UPOS3 / Раздел6

6. КОМПАРАТОРЫ

Компараторы (устройства сравнения) реагируют на знак разности входных напряжений u_вх и вырабатывают на выходе дискретный сигнал, определяемый этим знаком. В качестве компараторов применяют различные устройства, функциональная характеристика которых приближается к идеальной переключательной характеристике, в основном на основе ОУ без ОС. Аппроксимированная характеристика такого компаратора показана на рис. 6.1, где u - зона неопределённого состояния компаратора, появляющегося вследствие конечного значения скорости нарастания выходного напряжения ОУ.

Рис. 6.1. Амплитудная характеристика реального компаратора

Величина u изменяется при изменении коэффициента K усиления ОУ. Смещение нулевого уровня ОУ и его изменение ведут к смещению и увеличению u до значения u_max [6, с. 196–201]. Принимают (с запасом) ширину зоны неопределённости равной:

u = u_max + u_выхh/K_min . (6.1)

Для получения выходного сигнала компаратора в положительной области напряжений (напр., для работы на ИС ТТЛ–типа), после ОУ устанавливается схема согласования уровней на БПТ (рис. 6.1). Транзистор VT работает в ключевом режиме, а диод VD защищает эмиттерно-базовый переход БПТ, устраняя отрицательное напряжение. Резистор R ограничивает выходной ток ОУ. Величина u_max определяется:

u =  (k₁ + k₂R_выхИОН) , (6.2)

где k₁, k₂ – температурные коэффициенты ЭДС смещения нуля и разностного входного тока;  - изменение температуры относительно значения, при котором скомпенсировано u_см.

Значение u_{вых h} БПТ находится из условия насыщения транзистора VT:

(u_{вых h} - u_бэ)/I_{вых h} = I_k_min, (6.3)

где _min – минимальное значение  БПТ.

Сопротивление резистора R должно удовлетворять условию:

R  u_{вых max ОУ}/I_{вых max}; u_{вых max ОУ} < u_питани; I_{вых max} < I_{доп ОУ}. (6.4)

Величина u, как одна из составляющих инструментальной погрешности должна быть соразмерена с его дискретностью. В инженерной практике широко используется условие не превышения величиной u среднеквадратичного значения погрешности дискретности . Для минимизации этой погрешности следует применять ОУ с малыми значениями k₁ и k₂ и большим K_min.

Важной характеристикой компаратора является его быстродействие. Из-за инерционности ОУ может быть неправильная реакция на его выходе при быстром изменении значения входного сигнала. Задержка t_з появления сигнала на выходе относительного момента изменения сигнала на входе зависит от диапазона, в котором изменяется входной сигнал. Значение t_з обычно нормируют при превышении входного сигнала над u₀ = 100 мВ на 5 мВ. Так для специальных ИС компараторов 554СА1, 521СА3(СА4) и 597СА1(СА2) t_з равна 135 нс, 120 нс, 50 нс, 6,5 нс и 12 нс. Для компараторов на ОУ t_з  1 мкс.

Компараторы, специально разработанные для преобразования непрерывных сигналов в дискретные, переключаются гораздо быстрее, чем ОУ. Компараторы могут применяться в различных схемах с ПОС: формирователях, релаксационных генераторах и т.п. В табл. 5 приведены параметры некоторых ИС компараторов [15, с. 165-166].

Таблица 5

Параметры компараторов

Тип	Аналог	Iвх, мкА	tз, нс	Потр. мощн., мВт	Примечание
К521СА1	А711	10	100	130	Сдвоенный
К521СА2	А710	10	80	120
К521СА3	LM111	0,1	200	100	Эмиттерн. повтор. на вых.
К521СА4	SE257	2	25	150	Два выхода
К521СА5	LM710	2	менее 30	60	Выход ТТЛ, КМОП
К521СА6			160
К597СА1	Аm685	10	6	300	Два выхода
К597СА2	Аm686	10	10	350	"
К597СА3	ICL8001	0,2	100	40	Эмиттерн. повтор. на вых.
К1401СА1	LM139	0,2	1300	40	Счетверёный
К1121СА1	LM119	2	120	150

Компараторы можно разделить на 4 группы: общего применения (К521СА2; СА5), прецизионные (К521СА3; К597СА3), быстродействующие (К591СА1; СА2) и специализированные (К521СА1; СА4; К1121СА1; К1401СА1). Особенности практического применения этих компараторов, в частности устранения влияния шумовой составляющей входного сигнала, работы от высокоомных источников сигнала приведены в [15, с. 167-172]. Решение задачи достигается за счёт введения в компаратор ПОС, т.е. введения гистерезиса передаточной характеристики.

Часто для ЦИУ необходимы высокоточные компараторы с погрешностью не более десятков микровольт. В этом случае предпочтение отдаётся компараторам на ОУ [15, c. 172-181]. В однопороговых компараторах, рис. 6.2, обратная связь формирует на выходе u_вых  0 при u_вх = u₀ (стабилитрон и диод закрыты, а ОС разомкнута).

Если u_вх изменится на несколько десятков микровольт в какую-либо сторону, то изменение u_вых составит единицы вольт в связи с большим коэффициентом ОУ, и прекратится при открывании диода или стабилитрона, и коэффициент передачи по цепи ОС станет равным единице.

При замене резисторов на конденсаторы можно ввести сравнение сигналов по скорости их изменения. Точность сравнения компараторов ограничивается напряжением смещения нуля и входными токами.

При медленных изменениях входного сигнала или его малой величине для уменьшения времени переключения используют регенераторные переключатели, имеющие ПОС (и гистерезис передаточной характеристики), рис. 6.3.

Изменение по какой-либо причине равенства уровней выходного напряжения вызывает смещение петли гистерезиса относительно опорного напряжения, то есть расчётной точки срабатывания компаратора, что ведёт к увеличению погрешности сравнения. Этот недостаток устраняется введением в схему ключа (VT), управляемого выходным напряжением. При сопротивлении r_си < 100 Ом, погрешность установления порогов срабатывания при использовании 1 %-ных резисторов будет меньше 0,01u_о. Конденсатор увеличивает скорость переключения ключа, ускоряя разряд паразитной ёмкости исток–затвор.

Рис. 6.2. Однопороговые компараторы

Последняя схема по рис. 6.3 имеет постоянное напряжение нижнего порога переключения при регулируемой величине гистерезиса. Диод VD1 обеспечивает разрыв цепи ПОС при u_вх > u_о и на выходе ОУ устанавливается близкое к нулю напряжение, определяемое токами утечки через VD2 и R₄. Если затем u_вх уменьшить до u_о, выходное напряжение компаратора переключается в противоположное состояние. Напряжение низкого уровня на выходе компаратора примерно равно нулю (согласование с ИС ТТЛ). Резистор R₃ ограничивает ток диодов при высоком уровне выходного напряжения, а резистор R₃ обеспечивает разряд ёмкости VD2.

Рис. 6.3. Регенераторные компараторы

У двухпороговых компараторов состояние выхода изменяется 2 раза при увеличении входного сигнала в некотором диапазоне, рис. 6.4. Первая схема – мостовой компаратор – имеет диодный мост, включённый в цепь ОС ОУ, а изменение u_вых происходит когда входной ток I₁ превысит или станет меньше тока I₂. При изменении u_вых­ переключаются диоды и коэффициент передачи по цепи ОС. Точность уровней дискриминации – десятки милливольт из-за разброса падений напряжений на открытых диодах, а их температурный коэффициент – единицы милливольт на 1^оС.

Рис. 6.4. Двухпороговые компараторы

Во второй схеме ширина окна дискриминации может изменяться независимо от пороговых напряжений регулировкой соотношений сопротивлений резисторов. Стабилитрон выполняет функцию источника опорного напряжения. В исходном состоянии при u_вх< u_ст установлен низкий уровень напряжения на выходе компаратора. С увеличением u_вх1 когда u_вх = u_ст + u_д(1 + R₁/R₂), устанавливается высокий уровень напряжения на выходе, а затем при u_вх = u_ст + u_д(1 + R₂/R₁) напряжение на выходе достигает своего исходного значения. Ширина окна дискриминации равна: u_д(R₂² -R₁²)/R₁R₂. Недостаток схемы – третье переключение при u_вх = [u_стR₂(R₃ + R₅) + u_дR₅(R₁ + R₂)]/(R₂R₅ - R₁R₃). Необходимо выбирать возможно меньшее значение отношения R₃/R₅ и R₂R₅ = R₁R₃.

При необходимости выделить цифровой полезный сигнал из импульсной периодической последовательности, содержащей помехи, используют регенераторы цифровых последовательностей. Простейший из них – компаратор напряжения, на один вход которого подаётся регенерируемый сигнал, а на второй u₀  1,21,5 В для ТТЛ ИС (для КМОП равное половине напряжения питания). Для автоматического установления значения u₀ применяют схему по рис. 6.5.

Рис. 6.5. Регенератор цифровой последовательности

Уровень опорного напряжения компаратора DA2 формируется пиковым детектором на DA1. При периодически повторяющихся импульсах, на конденсаторе поддерживается напряжение, равное половине амплитуды U_m входных импульсов: C(R₁ + R₂) >> T, где T – пауза между импульсами. За время действия импульса _и конденсатор должен зарядиться практически до амплитудного значения. Скорость нарастания выходного напряжения DA1 должна соответствовать условию: v > U_m/_и. Для ОУ v = I_{вых ОУ max}/C.

Для выбора большего из 2-х сигналов можно использовать схему по рис. 6.6 [15, с. 179]. DA1 – двухполярный источник тока, DA2 – повторитель напряжения. Для этой схемы: u_вых = u_а при u_а > u_в и u_вых = u_а + [( u_в - u_а)/R₁]R₁ = u_в при u_в > u_а.

Рис. 6.6. Компаратор для выделения большего из двух сигналов

Для определения максимального из нескольких напряжений используется схема по рис. 6.7 [15, с. 180].

Рис. 6.7. Компаратор для выделения большего из произвольного числа сигналов

Максимальное напряжение установится на выходе, поскольку в остальных цепях входных напряжений диоды будут закрыты большим отрицательным напряжением. Резистор R обеспечивает формирование напряжения прямого смещения на диоде в цепи с максимальным входным напряжением. Для выделения из нескольких сигналов минимального, в этой схеме нужно изменить на обратное включение диодов и резистор R подключить к положительному источнику питания. Сопротивление резистора R зависит от числа входных сигналов и значения собственного фазового сдвига входного сигнала в использованных ОУ.

Для выбора и передачи на выход среднего по напряжению сигнала из нескольких можно использовать устройство, описанное в [15, с. 180].

На рис. 6.8 приведён компаратор с пороговым напряжением, пропорциональным амплитуде входных импульсов. У компаратора отношение u_пор/u_{вх имп} остаётся неизменным. В схеме DA2 – собственно компаратор, а в целом это пиковый детектор, формирующий пороговое напряжение, пропорциональное амплитуде входных импульсов. Емкость конденсатора C2 и сопротивление резисторов R₁, R₂ выбирают в зависимости от частоты входных импульсов и требуемого порогового напряжения: (R₁ + R₂)C₂  10 ( - интервал времени между импульсами).

Рис. 6.8. Компаратор с автоматически изменяемым пороговым напряжением