Занятие 8

АНАЛОГОВЫЕ КОМПАРАТОРЫ

Общие сведения о компараторах

Компаратор — это устройство сравнения. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения величин двух аналоговых сигналов. Если обозначить входной анализируемый сигнал а опорный сигнал (или уровень сравнения) то выходной сигнал компаратора — (представляющий собой логический сигнал, содержащий 1 бит информации) будет определяться по правилу

Выходной сигнал компаратора в большинстве случаев подается на входы логических устройств и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор — это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, и по сути дела является одноразрядным аналого-цифровым преобразователем.

Неопределенность состояния выхода компаратора при разности входных сигналов нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления а), либо петлю гистерезиса б).

Характеристики компараторов (при = 0): а — с конечным коэффициентом усиления, б — с гистерезисом ( — ширина петли гистерезиса)

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен был бы иметь бесконечно большой коэффициент усиления б) и работать при полном отсутствии шумов.

К такой характеристике можно приблизится двумя способами: либо использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, либо ввести положительную обратную связь. В первом случае при характеристика компаратора будет иметь вид предыдущего рисунока а). Это приводит к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении выходной сигнал также будет изменяться замедленно, см. следующий рисунок б-2), что может вызвать нечеткое срабатывание последующих логических схем. Еще хуже то, что при таком медленном изменении около может появиться так называемый «дребезг», при котором выход компаратора многократно с большой частотой меняет свое состояние под действием помех или шумов б-3). Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис. Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора б-4), но существенно уменьшает или даже полностью устраняет «дребезг»

Временные диаграммы переключения компараторов: а — входные напряжения,

б — выходные напряжения компараторов с бесконечным усилением (1), с конечным усилением (2), при наличии внутреннего или входного шума (3), с гистерезисом (4)

В качестве компаратора может быть использован и обычный операционный усилитель (ОУ), как это показано на следующем рисунке. Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон и диод

Схема компаратора на ОУ

Пусть Если то диод открыт и выходное напряжение схемы равно падению напряжения на открытом диоде и не превышает 0.5...0.7 В. При на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных микросхем, входы которых подключены к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме. Многие типы ОУ не допускают сколько-нибудь существенное входное дифференциальное напряжение. ОУ и работает в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными и синфазными входными напряжениями. Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в линейном режиме со 100% отрицательной обратной связью. Поэтому в компараторах на обычных ОУ трудно получить время переключения менее 1 мкс.

Принципы построения интегральных компараторов

Итак, компаратор — это быстродействующий дифференциальный усилитель постоянного тока с большим усилением, малым дрейфом, малым смещением нуля и логическим выходом. Его входной каскад должен обладать большим коэффициентом ослабления синфазного сигнала (КОСС) и способностью выдерживать большие синфазные и дифференциальные напряжения на входах, не попадая в режим насыщения, приводящий к значительному снижению быстродействия. Для повышения помехозащищенности желательно снабдить компаратор стробирующим логическим входом, разрешающим сравнение и переключение компаратора только в задаваемые внешним (тактовым) сигналом моменты времени.

Схема первого промышленного интегрального компаратора А710 (отечественный аналог — 521СА2), разработанного Р. Видларом в 1965 г., приведена на рисунке.

Схема компаратора А710

Она представляет собой дифференциальный усилитель на транзисторах нагруженный на каскады ОЭ на Каскад на через транзистор управляет коллекторным режимом входного каскада и через транзистор в диодном включении фиксирует потенциал базы транзистора делая его независимым от изменений положительного напряжения питания. Каскад на представляет собой второй каскад усиления напряжения. Эмиттерные выводы транзисторов подключены к стабилитрону с напряжением стабилизации 6.2 В, поэтому (с учетом падения напряжения на переходах база-эмиттер) потенциалы баз указанных транзисторов соответствуют  6.9 В. Следовательно, допустимое напряжение на входах компаратора относительно общей точки может достигать 7 В. На транзисторе выполнен эмиттерный повторитель, передающий сигнал с коллектора на выход. Постоянный уровень выходного сигнала смещается к нулю стабилитроном

Если дифференциальное входное напряжение превышает +5...+10 мВ, то транзистор закрыт, а близок к насыщению. Выходной сигнал компаратора при этом не может превысить +4 В, так как при более положительных сигналах открывается диод, выполненный на транзисторе в диодном включении, не допуская излишнего роста выходного напряжения и насыщения При обратном знаке входного напряжения насыщается, потенциал его коллектора оказывается близок к напряжению стабилизации стабилитронов и а поэтому потенциал выхода близок к нулю. Транзистор — источник тока 3 мА для начального смещения Часть этого тока (до 1.6 мА) может ответвляться в нагрузку с вытекающим (отрицательным) входным током (например, при подключении одного входа ИМС ТТЛ серии 155 или 133).

В дальнейшем схема этого компаратора развивалась и совершенствовалась. Схемы многих современных компараторов имеют стробирующий вход для синхронизации, а некоторые модификации снабжены на выходе триггерами-защелками, фиксирующими состояние выхода компаратора в момент прихода синхроимпульса.

Выходные каскады компараторов обычно обладают большей гибкостью, чем выходные каскады операционных усилителей. В обычном ОУ используют двухтактный выходной каскад, который обеспечивает размах напряжения в интервале между уровнями напряжения питания (например, ±13 В для ОУ типа 140УД7, работающего от источников ±15 В). В выходном каскаде компаратора эмиттер, как правило, заземлен, а выходной сигнал снимается с «открытого» коллектора. Выходные транзисторы некоторых типов компараторов, например, 521САЗ или LM311, имеют открытые (т. е. неподключенные) не только коллектор, но и эмиттер. Две основные схемы включения компараторов такого типа приведены на рисунке.

Варианты включения выходного каскада компаратора 521 САЗ:

а — по схеме с ОЭ, б — по схеме эмиттерного повторителя

На рисунке а) выходной транзистор компаратора включен по схеме с общим эмиттером (ОЭ). При потенциале на верхнем выводе резистора, равном +5 В к выходу можно подключать входы ТТЛ, и КМОП-логику с напряжением питания 5 В. Для управления КМОП-логикой с более высоким напряжением питания следует верхний вывод резистора подключить к источнику питания используемой цифровой микросхемы.

Если требуется изменение выходного напряжения компаратора в пределах от выходной каскад включается по схеме эмиттерного повторителя (ЭП) б). При этом заметно снижается быстродействие компаратора и, кроме того, в отличие от схемы на рисунке а) выходной сигнал компаратора инвертируется относительно входного.

Некоторые модели интегральных компараторов (например, AD790, МАХ907) имеют внутреннюю неглубокую положительную обратную связь, обеспечивающую их переходной характеристике гистерезис с шириной петли, соизмеримой с напряжением смещения нуля.

На следующем рисунке а) приведена схема включения компаратора с открытым коллектором на выходе, переходная характеристика которого имеет гистерезис.

Компаратор с положительной обратной связью:

а — схема включения, б — переходная характеристика с гистерезисом

R₂

Пороговые напряжения этой схемы определяются по формулам

Из-за асимметрии выходных напряжений компаратора петля гистерезиса оказывается несимметричной относительно опорного напряжения. Обычно выбирают так что