1.Аналоговые компараторы напряжения

9.1. Принцип действия компаратора

Аналоговый компаратор (рис. 9.1, а) предназначен для сравнения амплитуд напряжений двух аналоговых сигналов. Если обозначить входной сигнал u_вх, а опорный сигнал U_оп, то выходной сигнал компаратора U_вых представляет собой логический сигнал (0; 1), содержащий 1 бит информации.

Таким образом, компаратор – это элемент сопряжения аналогового и цифрового устройств и, по сути, является одноразрядным АЦП. Чтобы входной сигнал компаратора изменился (1→0 или 0→1) при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления и работать при полном отсутствии шумов.

Для нормальной работы компаратора требуется, как правило, симметричное напряжение питания относительно общей шины: положительное Е и отрицательное Е_-. Выходной сигнал компаратора в большинстве случаев подается на входы логических устройств и поэтому согласуется по уровням напряжений и токов с их входами.

Рис. 1.1. Компаратор: условное обозначение (а), переходная характеристика (б)

9.2. Параметры компараторов

Параметры, характеризующие качество компараторов, можно разделить на три группы: точностные, динамические, эксплуатационные. Компаратор характеризуется теми же точностными и эксплуатационными параметрами, что и ОУ.

Основным динамическим параметром является время переключения t_п (рис. 9.1, б). Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение компаратора достигает порога срабатывания U_п = Е / 2 логической схемы, где Е – напряжение питания компаратора и логической схемы. Это время зависит от величины превышения u_вх над U_оп. Данный параметр называется дифференциальным входным напряжением U_д = u_вх - U_оп. В справочниках приводят t_п при U_д = 5 мВ. Время переключения t_п = t_з + t_н можно разбить на две составляющие: время задержки t_з и время нарастания t_н (или спада при переключении компаратора по заднему фронту входного сигнала).

Эксплуатационные параметры компараторов определяют допустимые режимы работы их входных и выходных цепей, требования к источникам питания и температурный режим работы. Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены конечными значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы компаратора. Важными характеристиками компаратора являются максимально допустимые величины дифференциального и синфазного входных напряжений.

В настоящее время в мире изготавливаются сотни наименований компараторов. Эти ИС можно разделить на следующие группы:

• общего применения (521СА2 – I_вх = 25 мкА);

• прецизионные (521СА3 – I_вх = 0,1 мкА);

• быстродействующие (597СА1 – t_п= 6,5 нс);

• микромощные (МАХ919 – I_п = 0,38 мкА).

9.3. Подключение нагрузки и управление работой компаратора 521са3

Внутренняя структура компаратора приведена на рис. 9.2, а. Компаратор DA1 содержит дифференциальный усилитель DA2, который управляет выходным транзистором VT1. Транзистор VT1 имеет открытые, т.е. неподключенные, коллектор 7 и эмиттер 1, что придает компаратору универсальность. Назначение остальных выводов: 2 – неивентирующий вход; 3 – инвертирующий вход; 4 – источник отрицательного питания Е_-; 5, 6 – регулировка напряжения смещения, ; 6 – вывод стробирования; 8 – источник положительного питания Е.

Рис. 1.2. Компаратор 521СА3: внутренняя структура (а), варианты включения выходного транзистора: по схеме с ОЭ (б), по схеме эмиттерного повторителя (в)

Вывод стробирования предназначен для выключения компаратора. При подаче на базу внешнего транзистора VT2 положительного напряжения компаратор перестает работать как устройство сравнения. При открытом транзисторе VT2 на выводе 7 формируется положительное напряжение U_вых ≈ Е независимо от величины сигналов на входах компаратора. Если стробирование не требуется, то вывод 6 можно оставить неподключенным. Резистор R1 составляет 1…3 кОм. Быстродействие компаратора можно увеличить на 30-40%, если выводы 5, 6 соединить с шиной Е. При этом входной ток компаратора возрастает до 0,3 мкА.

Варианты схем включения выходного транзистора приведены на рис. 9.2, б, в. На рис. 9.2, б выходной транзистор включен по схеме с ОЭ – это наиболее распространенная схема. В данном случае выход компаратора подключают непосредственно к входам логических схем с напряжением питания . Резистор R2 выбирается из условий:

1. Обеспечения требуемого входного тока следующего каскада.

2. Необходимого уровня напряжения коллектор-эмиттер транзистора VT1.

3. Требуемой длительности фронта выходного напряжения компаратора, которая определяется постоянной времени , где – паразитная емкость компаратора и емкость нагрузки.

Чем меньше сопротивление R2, тем меньше длительность фронта выходного напряжения. С другой стороны, во избежание выхода компаратора из строя, резистор R2 выбирается таким образом, чтобы ток, протекающий через выходной транзистор VT1, не превышал 50 мА. Другими словами, выбор сопротивления R2 – это компромисс между потребляемой мощностью и быстродействием компаратора.

Если требуется изменение выходного напряжения компаратора в пределах от до , то выходной транзистор включается по схеме эмиттерного повторителя (рис. 9.2, в). При этом заметно снижается быстродействие компаратора. Кроме того, в отличие от схемы рис. 9.2, б, выходной сигнал компаратора инвертируется относительно входного.