СПЕЦИАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Компараторы на ОУ

Компаратор (или сравнивающее устройство) определяет, какой из двух сигналов больше, или один из сигналов достигает заданного значения.

Входные аналоговые сигналы компаратора обычно различают как анализируемый сигнал – U_вх и опорный сигнал U_оп, с которым сравнивается U_вх.

Выходной сигнал компаратора – дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации.

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей. Таким образом, компаратор – это, прежде всего, неотъемлемый элемент при решении задачи перехода от аналогового представления информации к цифровому.

Простейшая схема компаратора

Если включить операционный усилитель без обратной связи, как показано на рис 3.1, то он будет представлять собой компаратор.

Рисунок 3.1 – Простейший компаратор

Его выходное напряжение составляет

Передаточная характеристика такого компаратора изображена на рис. 3.2.

Рисунок 3.2 – Передаточная характеристика компаратора

Благодаря высокому коэффициенту усиления схема переключается при очень малой величине разности напряжений , поэтому пригодна для сравнения двух напряжений с высокой точностью.

При смене знака разности входных потенциалов выходное напряжение не может мгновенно перейти из одного уровня насыщения к другому, так как величина скорости нарастания выходного напряжения операционного усилителя ограничена. Для стандартного частотно скорректированного операционного усилителя она составляет около 1 V/μS. Переход с уровня –13 V на уровень +13 V длится, таким образом, 26 μS. Вследствие конечного времени восстановления операционного усилителя при выходе его из состояния насыщения задержка переключения компаратора еще увеличивается.

Существенно меньших значений времени задержки можно добиться, если использовать специализированные ИC компараторов. Они предназначены для работы без обратной связи и имеют особо малые значения времени восстановления. Коэффициент усиления, а, следовательно, и точность установки срабатывания этих ИС несколько меньше, чем у стандартных ОУ. Выход такого компаратора связан, как правило, со встроенным преобразователем уровня сигнала, благодаря которому такой компаратор может непосредственно соединяться со входами цифровых схем. Отечественные ИС компараторов выпускаются в составе 521 и 554 серий.

Это К521СА1, К521СА2, К554СА1, К554СА2,3.

Описанные компараторы имеют ограниченный диапазон входных напряжений. Если требуется сравнивать большие величины входных напряжений, можно воспользоваться схемой, приведенной на рис. 3.3.

Рисунок 3.3 – Суммирующий компаратор

Компаратор срабатывает при переходе величины через нуль. При этом

Таким образом, сравниваемые напряжения должны иметь противоположные знаки. Благодаря включению диодов напряжение на прямом входе ( ) не может превысить 0,6 V.

На рис. 3.4 представлена схема с цепочкой стабилитронов в обратной связи. Когда выходное напряжение достигает значений ( +0,6 V), операционный усилитель оказывается охваченным отрицательной обратной связью. При этом дальнейший рост выходного напряжения прекращается. Кроме того, так как операционный усилитель не насыщается, из общего времени задержки срабатывания исключается время восстановления компаратора.

Рисунок 3.4 – Компаратор на ОУ с ограничением выходного напряжения

Триггер Шмитта

Для изменения состояния выхода компаратора на конечную величину при бесконечно малом изменении входного сигнала, нужно иметь бесконечно большой коэффициент усиления и отсутствие шумов во входном сигнале.

Однако, при медленном изменении входного сигнала, при любом значении коэффициента усиления, выходной сигнал будет изменяться медленно, что плохо для последующих логических схем. Кроме того, при наличии входных шумов будет иметь место многократное срабатывание компаратора, так называемый «дребезг».

Рисунок 3.5

На рис. 3.5 проиллюстрирована описанная выше ситуация для случая незашумленного входного сигнала а и для случая входного сигнала с заметным шумом б. Для борьбы с явлением дребезга обычно применяется положительная обратная связь, которая охватывает усилитель с большим коэффициентом усиления. Получаем компаратор, у которого уровни включения и выключения не совпадают, а различаются на величину, называемую гистерезисом . Такой компаратор называется триггером Шмитта.

В схеме триггера Шмитта, представленной на рис. 3.6 гистерезис переключения достигается тем, что компаратор охватывается положительной обратной связью через делитель напряжения R₁ и R₂.

Рисунок 3.6 – Инвертирующий триггер Шмитта

Если к инвертирующему входу приложено большое отрицательное напряжение –U_вх, то выходное напряжение компаратора составит

На неинвертирующем входе потенциал определится из соотношения

При повышении входного напряжения величина выходного напряжения U_вых сначала не меняется, но как только U_вх достигает значения U₁, выходное напряжение скачком падает до величины , а потенциал на неинвертирующем входе принимает значение

Разность напряжений между входами будет достаточно большой отрицательной величиной, и достигнутое состояние – стабильным. Теперь выходное напряжение изменится опять до значения только тогда, когда входное напряжение достигнет значения . Характеристика зависимости выходного напряжения от входного приведена на рис. 3.7.

Рисунок 3.7 – Характеристика инвертирующего триггера Шмитта

Если в компараторе, представленном на рис. 3.1 один из двух входов подключить к выходу, то получится схема, приведенная на рис. 3.8.

Рисунок 3.8 – Неинвертирующий триггер Шмитта

При приложении ко входу этой схемы большого положительного напряжения выходное напряжение составит . Если U_вх станет уменьшаться, то сначала, пока потенциал на неинвертирующем входе не достигнет нулевого значения, выходное напряжение U_вых изменяться не будет. Когда входное напряжение достигнет значения

,

напряжение на неинвертирующем входе станет равным нулю и выходное напряжение скачком упадет до уровня . Достигнутое состояние сохраняется, пока входное напряжение не превысит значения

.

Характеристика зависимости выходного напряжения от входного приведена на рис. 3.9.

Рисунок 3.9 – Характеристика неинвертирующего триггера Шмитта

По аналогии с реализацией сумматора можно построить суммирующий триггер Шмитта. Для этого к прямому входу ОУ подключают дополнительные резисторы, через которые подводятся другие входные напряжения. На рис. 3.10 показана реализация такого способа выполнения суммирующего триггера Шмитта.

Рисунок 3.10 – Суммирующий триггер Шмитта

Изменяя напряжение U₂ можно сдвигать уровни срабатывания схемы для входного напряжения U₁. Ширина петли гистерезиса при этом не меняется.

В выпускаемых промышленностью ИС, триггер Шмитта часто дополняется логическими функциями: К555ТЛ2, К155ТЛ2, ТЛ3 и др.

Аналоговые ключи

Постоянный спрос на улучшенные характеристики аналоговых ключей и мультиплексоров заставляет разрабатывать все новые приборы. Длительное время в качестве аналоговых ключей использовались МОП транзисторы. Обладая малым сопротивлением в проводящем состоянии и крайне высоким сопротивлением в состоянии отсечки, с малыми токами утечки и небольшой емкостью, они являются почти идеальными аналоговыми ключами, управляемыми напряжением. Необходимость коммутировать сигналы равные или близкие по величине к напряжению питания определило использование переключателей на комплиментарных МОП-транзисторах.

Классическая схема аналогового ключа для сигналов в диапазоне от «земли» до положительного напряжения питания (МАХ3ХХ) управляется однополярным сигналом от логических микросхем. Одиночный n-канальный или p-канальный полевой транзистор, работающий в режиме обогащения, может служить аналоговым ключом, но его сопротивление в открытом состоянии значительно зависит от величины коммутируемого сигнала.

Соединение n-канального и p-канального МОП-транзисторов в параллель резко снижает эту зависимость. Необходимо при этом выполнить условие – включение и выключение этих транзисторов должно осуществляться одновременно. Современный аналоговый ключ может коммутировать аналоговый сигнал уровнем ±15 V. Структурная схема аналогового ключа фирмы Maxim представлена на рис. 3.11.

Рисунок 3.11 – Структура аналогового ключа на комплиментарной паре полевых транзисторов

Управляющий ТТЛ сигнал через защитную схему подается на вход дифференциального усилителя (ДУ). На второй вход усилителя подается сигнал от источника опорного напряжения U_оп. Предварительный усилитель (ПУ) вырабатывает парофазный сигнал управления для выходной пары комплиментарных транзисторов. При этом КМОП-ключ на транзисторах VT₁ и VT₂ может пропускать аналоговые сигналы уровнем ±U_пит. Показанные на схеме транзисторы VT₃ и VT₄ улучшают работу ключа, снижая утечки и уменьшая модуляцию сопротивления открытого канала.

Такие ключи могут передавать большой сигнал до частоты 500 kHz. Простой способ улучшения параметров ключа – это соединение в параллель ключей одной микросхемы. Так микросхема МАХ351, имеющая 4 ключа при параллельном соединении имеет типовое сопротивление в открытом состоянии 5,5 W и максимальное – 11,25 W.

Аналоговые ключи могут коммутировать сигналы частотой до 1 МHz и выше, выделяют небольшую мощность рассеяния и требуют простого логического интерфейса.

Очень полезными могут быть интегральные схемы ключей и мультиплексоров при автоматической установке коэффициента усиления, частоты, фазы или напряжения. Например, если подать сигнал на неинвертирующий вход операционного усилителя, а на выходе установить последовательную резистивную матрицу, то с помощью 16-канального мультиплексора типа МАХ306, можно выбрать один из 16 уровней коэффициента усиления.

Рисунок 3.12 – Инвертирующий усилитель с кодоуправляемым коэффициентом усиления

При этом каждый ключ с одной стороны подключается к «своему» резистору, а вторая сторона ключей объединяется и подключается к инвертирующему входу ОУ.