Компараторы напряжения

В электронике часто возникает необходимость сравнить два сигнала. Сравнению могут подлежать как аналоговые, так и цифровые сигналы. Обычно устройства сравнения сигналов называют компараторами.

С помощью компараторов фиксируют моменты равенства двух сравниваемых сигналов. Если в качестве сигналов, подлежащих сравнению, используются напряжения, то в этом случае применяют компараторы напряжений.

В общем случае, в зависимости от числа задаваемых пороговых уровней, с которыми сравнивается входное напряжение, различают однопороговые и многопороговые аналоговые компараторы.

В идеальном компараторе его выходное напряжение U_вых может принимать только два значения, одно из которых соответствует уровню логической 1, а другое – уровню логического 0. Наиболее часто в схемах компараторов в качестве их основного звена используют ОУ без цепи ООС.

Компараторы являются составной частью устройств автоматического контроля параметров изделий, аналого-цифровых преобразователей сигналов, ключевых регуляторов и стабилизаторов напряжений, широтно-импульсных модуляторов и т. п.

В качестве аналоговых компараторов могут использоваться специализированные аналоговые микросхемы. Их основу составляют ОУ, работающие в нелинейном режиме. Основные параметры некоторых из них приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Простейшие схемы компараторов могут быть реализованы на основе ОУ без отрицательной обратной связи. Рассмотрим некоторые из них.

Схема однопорогового компаратора напряжения, выполненного на основе ОУ без ООС, показана на рисунке 3.23.

Как было показано ранее, напряжение на выходе ОУ представляет собой усиленную разность напряжений, подаваемых на неинвертирующий и инвертирующий входы, то есть . Если ОУ удовлетворяет условиям идеальности, то напряжение на неинвертирующем входе (рисунок 3.23) равно нулю, а напряжение U_вх полностью приложено к инвертирующему входу (поскольку I_вх = 0). В этом случае можно записать: .

Рисунок 3.23 – Однопороговый компаратор на ОУ

Собственный коэффициент усиления напряжения ОУ K_U0 обычно очень большой (десятки ... сотни тысяч). Поэтому даже незначительное отклонение входного напряжения от нуля будет приводить к формированию на выходе компаратора напряжения, близкого по уровню к напряжению положительного или отрицательного источников питания. Например, если K_U0 = 50 000, то уже при напряжении на входе около 300 мкВ выходное напряжение будет отличаться от напряжения источника питания только лишь на величину напряжения насыщения транзисторов оконечного каскада ОУ (1 ... 1,5 В).

Таким образом, для напряжения на выходе компаратора, схема которого приведена на рисунке 3.23, можно записать

(3.36)

Поскольку в рассмотренной схеме выходное напряжение является результатом сравнения входного напряжения с напряжением, равным нулю, схема получила название «нуль-компаратор» или «нуль-индикатор».

На рисунке 3.24 показаны эпюры напряжений на входе и выходе компаратора.

Рисунок 3.24 – Осциллограммы напряжений в схеме

однопорогового компаратора

К неинвертирующему входу компаратора можно подключить источник постоянного напряжения U_оп положительной или отрицательной полярности. В этом случае входное напряжение будет сравниваться с напряжением U_оп и на выходе компаратора будет формироваться напряжение высокого уровня в соответствии с условием

(3.37)

Важным параметром компаратора является время переключения – время изменения выходного напряжения от максимального до минимального (или наоборот) уровня. В специализированных ОУ компараторов время переключения составляет t_n = 5 … 500 нс.

Одним из недостатков компаратора является ограниченный динамический диапазон входных сигналов. Для расширения динамического диапазона (для обеспечения возможности сравнивать напряжения относительно большого уровня) на входе компаратора включают диоды, шунтирующие входные цепи ОУ при перегрузке (рисунок 3.25).

Рисунок 3.25 – Схема однопорогового компаратора

с защитой от перегрузок по входу

Часто возникает необходимость определить, находится ли контролируемое напряжение U_вх внутри некоторого «коридора» между двумя уровнями U₁ и U₂. В этом случае применяют двухпороговый компаратор (рисунок 3.26, а).

На выходе двухпорогового компаратора (то есть на выходе схемы И) сигнал будет иметь уровень логической 1, если входное напряжение принимает значение в соответствии с условием U_1оп< U_вх< U_2оп. Эпюры напряжений, поясняющие работу двухпорогового компаратора, показаны на рисунке 3.26, б.