13.1. Общие сведения о компараторах

Компаратор – это устройство сравнения. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения величин двух аналоговых сигналов. Если обозначить входной анализируемый сигнал K1N, а опорный сигнал (или уровень сравнения) KREB то выходной сигнал компаратора Tout – (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 |V_IN - V_REF| ~ 0 нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления (Рис. 13.1а), либо петлю гистерезиса (Рис. 13.1б).

Рис. 13.1. Характеристики компараторов (при KREF = 0): а – с конечным коэффициентом усиления, б – с гистерезисом (VG – ширина петли гистерезиса)

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину |V¹out – V⁰out| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компара­тор должен был бы иметь бесконечно большой коэффициент усиления (Рис. 13.2б-1) 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 |V_IN - V_REF| = 0 характеристика компаратора будет иметь вид Рис. 13.1а. Это приводит к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении V_IN выходной сигнал также будет изменяться замедленно (Рис. 13.2б-2), что может вызвать не­четкое срабатывание последующих логических схем. Еще хуже то, что при та­ком медленном изменении V_IN около V_REF может появиться так называемый «дребезг», при котором выход компаратора многократно с большой частотой меняет свое состояние под действием помех или шумов (Рис. 4.2б-3). Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (Рис. 4.1б). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (Рис. 4.2б-4), но существенно уменьшает или даже полностью устраняет «дребезг» V_OUT

б)

Рис. 13.2. Временные диаграммы переключения компараторов: а – входные напряжения, б – выходные напряжения компараторов с бесконечным усилением (/), с конечным усилением(2), при наличии внутреннего или входного шума (3), с гистерезисом (4)

Рис. 13.3. Схема компаратора на ОУ

В качестве компаратора может быть ис­пользован и обычный операционный уси­литель (ОУ), как это показано на Рис. 13.3. Усилитель включен по схеме инвертирую­щего сумматора, однако вместо резистора в цепи обратной связи включены параллель­но стабилитрон VD₁ и диод VD₂.

Пусть R₁ = R₂. Если (V_IN - V_REF) > 0, то диод VD₂ открыт и выходное напряжение схемы равно падению напряжения на от­крытом диоде и не превышает 0.5...0.7 В. При (V_IN - V_REF) < 0 на стабилитроне уста­новится напряжение, равное его напряже­нию стабилизации V_ст. 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, включенный по схеме, приведенной на Рис. 13.3, 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.