Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы (1988) (1095417), страница 84
Текст из файла (страница 84)
6. Лпа!узы апд (гезгяп о1 Агга(оя 1п(еяга1сд С!гснИБ 11,(еу ! 984. 6гебеле й. В. Апа(о9 !п1ебга(ед Огспй Вез(цп, Уап МоМшпд Ее(пЬо(г(, 1972, (Имеется перевод Гребеи А. Б. Проектирование аналоговых интегральных схем. — Мл Энергия, 1976.) Ват!Вол О. 7., 7(оиагд цг. 6. Ваз(с 1п(едга1ед С(гсиИ Епд(пеег!пб, МсСгавь НШ, 1975, йобеуе Л К. Орега1!опа! Лтр! И(егз, 11'Иеу, 1975, Вгдга А. В„ЕтгуИ К. С М(сгое(ее!гоп(с С!гспИз„Но!1, (1!псЬаг! апд ьу(пз!оп, 1982.
Бейл ь.,/„уг, Где1д-ГНес( ТгапзЬИоггь МсОгац-НИ1, 1965. 9гайтаг/г 7, Г., уоИлюл 7(. Р(е!д-ЕИес( Тгапз(з(огз, Ргеп!(се.НаЬ, !965, 1-лава 7. Компараторы напряжения Компаратор — это схема (рис. 7.!), предназначенная для сравнения двух входных напряжений У! и У» и выработки выходного напряжения 1'о —— - Уц, если У, ~ 1'„и Уо = 1'с, если У, ( У„где Уц н Уь — два фиксированных уровня напряжения, На рис. 7.2 показана передаточная характеристика компаратора (зависимость Уо от У, = 1', — 1',), В зависимости от типа компаратора и уровней напряжения питания Уц и У„могут быть либо противоположной полярности (Уц положительно, а отрицательно), либо одной полярности (оба напряжения либо положительны, либо отрицательны). Коэффициент усиления компаратора без обратной связи обычно очень велик, хотя и меньше, чем у ОУ.
Типичное значение коэффициента усиленпч на низких частотах лежит в диапазоне от 3000 до 100 000. Изменение входного напряжения, необходимое для переключения компаратора из одного состояния в другое, очень мало, как правило, от 0,1 до 3 мВ. Вследствие малого входного напряжения переключения выходное напряжение компаратора почти все время соответствует уровню насьпцения — либо Уь, либо Уц, Компаратор можно предсзапнть как одноразрядный аналогоцифровой преобразователь (АЦП), вырабатывающий на выходе уровень логической «1» (т.
е. Уо — — Уц), если аналоговое входное напряжение У, выше уровня опорного напряжения Упер = У«. Логический «О» (т, е. Уо Уь) появляется на выходе тогда, когда уровень входного напряжении становится ниже опорного напряжения, Во многих отношениях компаратор практически аналогичен ОУ, причем любой ОУ можно использова~ь в качестве компаратора, Однако компаратор предназначен для работы без обратной ~~язи, т. е. в клочевом режиме, в то время как ОУ почти всегда используется в режиме с обратной связью и выполняет функции линейного усилителя.
Поскольку Оу предназначен для работы с обратной связью, пр роектирова! и его частотная характер .Тика выб рается чтобы обеспечить определенный запас устойчивости усилителя в режиме с обратной связью и предотвратить возникнове- 480 ние автоколебаннй. Это неизбежно приводит к сокращению ши.
рины полосы пропускаиия и уменьшению скорости нарастания выходного напряжения, а также к увеличению времени устав пения. В компаоаторе никаких ограничений на частотную харак ристпку не накладывается, поскольку ои работает без обратной связи, что позволяет обеспечить его очень большое быстродей.
стане. мт ч Рнс. 7.1. Компаратор напряткепня, тт, ОУ вырабатывает нулевое выходное напряжение, когда диф. ференциальная составляющая входного сигнала равна нулю, Компаратор работает так, что его выходное напряжение пронимает всего два фиксированных значения, поэтому при нулевом напряжении на входе выходное напряжение равно либо 1/„т, либо $'к в зависимости от полярности напряжения смещения.
о гт1- чт1 — и Рнс. 7,2, Персаатояная караюернстнка компаратора. Выходное напряжение ОУ' имеет уровни насыщения, пример"о на ! — 2 В отличающееся от уровней напряжения питания. Ком паратор часто разрабатывается так, чтобы высокий и низкий уровни выходного напряжения были совместямы для работы с друш«"' компонентами, например со схемами цифровой логики. Компараторы имеют широкую область прпменепия, генера торь> импульсов, генераторы меандров и колебаняй треугольно ьной формы, широтно-импульсные модуляторы, детекторы уровня> 481 Кампарагпары напряясания е„торы прохождения нуля, схемы восстановления импульсов, д немники с линии, ограничители, генераторы, управляемые напряжением, АЦП, формирователи временной задержки, у,1.
Характеристики компаратора Наиболее важной хаРактеРистикой компаРатоРа Явлиетса время срабатывания или время задержки распространения сигЯхаднав ггеыаднае раррааеанра 1ООЧ напря,жение гггэрепи!ВОК! ) !гггроате !веяг Ри с. 7.3, Время срабатывания компаратора: а — форма входного и выходного напряя:еиггй; б — схема дяя намеренна времени срабатывания. нала. Это время между момеггтом переключения входного напряжения и моментом, когда выходное напряжение достигнет определенного уровня (рис.
7.3), Обычно используют уровень 50 а/е, а иногда уровень 90 а4. Для измерения времени срабатывания неггнвеРтиРУюгпий вхоД заземлЯют (т. е. Рнер —— -- О). На инвеРтрРуюпгий вход подают входной сигнал, который изменяется от некоторого уровня, например +!00 вгВ или — !00 мВ, до уровня нюг пряжения протявоположной полярности с максимально крутым нап я м Фронтом, уровень этого напряжения называется входным прижепием переключения или чувствительностью компаратор" характерными значениями являются 2, 5, !О, 20 и 100 мВ.
1 !а 1б сонаоф с. 482 Глава 7 Времена срабатывания компараторов обычно составляю от 1 мкс до 10 нс. Коэффициент усиления компараторов без об. ратной связи может быть от 3000 до 100 000, так что размах вход ного напряжения, необходямый, чтобы вызвать па выходе перехо нз одного в другое состояние насыщения, должен составить от 0 ! до 3 мВ. Напряжение смещения Уоз является еще одной важной ха. рактеристикои компаратора, поскольку оно приводит к сдвигу точки переключения во входном напряжении от Уявг к У + 1'оз. Напряжение смещения компараторов, как правило, со ставляет от 1 до !О мВ. 7.2. Компараторы с положительной обратной связью Поскольку компараторы используются не как линейные уси лители, а как ключевые устройства, в иих может успешно применяться положительная обратная связь, чтобы увеличить коэффи цнент усиления и получить некоторый гистерезис в переходной характеристике 1'о (У,).
Увеличение коэффициента усиления приводит к тому, что амплитуда входного напряжения, необходимого для переключения компаратора, сокращается до очень малой величины. Схема компаратора с положительной обратной связью приве. дена на рис. 7.4, а, а на рис. 7 4, б показана его передаточная характеристика, Уровень входного напряжения, при котором проясходит переключение уровня выходного напряжения из низкого в высокий, определяется выражением Ув(ь-и) = (Уявгй~ + Уь)1«И)('1 + Йа)~ (7.1) а формула для входного напряжения, необходимого для переключения из высокого уровня в низкий, записывается в виде Ув~я-ю (Увв Й1+ Унвсз)'(Йк+)с«) (7.2) Ширина петли гистерезиса Ув задается выражением Ум (Ун Уь) Р«,Р, + )7 ), (7.3) В ряде случаев наличие петли гистерезиса необходимо для исключения неопределенности момента переключения компара.
тора, т. е. предотвращения «дребезга» (рпс. 7.4, а). На рис. 7 4 а показана характеристика переключения при наличии петли ги стерезиса. Если ширина петли гистерезиса Ум превышает пико вые флуктуации входного напряжения, то момент переключения компаратора будет строго определенный, без «дребезгав, показан ного на рис.
7.4, а. Использование положительной обратной связи для получе ния петли гистерезнса и увеличения коэффициента усиления с об КОМЛПРПЛГОРЬГ НаЛРЯжЕНПЯ ча ГГГ Ч, и. НГ Ч, ГН Ц ч„- чв чн чв и,—— ВГГ н ГГ Гтревгр-- ч,1 ч,Гнц Ч, Гьн~ рРеегя— г Рис, у,. 7.4.
Компаратор с положительной обратной снГГэьго; а — схема; б — и рехаточнав характеристика; в — характеристика переклвочения компараторн о~сутствии гистерезнса (без положительной обратной связи); г — характа р "овика переклиоченин компаратора с петлей гистерезпса (положительная оГ- ратная связь). ~)в )бв 484 Глава 7 ратной связью особенно полезно, когда изменение входного н„ пряження происходит очень медленно вблизи уровня опорно„о напряжения. Если компаратор является частью большой систем,„ управления с обратной связью, то при отсутствии петли гистере зиса могут возникать еще и осложнения, связанные с колебате;и,.
ным характером выходного напряжения. Для иллюстрации рассмотрим простой пример. Пусть компара. тор является частью термостатической системы управления, Выход компаратора используется для управления нагреватель. ным элементом, а входное напряжение пропорционально температуре.
Пусть первоначально температура ниже требуемой, в этом случае входное напряжение комваратора меньше опорного и на его выходе будет высокий уровень сигнала, который обеспечивает вкл1оченне нагревательного элемента. Рост температуры приведет к соответствующему увеличению входного напряжения компаратора. Г!ри отсутствии петли гнстерезиса через некоторое время входное напряжение превысит опорное напряжение, при этом выход компаратора переключится в состояние с низким уровнем сигнала и нагревательный элемент выключится, После некоторого уменьшения температуры нагревательный элемент опять включится и т. д. Следовательно, будут происходить кратковременные циклы включения — выключения, которые будут продолжаться неограниченно долго с достаточно большой частотой, так как для переключения компаратора достаточно незначительных флукзуацнй температуры относительно устанавливаемого значения.
Такие частые циклы включения — выключения, как правило, очень нежелательны, н существенного их сокращения можно добиться путем введения в передаточную характеристику петли гистерезиса необходимой ширины, 7.3. Схемотехника компаратора Внутренняя схемотехника компараторов во многом схожа со схемотехникой ОУ, особенно в построении входного каскада дифференциального усилителя. Наибольшие различия проявляются в выходных каскадах.
В качестве примера рассмотрим ИС ЕМ139, 1М239 и ЕМ339 (фирма Жа)гопа1 Капнтопг)нс1ог). Это счетверенные компараторы, которые содержат четыре электрически независимых компаратора на одной подложке (в корпусе типа ИР или в планарном корпусе). Схема компаратора представлена на рис. 7.5. Отметим, что входной каскад практически аналогичен входному каскаду ОУ 1М124, ЕМ224, 1.М324 1см. рис. 36.2). Так же как н эти ОУ компаратор может работать от одиночного источника питания положительной полярности, в то же время он может работать н 488 Колллараллоры напрплкениа военного источника питания; напряжение питания от 2,3 35 В (или ~ 18 В, если источник питания сдвоенный).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
