7.2. Компараторы

Аналоговые ИМС оперируют с непрерывными сигналами, а цифровые ИМС – с дискретными. Существуют также аналого-цифровые ИМС, предназначенные для работы как с аналоговыми, так и цифровыми сигналами.

Типичным представителем аналого-цифровых ИМС является компаратор – простейший преобразователь непрерывного сигнала в дискретный. Напряжение на выходе компаратора может находиться на одном из двух фиксированных уровней, условно называемых "логическим нулем" и "логической единицей". Как правило, логическому нулю "0" соответствует низкий уровень напряжения, например U⁰  0,4 B, а логической единице "1" – высокий уровень, например U¹  2,5 В. Со стороны входов компаратор полностью подобен ОУ, а со стороны выхода – цифровым логическим элементам.

Уравнение преобразования компаратора может быть представлено в виде

Uвых = sign (U₂ - U₁) = "0", если U₂ < U₁,

или

Uвых = sign (U₂ - U₁) = "1", если U₂ > U₁.

Здесь символ sign означает знак разности напряжений, действующих на неинвертирующем (U₂) и инвертирующем (U₁) входах компаратора. Ситуация, соответствующая равенству U₂ = U₁, является неопределенной. Поскольку в реальных электронных схемах всегда присутствуют различные шумы и помехи электромагнитного характера, то физически неопределенность проявляется в том, что компаратор вблизи нулевого уровня начинает хаотически переключаться из "0" в "1" и обратно. Данное явление называется "дребезгом" компаратора, и его стараются исключить, применяя различные схемотехнические методы.

Обычный ОУ может быть с успехом применен для работы в качестве компаратора. С этой целью на выходе ОУ устанавливается специальная цепь согласования уровней, чтобы обеспечить требуемые значения напряжений "0" и "1". Примеры применения ОУ в режиме компаратора были рассмотрены в п. 7.1, в схемах мультивибраторов. Однако компараторы, специально разработанные для преобразования непрерывных сигналов в дискретные, имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными ОУ. Во-первых, компараторы переключаются гораздо быстрее, чем ОУ. Во-вторых, в отличие от ОУ выходной сигнал компаратора обычно изменяется в пределах, позволяющих производить непосредственное управление логическими ИМС различного типа. В-третьих, в компараторах имеются специальные выводы, по которым можно управлять работой компаратора, например включать или выключать компаратор в любой момент времени.

Компараторы не предназначены для работы в режиме с ООС. Поэтому их точность в статическом режиме и при работе с медленно меняющимися сигналами ниже, чем у ОУ. Это приводит к тому, что источник питания для компараторов должен быть достаточно мощным, с низким выходным сопротивлением и хорошо стабилизированным.

Основными параметрами компаратора являются:

1) собственный коэффициент усиления К₀, составляющий единицы – десятки тысяч;

2) коэффициент ослабления синфазного сигнала, имеющий порядок 40–120 Дб;

3) входное напряжение сдвига Uсд – минимальная разность входных напряжений, при которой происходит срабатывание компаратора;

4) смещение и дрейф нуля, по порядку величины сравнимые с теми же параметрами ОУ (единицы милливольт – десятки микровольт на 1 ^оС);

5) входной ток смещения Iсм – среднее значение входных токов, характеризующее разность напряжений на входах компаратора из-за различия сопротивлений Rг входных цепей;

6) входной ток сдвига Iсд – разность входных токов, характеризующая разность напряжений, которая появляется на входах компаратора при одинаковых сопротивлениях Rг входных цепей;

7) температурный коэффициент напряжения сдвига ТКUсд;

8) коэффициент влияния напряжения питания на напряжение сдвига КВНПUсд;

9) время задержки включения tзр – время между моментом переключения напряжения на одном из входов компаратора и моментом, когда его выходное напряжение достигнет уровня 0,9Uвых_max;

10) логические уровни выходных напряжений U⁰, U¹.

Применяются компараторы как по прямому назначению – для сравнения двух напряжений, так и в различных схемах с ПОС: формирователях, импульсных генераторах и т.д. Для уменьшения явления дребезга применяются три способа.

Первый способ связан с использованием временного стробирования компаратора, при котором некоторым внешним сигналом запрещается работа компаратора на время действия условия U₂ = U₁.

Второй способ связан с введением в структуру компаратора элементов статической памяти, например триггера, при котором компаратор оказывается нечувствительным к наличию неопределенности вида U₂ = U₁.

Наиболее простым и широко распространенным является способ, при котором в компаратор с помощью резистивного делителя вводится положительная обратная связь. Такой компаратор называется триггером Шмитта, а его использование было проиллюстрировано на примере генераторов прямоугольных импульсов в п. 7.1. Уровни включения и выключения триггера Шмитта различны, в результате чего его амплитудная характеристика (рис. 7.5в) приобретает гистерезисный вид с зоной нечувствительности, равной разности уровней срабатывания и отпускания. Поскольку выходное напряжение компаратора имеет, как правило, положительную полярность, то амплитудная характеристика триггера Шмитта полностью находится в первом квадранте.

Смещение этой характеристики можно регулировать внешним напряжением сдвига, подаваемым на НЕ- или И-входы. Ширина зоны нечувствительности регулируется изменением отношения сопротивлений делителя ПОС, причем должно выполняться условие

К₀^. R1/(R1 + R2) > U/e₀,

где U – перепад логических уровней на выходе компаратора, е₀ – напряжение смещения нуля. При проектировании электронных систем на структурном уровне обычно предполагают, что компаратор является идеальным устройством, имеющим бесконечно большой коэффициент усиления и нулевое время включения.