Аналоговые компараторы напряжений

Лекция 9. Аналоговые компараторы напряжений

Устройство и принцип действия. Компараторами напряжений называют интег­ральные микросхемы, предназначенные для сравнения двух напряжений и выдачи результата сравнения в логической форме: больше или меньше. По сути дела, компаратор напряжения чувствителен к полярности напряжения, приложенного между его сигнальными входами. Напряжение на выходе будет иметь высокий уровень ?/1вых всякий раз, когда разность напряжений между неинвертирующим и

Рис. 8 7. Схема интегратора тока (а) и интегратора напряжения (б) на дифференциальном ОУ

Аналогично, можно записать для интегра­тора напряжения (рис. 8.7 б) значение выходно­го напряжения, если учесть, что i^=U,JR,

Рис. 8.8. Схема логарифматора тока на дифференциальном ОУ

Кроме линейных элементов в цепи обратной связи ОУ могут быть включены различные не­линейные элементы: диоды, стабилитроны, транзисторы и др. Так, например, в схеме лога­рифматора тока (рис. 8.8) в цепи отрицательной обратной связи включен диод D. Для этой схе­мы можно записать уравнения: <вх=-<д, u^=iiy. Учитывая связь между током и напряжением на диоде {ц^!^""'^ получим значение выходного напряжения

Рекомендуемые материалы

Лекция 9. Аналоговые компараторы напряжений

Устройство и принцип действия. Компараторами напряжений называют интег­ральные микросхемы, предназначенные для сравнения двух напряжений и выдачи результата сравнения в логической форме: больше или меньше. По сути дела, компаратор напряжения чувствителен к полярности напряжения, приложенного между его сигнальными входами. Напряжение на выходе будет иметь высокий уровень ?/1вых всякий раз, когда разность напряжений между неинвертирующим и

инвертирующим сигнальными входами положительна и, наоборот, когда разно­стное напряжение отрицательно, то выходное напряжение компаратора соответ­ствует логическому нулю С/цых- Это правило записывают следующими образом:

Графическая зависимость выходного напряжения от разности входных напря­жений приведена на рис. 9.1 а, а условное схематическое обозначение компарато­ра приведено на рис. 9.1 б. Как видно из обозначения, компаратор напряжения помимо основных сигнальных входов может иметь служебные входы различного назначения, стробирования, балансировки, согласования уровней и др.

Упрощенная структурная схема компаратора напряжения приведена на рис. 9.2. Она состоит из входного дифференциального каскада ДК, устройства смещения уровней и выходной логики. Входной дифференциальный каскад фор­мирует и обеспечивает основное усиление разностного сигнала. Помимо этого, он позволяет осуществлять балансировку выхода при помощи внешнего подстроеч-ного резистора и позволяет скорректировать напряжение смещения нулевого уровня в пределах до 1 ..2мВ, возникающее в дифференциальном каскаде. С помощью балансировки можно также установить предпочтительное начальное состояние выхода.

Входы стробирования предназначены для фиксации момента времени, когда производится сравнение входных сигналов и выдача результата сравнения на выход. Для этого на вход стробирования подается импульсный сигнал разреше­ния сравнения. Результаты сравнения могут появляться на выходе компаратора только во время строба или могут фиксироваться в элементах памяти компарато­ра до прихода очередного импульса строба Таким образом, стробируемые компа­раторы могут быть без памяти и с памятью. Кроме этого, стробирование может выполняться по уровню импульса или по его фронту (перепаду уровней). Для указания стробирования по фронту на входе стробирования изображается направ­ление перепада от низкого уровня к высокому -/^г- или, наоборот, от высокого уровня к низкому ~- . Пример такого обозначения стробирования приведен на рис. 9.1 в.

Рис 9.1. Передаточная характеристика (а) и условное изображение стробируемых компараторов со стробированием по уровню (б) и по фронту (в)

Рис 9 2 Упрощенная структурная схема компаратора

Поскольку импульс строба приходит одновременно с изме­няющимся входным сигналом, то минимальная длительность стро­ба (или его фронта) должна быть такой, чтобы входной сигнал ус­пел пройти через дифференциаль­ный каскад, прежде чем сработа­ет ячейка памяти Это время называют обычно временем раз­решения выборки. Применение стробирования повышает поме­хозащищенность   компаратора, так как помеха может изменить состояние выхода только в узкое время разрешения выборки.

Цепь смещения, подключае­мая к дифференциальному каска­ду, обеспечивает получение опти­мальных уровней токов в элемен­тах дифференциального каскада и

исключает его насыщение при большом уровне входных сигналов Кроме этого, устройство смещения устанавливает также соответствующие уровни напряжения и тока в выходном логическом каскаде. Благодаря этому обеспечивается работа ком­паратора с определенным типом логики — ТТЛ, ЭСЛ или КМОП (см. Лекцию 12).

Характеристики аналоговых компараторов. Аналоговые компараторы описы­ваются набором параметров, которые нужно учитывать при их использовании Основные параметры можно разделить на статические и динамические К стати­ческим параметрам относятся такие, которые определяют его состояние в устано­вившемся режиме

• пороговая чувствительность — минимальный разностный сигнал, который можно обнаружить компаратором и зафиксировать на выходе как логиче­ский сигнал,

• напряжение смещения е^ — определяет смещение передаточной характерис­тики компаратора относительно идеального положения (см. рис. 9.1 о) (для коррекции этого смещения используют балансировку),

• входные токи /^ и /щ,— токи, протекающие через входные выводы компаратора,

• разность входных токов А/,х=/ю-/,х — ток, протекающий через закорочен-ные входы;

• напряжение гистерезиса £/r — разность входных напряжений, вызывающих срабатывание компаратора при увеличении или уменьшении входного на­пряжения,

• коэффициент ослабления синфазного сигнала A„cc — отношение синфазного сигнала С/сии к дифференциальному сигналу ДС/их; вызывающему срабатыва­ние компаратора Kocc⁼20lg(Ucиs/^U^),

 • входное сопротивление —     полное

входное сопротивление для      малого разностного сигнала,

• выходные логические уровни — зна­чение напряжения <7„,ix и <7^,х>

• выходной ток /,ых — ток, отдаваемый компаратором в нагрузку.

Некоторые из перечисленных стати­ческих параметров компаратора влияют на его суммарную погрешность. К таким па­раметрам относятся: напряжение смещения е„, нулевого уровня и его температурный коэффициент de^/dT, входные токи /вх и их разность Д/вх, а также напряжение гис­терезиса С/,.

Рис. 9.3. Передаточная характеристика компаратора без гистерезиса (а) и с гистерезисом (б)

I истерезис компаратора проявляется в том, что переход из состояния <7вых в состояние (/вых происходит при входном напряжении Д<7,х|, а возвращение из C/^ix в ^юх — при напряжении Д<7вх2. Раз­ность A<7^,xl^-A^/вx2^:= U, называется напряжением гистерезиса. Напряжение гистере­зиса входит в полную погрешность компаратора, если At/,» изменяет знак. Нали­чие гистерезиса связано с использованием в компараторе положительной обрат­ной связи, которая позволяет устранить дребезг <7,ых при AU^=0. Наличие гистерезиса приводит к появлению зоны неопределенности, внутри которой невозможно установить значение AU^.

Основным динамическим параметром компаратора, определяющим его быст­родействие, является время задержки распространения скачкообразного входного сигнала. Иногда это время называют временем переключения компаратора. Это время отсчитывают от момента подачи входного сигнала Д^7„х до момента, когда выходной сигнал достигнет уровней t/вых или t/^ix- Время задержки распростране­ния существенно зависит от уровня входного дифференциального сигнала Д^/вд. При увеличении напряжения Д^/вх время задержки распространения уменьшается. На рис. 9.4 а показаны переходные характеристики компаратора при различных значениях уровня входного сигнала Д{/„=2. .20мВ. Из приведенного графика следует, что при изменении входного напряжения на порядок время задержки из­меняется примерно в 2,5 раза. График зависимости времени задержки распростра­нения от уровня входного сигнала приведен на рис. 9.4 б.

В дополнение к перечисленным выше стробируемые компараторы характери­зуются дополнительными параметрами, обусловленными использованием импуль­са строба временем разрешения выборки и максимальной частотой стробирова-ния Качество стробируемых компараторов тем выше, чем меньше время разреше­ния выборки и чем больше допустимая частота стробирования.

Классификация компараторов. Интегральные микросхемы компараторов можно разделить по совокупности параметров на три группы:

• общего применения (/здр < 300 нс, Ау<100дБ);

• быстродействующие (1,цр <30нс);

Рис. 9.4. Переходные характеристики компаратора напряжения (а) и зависимость времени задержки распространения от уровня входного сигнала (б)

• прецизионные (.Ку>100дБ, е„,<ЗмВ, A^x'^lOnA).

Кроме того, компараторы можно разделить на стробируемые и нестробируе-мые, а также с памятью и без памяти.

В табл. 9.1 приведены основные параметры двух быстродействующих компа­раторов со стробированием. Оба компаратора содержат по три дифференциаль­ных каскада, что обеспечивает достаточно высокую пороговую чувствительность.

Кроме того, они обладают повышенным быстродействием в режиме непрерывно­го стробирования

Компараторы общего применения имеют более скромные характеристики по сравнению с приведенными в табл 9 1 Однако эти компараторы имеют свои пре­имущества — они потребляют меньшую мощность, могут работать при низком напряжении питания и в одном корпусе располагается до четырех компараторов Так, например, счетверенные компараторы среднего быстродействия и небольшо­го тока потребления типов К1401СА1 и К1401СА2 имеют время задержки распро­странения меньше Змкс, ток потребления 2мА, коэффициент усиления 90 дБ и напряжение смещения нулевого уровня меньше 5мВ

Многие компараторы общего применения имеют на выходе транзистор с от­крытым коллектором, что позволяет подключать нагрузку этого транзистора к внешнему источнику питания, напряжение которого выбирается в зависимости от типа используемой логики Схема включения внешней нагрузки к выходу компа­ратора приведена на рис 9 5 а Значение сопротивления нагрузочного резистора выбирают в пределах 100 10000м Меньшие сопротивления обеспечивает более высокую скорость переключения

Прецизионные компараторы отличаются от компараторов общего примене­ния рядом улучшенных характеристик Они имеют повышенный коэффициент усиления, меньшее пороговое напряжение переключения, пониженное напряжение смещения нулевого уровня и малый входной ток Быстродействие этих компара-,'  торов обычно не очень высокое, время переключения обычно меньше 300нс В качестве примера в табл 9 2 приведены характеристики некоторых типов преци­зионных компараторов Наиболее высокие параметры имеет компаратор СМР-02 фирмы Precision Monolithics Отечественный компаратор К554САЗ немного усту­пает ему по пороговой чувствительности и напряжению смещения нуля Быстро­действие этих компараторов практически одинаково

Применение аналоговых компараторов напряжения. Основные особенности аналоговых компараторов связаны с отсутствием в них частотной коррекции и

Рис 9 5 Подключение нагрузки в компараторах с открытым коллекторным выходом (а) и схема диодной защиты компараторов напряжения (б)

большим коэффициентом усиления. В отличие от операционных усилителей, в компараторах практически никогда не применяют отрицательную обратную связь, так как она понижает стабильность их работы. Специализированные ком­параторы напряжений имеют малые задержки, высокую скорость переключения, устойчивы к большим переключающим сигналам.

Для устранения многократных переключении в момент сравнения сигналов в компараторах часто используют положительную обратную связь. Положительная обратная связь обеспечивает надежное переключение компаратора и устраняет дребезг выходного напряжения в момент сравнения. Однако при введении поло­жительной обратной связи создается зона неопределенности, обусловленная гисте­резисом. Если сигнал на входе компаратора изменяется монотонно, то наличие гистерезиса не отражается на погрешности компарирования.

Напряжения на входах компаратора из-за отсутствия отрицательной обрат­ной связи могут существенно отличаться. Поэтому для ограничения входного на­пряжения на входе компаратора часто устанавливают двухсторонний диодный ограничитель, схема которого приведена на рис 9.5 б.

Быстродействие компаратора существенно зависит от уровня входного диф­ференциального сигнала. С увеличением входного сигнала до определенного зна­чения время переключения уменьшается. Однако дальнейшее увеличение входного сигнала может привести к насыщению компаратора и снижению его быстродей­ствия. В связи с этим в схеме двухстороннего ограничителя, приведенного на рис. 9.5 б, рекомендуется использовать диоды Шотки с малым падением напряже­ния. Рекомендуемое значение входного напряжения указывается в справочных данных на компаратор и обычно лежит в пределах 20. .ЮОмВ.

Отказ от отрицательной обратной связи приводит к еще одной особенности применения компараторов напряжения — снижению их входного сопротивления и увеличению входного тока. При увеличении входного напряжения свыше поро­гового значения у компараторов может резко увеличиться входной ток и пони­зиться входное сопротивление. Происходит это по двум причинам: резкое увели­чение тока базы транзисторов дифференциального каскада и включение диодов защиты.

Основное применение компараторы напря­жения находят в устройствах сопряжения циф­ровых и аналоговых сигналов. Простейшим примером такого применения является аналого-цифровой   преобразователь   параллельного типа, приведенный на рис. 9.6. В нем использо­ваны четыре компаратора К1...К4 и резистив-ный делитель опорного напряжения С/о„. При одинаковых значениях сопротивлений в резис-тивном делителе на инвертирующие входы компараторов подано напряжение nUon/4, где п — порядковый номер компаратора. На неин­вертирующие входы компаратора подано на­пряжение <7,х. В результате сравнения входного напряжения с опорными напряжениями на ин­вертирующих входах компараторов на выходах компараторов образуется унитарный цифровой код входного напряжения. При помощи цифро­вого преобразователя кода этот код можно преобразовать в двоичный.

Рис. 9.6. Простейший аналого-цифровой преобразователь на компараторах напряжения

Различные варианты подключения анало­говых компараторов напряжения к цифровым логическим микросхемам серии ТТЛ приведены на рис. 9.7. В первой схеме (рис. 9.7 а) выход компаратора непос­редственно соединен с входом цифровой микросхемы ТТЛ. Такую схему можно использовать при открытом коллекторном выходе в компараторе К.

Люди также интересуются этой лекцией: 1 Правовое регулирование экономических отношений.

гис. у./, схемы подключения компараторов напряжения к цифровым микросхемам: с открытым коллектором (а), с коммутирующим транзистором (б), с токоограничивающим резистором (в), с фиксирующим диодом (г)

Во второй схеме (рис 976) компаратор К управляет коммутирующим тран­зистором Т, который в свою очередь управляет цифровой микросхемой ТТЛ Диод D в базе транзистора Т выполняет защиту базы транзистора от пробоя отрицательным выходным напряжением компаратора.

Третья схема (рис. 97 в) показывает подключение цифровой микросхемы к компаратору К через токоограничивающий резистор -Ко Такую схему лучше при­менять с цифровыми микросхемами серии КМОП

И, наконец, в четвертой схеме (рис 9 7 г) кроме токоограничивающего резис­тора Ro имеется фиксирующий диод D, который отпирается, если напряжение на входе цифровой микросхемы поднимается выше 5В

Для компарирования аналоговых сигналов можно применять операционные усилители В этом случае для ограничения выходного напряжения в цепь отрица­тельной обратной связи ОУ включают стабилитрон с напряжением включения, зависящим от типа цифрового логического элемента Основными недостатками компараторов на ОУ являются невысокое быстродействие и большое число вне­шних дискретных элементов Время переключения таких компараторов обычно имеет значение 0,5 1,0мкс Для устранения паразитной генерации используется внешняя положительная обратная связь, при помощи которой формируется зона гистерезиса