Интегральные компараторы

А). б).

Рис.11.10 а.─ переходные характеристики, б─диаграммы, поясняющие работу компаратора

Эксплуатационные параметры компараторов отличаются от параметров ОУ только названиями уровней выходного напряжения.

Быстродействующие и высокоточные компараторы выполняются на ОУ в интегральном исполнении.

Точность работы компаратора характеризуется напряжением, на которое необходимо превысить опорное напряжение, чтобы выходное напряжение достигло порога срабатывания логической схемы.

3. Разновидности компараторов. Передаточные характеристики.

Двухпороговые компараторы.

4.1. Однопороговые компараторы.

Реакция компаратора на превышение входных сигналов заданного уровня называетсяамплитудной дискриминацией или детектированием уровня.

Однопороговым компаратором сравнения называются такие схемы сравнения, для которых коэффициент усиления всегда остаётся положительным.

В компараторе (рис.11.11а) цепь ОС формирует на выходе усилителя сигнал, совместимый с входными уровнями ТТЛ-схем: напряжение порога срабатывания (переключения) U_пор = Е_оп.

Если напряжение смещения нуля скомпенсировано, то при U_вх = U_пор напряжение на выходе U_вых ≈ 0; стабилитрон и диод закрыты и, таким образом, цепь ОС разомкнута.

Если напряжение на входе изменится на несколько десятков микровольт в сторону уменьшения или увеличения, то изменение выходного сигнала будет составлять единицы вольт, благодаря большому коэффициенту усиления ОУ. Это изменение прекратится в тот момент, когда откроется диод или стабилитрон и коэффициент по цепи ОС станет равен единице.

Если U_вх станет больше U_пор , то U_вых = ─ U_д.

Если U_вх станет меньше U_пор , то U_вых = U_ст.

Недостаток однопороговых компараторов: при очень медленных изменениях или малых амплитудах выходного сигнала время переключения однопорогового компаратора зависит от скорости изменения входного сигнала, частоты единичного усиления и коэффициента усиления усилителя по напряжению.

а).б).

рис.11.11. Схема однопорогового компаратора (а) и его передаточная характеристика (б)

Для уменьшения времени сравнения таких сигналов используют схемы компараторов с положительной ОС ─ регенераторные компараторы.

4.2.Регенераторные компараторы.

Особенностью таких компараторов (рис.11.12а) является наличие гистерезиса передаточной характеристики.

Напряжение верхнего порога переключения:

Напряжение нижнего порога переключения:

Напряжение гистерезиса передаточной характеристики: .

Если напряжение на входе близко к нулю, или имеет отрицательное значение, то выходное напряжение будет положительным, а напряжение на неинвертирующем входе определяет верхний порог переключения

а).

б).

Рис.11.12..

Если напряжение на входе достигает величины U_в = U_ср,ток в цепи стабилитрона становится равным нулю, а затем меняет направление и выходное напряжение ОУ переключается. После этого на неинвертирующем входе ОУ устанавливается напряжение нижнего порога срабатывания (напряжение отпускания U_отп):

Чтобы теперь переключить компаратор в обратное состояние,входное напряжение должно измениться от U_н до U_в, то есть на величину, равную 2 U_в, которое и определяет напряжение гистерезиса.

Чтобы петля гистерезиса была симметричной относительно входного напряжения, минимальное и максимальное значения выходного напряжения должны быть равны по абсолютному значению: если по какой то причине произойдёт изменение одного из уровней, то это вызовет смещение гистерезиса и, следовательно, изменение расчётной точки компаратора, что приводит к увеличению погрешности сравнения. Для ослабления этого недостатка в современных схемах подобных компараторов вводится ключ для управления выходным напряжением (например, на полевом транзисторе).

4.3.Двухпороговые компараторы.

Компаратор, состояние выхода которого изменяется два раза при увеличении входного сигнала в некотором диапазоне, называется двухпороговым.

На рис.11.13а представлена одна из наиболее распространённых схем двухпорогового компаратора. Диодный мост включен в цепь ОС усилителя.

Изменение выходного напряжения происходит, как только входной ток I₁ превысит или станет меньше тока I₂ , отдаваемого в мост цепью смещения. При изменении выходного напряжения переключаются диоды, и изменяется значение коэффициента передачи по цепи ОС.

Точность уровней дискриминации и минимальная ширина окна ограничиваются десятками мВ из-за разброса падений напряжений на открытых диодах.

Для повышения точности сравнения можно использовать сдвоенные двухвходовые компараторы.

Напряжение верхнего порога переключения:

а).б).

Рис.11.13.

Напряжение нижнего порога переключения:

Интегральные компараторы

Интегральные компараторы отличаются от схем сравнения, выполненных на ОУ общего применения, тем, что их выходной сигнал согласован по уровню с напряжениями, которые используются в цифровой технике для отображения сигналов логических уровней – логического нуля и логической единицы. Компараторы на ОУ общего применения, имея достаточно высокую точность сравнения входных напряжений, не в состоянии обеспечить нужного быстродействия, которое, как было сказано выше, принято характеризовать «временем восстановления» (переключения, см. стр. 8: стандартная методика измерения времени восстановления (рис.11.10а)). Таким образом, время восстановления определяется как временной интервал между моментом равенства напряжений на входах компаратора и моментом, когда его выходное напряжение достигнет порогового уровня (U_пор), которое определяется уровнем срабатывания логических схем. Используя в компараторах обычные ОУ без ОС, независимо от их быстродействия, трудно получить t_вост < 1 мкс (при этом основной его составляющей будет время задержки): Нормальным режимом работы транзисторов в ОУ является активный режим. В режиме сравнения двух сигналов напряжение на входе ОУ, работающего без ОС, равно где K_u –коэффициент прямой передачи напряжения со входа на выход ОУ без ОС. В этом случае транзисторы в ОУ переходят в режим насыщения (режим перегрузки), и потребуется определённое время, чтобы избыточные заряды в базах транзисторов рассосались. Быстродействие схемы сравнения снижается. Поэтому при разработке интегральных компараторов (ИКП) применяют специальные схемотехнические решения, направленные на недопустимость перехода транзисторов в режим насыщения. Поэтому, современные компараторы выполняются по специализированным схемам в интегральном исполнении (см. стр. 14) и, в этом случае, время восстановления у них менее 100 нс.

Выводы.

1. Компараторы на ОУ общего применения используются при разработке высокоточных схем сравнения, которые работают с медленно изменяющимися сигналами.

2.Интегральные компараторы применятся в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокое быстродействие и, взависимости от конкретных требований используют высокоточные или высокоскоростные компараторы.

Контрольные вопросы к теме «Компараторы».

а

б

Рис.11.15.. Однопороговое устройство сравнения: а ─ схема компаратора на ОУ; б ─ диаграммы входных напряжений.

1.Назовите устройство сравнения, для которых коэффициент усиления всегда остаётся положительным.

2.Напишите условие срабатывания схемы сравнения. Входное сопротивление ОУ равно ∞,

3.На инвертирующем входе ОУ (рис.11.15 а) действуют напряжения U_вх1, U_вх2, U_вх3 (рис.11.15б). К неинвертирующему входу подключен источник опорного напряжения U_оп . Чему равно напряжение между входами ОУ в момент его переключения?

4.Отметьте на диаграмме входных напряжений моменты срабатывания схемы сравнения. Нарисуйтеформу выходного напряжения при указанной форме входных сигналов.

5.Какие выходные напряжения могут формироваться на выходе схемы сравнения.