8. Аналогові компаратори

8.1. Загальні відомості

Аналоговим компаратором (АК) називається пристрій, в якому здійснюється порівняння вхідних аналогових величин, і залежно від того, яка з них вища встановлюється високий або низький рівень вихідного сигналу як результат порівняння. У цифрових пристроях АК застосовуються для перетворення вхідної аналогової величини у вихідні прямокутні імпульси.

Універсальними базовими елементами для побудови АК, як і багатьох аналогових та аналогово-імпульсних пристроїв, є операційні підсилювачі (ОП), зокрема, загального призначення (рис. 1,а). Завдяки властивостям ОП параметри названих пристроїв визначаються лише зовнішніми елементами і не залежать від параметрів ОП, отже, і від їх розкиду. Такими властивостями ОП є надзвичайно великий коефіцієнт підсилення за напругою без зворотного зв’язку К (від тисяч до мільйонів), високий вхідний опір по кожному з диференційних входів і між цими входами (від десятків кілоом до 10¹² Ом) та низький вихідний опір (100 Ом).

Рис. 1. Операційний підсилювач (а), його ПХ (б, в) та цифрова модель (г)

ОП підсилює диференційну вхідну напругу u_д = u⁺ – u^⎺, що дорівнює різниці напруг на його прямому (неінверсному) та інверсному входах. Отже, вихідна напруга u на навантаженні R_н визначатиметься коефіцієнтом підсилення К і для малих величин u_д становитиме u = Кu_д, але не може перевищувати напруги насичення U_н, яка наближається до напруги живлення Е_ж. Так, наприклад, для ОП, які зручно стикувати з цифровими ІС, напруги насичення можуть становити біля ±U_н = ±5 В. Приймаючи значення К = 50 В/мВ для оцінювання лінійної ділянки передатної характеристики (ПХ) (рис. 1,б), межі зміни вхідної напруги, після яких ОП переходить до режиму обмеження, становлять ± △u_д = u / К = = ± U_н / К = ± 5 В / (50 В/мВ) = ± 0,1 мВ.

Таким чином, якщо напруга на прямому вході ОП u⁺ перевищує напругу на його інверсному вході u^⎺ приблизно на △u_д = 100 мкВ, то на виході встановлюється високий рівень сигналу +U_н, і, навпаки, коли напруга на інверсному вході u^⎺ перевищує напругу на прямому вході u⁺ на ту ж саму величину △u_д = = 100 мкВ, вихідний сигнал набуває низького рівня -U_н. Ця величина △u_д набагато менше шумів, наводок, а також напруг, зумовлених струмами витоку, і напруги зсуву нуля, які разом можуть перевищувати величину порядку 1 мВ. Крім того, величина △u_д нехтовно мала відносно логічних рівнів цифрових пристроїв. Через це у всіх практичних випадках можна прийняти △u_д = 0 і вважати ПХ прямокутною (рис. 1,в).

З огляду на це ОП наближається до ідеального перемикального елемента і в цифрових пристроях його можна змоделювати перемикачем S (рис. 1,г): якщо диференційна напруга u_д > 0, то на виході маємо напругу +U_н, що відповідає рівневі лог.1, а за умови u_д < 0 – напругу -U_н, що відповідає рівневі лог.0. Зауважимо тут, що в спеціалізованих ОП з однополярним (нерозщепленим) живленням вихідні напруги U¹ ≈ 5 В, U⁰ ≈ 0 В узгоджуються з логічними рівнями цифрових ІС.

8.2. Детектори рівня

У багатьох практичних випадках, зокрема, під час вимірювань цифровими методами застосовуються детектори рівня, які дозволяють визначити моменти переходу вхідного сигналу через певну величину. Для цього вхідна аналогова напруга e(t) на одному вході АК порівнюється з постійною опорною напругою U_оп на іншому його вході.

Рис. 2. Детектори: неінвертуючий нульового рівня (а) та інвертуючий ненульового рівня (б)

Якщо опорна напруга U_оп = 0 (один зі входів ОП заземлено), матимемо детектор нульового рівня: в АК визначатимуться моменти переходу вхідного сигналу через нуль (рис. 2,а). У цій схемі диференційна напруга дорівнює вхідній напрузі: u_д = u⁺ – u^⎺ = e(t), тому згідно з рис. 1,г на ділянці часової діаграми, де величина e(t) перевищує нуль вихідна напруга буде додатною +U_н, а де менше нуля – від'ємною -U_н. Отже, коли вхідний аналоговий сигнал e(t) надходить на прямий вхід ОП, полярність вхідної і вихідної напруг збігатиметься, тобто детектор буде неінвертуючий.

На рис. 2,б вхідний сигнал e(t) надходить на інверсний вхід ОП, тому детектор буде інвертуючий. На інший, прямий вхід подається опорна напруга від окремого джерела або, як у нас, від подільника напруги U_оп = +Е_жR₂ / (R₁ + R₂). У такому детекторі ненульового рівня диференційна напруга u_д = U_оп – e(t) від'ємна на ділянці часової діаграми, де величина e(t) перевищує величину U_оп, тому вихідна напруга буде від'ємною -U_н, а на ділянці, де e(t) < U_оп, диференційна напруга додатна, отже напруга на виході буде +U_н.