Однопороговый компаратор

Аналоговые компараторы

Компаратор – это устройство для сравнения двух сигналов. Если в процессе изменения входных сигналов один превышает другой, то компаратор изменяет свое состояние на противоположное. Чаще всего из двух входных сигналов один имеет фиксированное значение, это опорный сигнал – U_оп, который определяет уровень срабатывания компаратора. Другой входной сигнал U_вх может непрерывно меняться. Выходной сигнал компаратора U_вых может принимать значение логического нуля или логической единицы в зависимости от того, меньше или больше U_вх относительно U_оп. При этом компаратор может перестраиваться в процессе работы на различные уровни срабатывания путем изменения опорного напряжения U_оп. Таким образом, аналоговый компаратор преобразует непрерывный входной сигнал в дискретный (цифровой).

Области применения компараторов:

1) Для дискретизации уровня входного сигнала в АЦП.

2) В позиционных регуляторах и сигнальных устройствах технологических параметров.

3) Для сортировки деталей на 2 или 3 группы ("норма", "меньше", "больше").

4) Системы импульсно фазового управления (СИФУ).

5) В преобразователях напряжение - частота.

Существуют три разновидности аналоговых компараторов:

1) однопороговые

2) регенеративные

3) двухпороговые

Аналоговые компараторы выполняются в виде типовой ИС, имеющей повышенное быстродействие (К597СА1), а также могут выполняться на основе усилителя с навесными элементами.

Однопороговый компаратор

Схема однопорогового компаратора:

Назначение элементов в схеме:

R1, R2 – резисторы для выравнивания входных токов ОУ (при отсутствии или равенстве входных сигналов) и уменьшения погрешности компаратора за счет уменьшения напряжения смещения U_см

При исполнении ОУ на ПТ резисторы R1 и R2 отсутствуют

R3 – потенциометр для установки опорного напряжения U_оп, а в конечном итоге, для перестройки компаратора на различные уровни срабатывания

R4 – задает рабочий ток стабилитрона VD2

R5 – обеспечивает согласование компаратора по сопротивлению с ЛЭ ТТЛ (R5 = 390÷560 Ом) или ЛЭ КМОП (R5 = 10÷20 кОм)

DA1 – повышает чувствительность компаратора и обеспечивает функцию переключения выходного напряжения при сравнении входных сигналов

VD1 – исключает отрицательное напряжение на выхо­де компаратора

VD2 – нормирует уровень напряжения на выходе компаратора. В данной схеме U_вых = U_ст. Если компаратор исполняется на ЛЭ КМОП, то VD2 может отсутствовать.

Статическая характеристика:

U_вых = f (U_вх)

Принцип действия:

1) Когда входной сигнал находится в диапазоне 0≤U_вх<U_оп ОУ переключается на максимальное положительное напряжение U_ОУ = +U_{ОУ макс}. Диод VD1 открывается и на выходе компаратора формируется сигнал логической единицы: U_вых = U¹_вых = U_ст.

При использовании на выходе ЛЭ КМОП U¹_вых≈ + U_{ОУ макс} (т.к. VD2 и R4 отсутствуют).

2) Когда U_вх≥U_оп меняется знак разности на входах ОУ и ОУ переключается в другое крайнее состояние: U_ОУ = -U_{ОУ макс}. Диод VD1 закрывается и на выходе компаратора формируется сигнал логического единицы: U_вых = U⁰_вых ≈0.

Точность компаратора:

Точность срабатывания компаратора определяется напряжением смещением нуля ОУ, а так же температурным и временным дрейфом этого напряжения: U_см, ∆U^Т_см, ∆U^t_см. На точность компаратора также влияет коэффициент усиления ОУ k_о.

Точность компаратора нормируется параметром «порог чувствительности» U₀, который показывает на сколько отличается фактическое напряжение переключения U_п от заданного U_оп.

U₀ = |U_оп - U_п|

U₀ = U_см + ∆U^Т_см + ∆U^t_см + U_{ОУ макс} / k_о

Влияние первой составляющей U_см можно компенсировать настройкой ОУ. Составляющую ∆U^Т_см можно уменьшить введением терморезисторов, установленных в соответствующем месте схемы, а также путем термостатирования ОУ. Влияние четвертой составляющей можно уменьшить выбором большего значения k_о (от 500 000). Влияние составляющей ∆U^t_см компенсировать невозможно, т.к. она имеет случайный характер.

Быстродействие компаратора:

Быстродействие компаратора характеризуется временем восстановления t_в. Время восстановления – это часть переходного процесса, при котором выходной сигнал U_вых(t) достигает величины, соответствующей порогу срабатывания ЛЭ ТТЛ (U_ср ≈1,5 В). При этом на вход компаратора подается нормированный перепад напряжения ∆U_вх = 0,05 В.

Практически на t_в основное влияние оказывает частота единичного усиления f₁ ОУ, а также емкость нагрузки С_н.

В специализированных компараторах на ИС время восстановления t_в очень мало. Для К597СА1 t_в ≤10 мс.

Однако использование ОУ с навесными элементами вместо интегральных компараторов оказывается предпочтительным, когда тре­буется высокая точность сравнения сигналов (десятки микровольт), малое потребление мощности и широкие функциональные возможности схемы.