificateurs opérationnels commencera à avoir un sens une fois que nous aurons défini le mot hystérésis. En termes simples, l'hystérésis signifie être à la traîne ou suivre ou résister au changement par rapport à un état antérieur. De plus, en ingénierie, l'hystérésis décrit des opérations non symétriques, ou en termes plus simples, le chemin de A à B est différent de B à A.

De plus, vous pouvez trouver l'hystérésis dans les domaines du magnétisme, de la déformation non plastique et, bien sûr, des circuits électroniques tels que les amplificateurs opérationnels (qui fonctionnent comme des comparateurs).

Comparateur verrouillé dédié dynamique

Pour le décomposer davantage, examinons un exemple simple pour aider à cerner ce que signifie l'hystérésis dans les opamps.

Lorsque vous connectez un relais 12 volts à une alimentation variable et que vous augmentez lentement la tension d'alimentation d'entrée de 0 à 12, vous remarquerez qu'autour des 11 volts, le relais s'activera.

Donc, généralement, si vous réduisez cette tension, cela devrait éteindre le relais. Mais ce n'est pas le cas. Le relais ne s'éteindra que lorsque la tension descendra bien en dessous de 9 volts.

La différence entre les seuils d'activation et de désactivation du relais est ce que nous appelons un retard de tension, et ce retard de tension est ce que nous appelons l'hystérésis.

Désormais, l'hystérésis peut avoir des effets néfastes sur les circuits électroniques tels que les circuits BJT simples, et cela vous empêche de maintenir des niveaux de seuil fixes sur votre parcours. Ainsi, la plupart du temps, le niveau d'hystérésis est réduit au niveau mineur possible, pour garder le contrôle sur les valeurs de seuil du circuit.

En revanche, les circuits opamps sont efficaces pour éviter les effets d'hystérésis lors de la gestion de certaines opérations. Pour la plupart des circuits de chargeur de batterie opamp, l'absence d'hystérésis devient un inconvénient majeur.

Donc, dans des situations comme celle-ci, vous forceriez une hystérésis supplémentaire dans le circuit en installant une résistance de rétroaction sur les sorties de l'ampli op et sur l'une de ses broches d'entrée.

Ainsi, cela aiderait à inclure l'effet d'hystérésis dans votre circuit opamps.

D'autre part, la plupart des comparateurs sont livrés avec une hystérésis intégrée, et ces comparateurs ont généralement une valeur comprise entre 5 mV et 10 mV. De plus, l'hystérésis interne de ces comparateurs analogiques les aide à empêcher les oscillations de quantités minimales de rétroaction parasite.

Cependant, tout bruit externe de plus grande amplitude peut bloquer l'Hystérésis interne de ces comparateurs, même si cela suffit à stopper les auto-oscillations. Dans de telles situations, le simple fait d'inclure une hystérésis externe résoudrait le problème.

Principe de fonctionnement

Bien que l'hystérésis ne soit pas souhaitée dans certains circuits, elle est toujours utile pour les circuits analogiques car elle aide à contrôler la commutation dans les circuits à transistors. Ainsi, vous pouvez utiliser l'hystérésis dans un circuit comparateur pour définir le rapport cyclique de la forme d'onde de sortie.

Remarque :les amplificateurs opérationnels et les comparateurs sont deux composants essentiels et égaux dans ces circuits. Plus important encore, un opamp peut fonctionner comme un comparateur, mais tous les comparateurs ne peuvent pas fonctionner comme amplificateurs .

Pour cette raison, les deux termes peuvent fonctionner de manière interchangeable puisque l'hystérésis est importante pour les deux circuits. De plus, comprendre le fonctionnement de ces circuits permet de comprendre le fonctionnement de l'hystérésis dans les cours avancés.

Désormais, la comparaison de deux circuits intégrés standard avec l'ampli-op et le comparateur permet de comprendre plus facilement le fonctionnement de l'hystérésis dans certains de ces circuits et comment l'utiliser pour modifier le comportement de commutation de ces circuits à votre guise.

Comparaison des CI avec les deux composants

La première impression que vous obtenez du diagramme ci-dessus est la similitude des deux composants. Cependant, il existe des différences, comme le comparateur étant un émetteur mis à la terre alors que l'ampli-op ne l'est pas. Pour cette raison, la sortie du comparateur fonctionne bien pour la saturation. En revanche, la fabrication de l'amplificateur opérationnel fonctionne mieux pour les opérations linéaires.

Circuit intégré

Hystérésis dans un comparateur

L'hystérésis dans un circuit comparateur simple est responsable de la production d'un comportement de commutation stable. Lorsque vous ajoutez une résistance de rétroaction positive, cela crée une hystérésis dans le cours, qui définit le seuil de commutation chaque fois que le signal d'entrée augmente ou diminue.

Voici la partie délicate.

Le bruit parasite sur le signal d'entrée peut affecter l'ensemble du processus. Ainsi, produire plusieurs transitions à mesure que le signal d'entrée augmente. Ainsi, l'ajout d'hystérésis au circuit comparateur compense toute erreur de commutation causée par le bruit.

Hystérésis dans un amplificateur opérationnel

L'hystérésis dans un amplificateur opérationnel est similaire à la façon dont la rétroaction positive crée une tension d'hystérésis dans un comparateur (et non des tensions négatives). Ainsi, cela permet à l'ampli-op de former un circuit de déclenchement de Schmitt.

C'est là que les choses deviennent intéressantes.

Lorsque vous pilotez un amplificateur opérationnel en tant que circuit en boucle fermée jusqu'à saturation (avec hystérésis), la sortie saturera et vous donnera les mêmes résultats que vous obtiendriez d'un comparateur. Cela fonctionne pour l'entrée inverseuse et l'entrée non inverseuse.

Comparateur sans Hystérésis

Comparateur sans Hystérésis

Source :Pxici

Voici un circuit comparateur standard sans hystérésis. Pour ce circuit, le réseau diviseur de tension, Rx et Ry, crée la tension de seuil minimale utilisée par le cours. Ainsi, le comparateur évalue et compare la plage de tension d'entrée (Vin) à la tension de seuil fixe (Vth) pour trouver la relation entre la tension.

Maintenant, la connexion de la tension d'alimentation d'entrée (que vous souhaitez comparer) à l'entrée inverseuse du circuit crée une sortie avec une polarité inversée.

Ainsi, chaque fois que la différence de tension du courant de polarisation d'entrée est plus importante que le seuil, la sortie se rapprocherait de l'alimentation négative. De même, la sortie du comparateur se rapprocherait des rails d'alimentation positifs si le point est supérieur à la tension de référence d'entrée.

Bien que cette technique ait ses avantages, comme décider si un signal est au-dessus d'un seuil défini, elle présente un problème. Le bruit sur le signal d'entrée peut créer plusieurs transitions au-dessus et au-dessous du point fixe, ce qui déclenche des résultats fluctuants.

La sortie d'un comparateur sans hystérésis

Vous pouvez voir les multiples transitions dans le diagramme ci-dessus. Imaginez le signal d'entrée comme un paramètre de température, et la sortie était une application de température critique pour rendre les choses plus transparentes. Maintenant, le signal de sortie incohérent peut ne pas vous donner les résultats souhaités.

Ou imaginez que vous ayez besoin de la sortie d'un comparateur pour faire fonctionner un moteur ou une vanne. Le signal fluctuant allumerait / éteindrait la vanne plusieurs fois dans des situations de seuil critique.

Heureusement, c'est un problème que l'hystérésis résout car il contrecarre complètement le signal tremblant lors de la commutation des seuils et offre une sorte d'immunité au bruit.

Comparateur avec Hystérésis

Circuits comparateurs avec Hystérésis

Maintenant, voici un schéma du circuit comparateur avec hystérésis. Ici, la résistance RH se concentre sur le niveau de seuil de l'hystérésis. Ainsi, chaque fois que la tension de sortie devient logique élevée (5V), le RH serait parallèle à Rx. Ainsi, permettant à un courant continu supplémentaire de circuler dans Ry et augmentant la limite de seuil (VH) à 2,7 V. De plus, la réponse de sortie ne passera pas à la logique basse si le courant d'entrée n'est pas supérieur à la tension de seuil (2,7 v).

Cependant, lorsque la sortie est au niveau logique bas, Rh devient parallèle à Ry. Ainsi, en réduisant le courant circulant dans Ry et en abaissant la tension de seuil t0 2,3v. Maintenant, pour revenir au niveau logique haut (5 V), le signal d'entrée doit être inférieur à 2,3 v.

Conception du comparateur d'hystérésis

Donc, pour décomposer la conception du comparateur d'hystérésis, nous allons examiner les schémas, les composants et la conception.

Schémas

Jetez un œil au schéma ci-dessous :

Schémas du circuit du comparateur d'hystérésis

Composants électroniques requis

• (1) Carte de circuit imprimé (PCB)
• Comparateur (ici, vous pouvez utiliser n'importe quel comparateur. Par exemple, nous avons utilisé un TLV3201 pour les applications à faible puissance. Ce comparateur a un faible courant de repos)
• résistances à film métallique standard (0,1 %)

Exigences de conception

• Tension d'alimentation +5 V
• Entrée 0v à 5v

Conception du comparateur à hystérésis

Formules de conception de comparateur d'hystérésis

Pour les conceptions, nous pouvons utiliser les équations (1) et (2) pour sélectionner les valeurs de résistance pour créer vos tensions de seuil d'hystérésis (c'est-à-dire VH et VL). De plus, vous devrez choisir un RX avec une seule valeur.

Nous avons déterminé que notre RX aurait une cote de 100k. Nous avons choisi cette note afin que RX fonctionne pour minimiser la consommation actuelle. D'autre part, nous avons implémenté Rh avec une valeur de 576k. Ainsi, nous avons confirmé les équations (1) et (2) en annexe A :Rh/Rx =VL/VH – VL.

Derniers mots

Les comparateurs sont utiles lorsqu'il s'agit de différencier deux niveaux de signal. Par exemple, vous pouvez utiliser un comparateur pour faire la distinction entre les conditions normales et les conditions de surchauffe.

De plus, la variation du bruit ou du signal au seuil de comparaison entraîne de multiples transitions. Ainsi, l'avantage de l'hystérésis dans un circuit comparateur est qu'elle fixe un point inférieur et supérieur pour résoudre le problème des nombreuses transitions.

Eh bien, cela conclut cet article; si vous avez des questions, n'hésitez pas à nous contacter.