Лекція 9. Аналогові компаратори напруг

Пристрій і принцип дії. Компараторами напруг називають інтегральні мікросхеми, призначені для порівняння двох напруг і видачі результату порівняння в логічній формі: більше або менше. По суті справи, компаратор напруги чутливий до полярності напруги, прикладеної між його сигнальними входами. Напруга на виході матиме високий; рівень U_1вих всякий раз, коли різниця напруг між неінвертуючим і інвертуючим сигнальними входами позитивна і, навпаки, коли різницева напруга негативна, та вихідна напруга компаратора відповідає логічному нулю U_1вих. Це правило записують наступними образом:

Графічна залежність вихідної напруги від різниці вхідних напруг приведена на рис. 9.1 а, а умовне схематичне позначення компаратора приведене на рис. 9.1 б. Як видно з позначення, компаратор напруги крім основних сигнальних входів може мати службові входи різного призначення: стробує, балансування, узгодження рівнів і ін.

Спрощена структурна схема компаратора напруги приведена на рис. 9.2. Вона складається з вхідного диференціального каскаду ДК, пристрою зсуву рівнів і вихідної логіки. Вхідний диференціальний каскад формує і забезпечує основне посилення різницевого сигналу. Крім цього, він дозволяє здійснювати балансування виходу за допомогою зовнішнього підстроюваного резистора і дозволяє

скоректувати напругу зсуву нульового рівня в межах до 1... 2 мВ, виникаюче в диференціальному каскаді. За допомогою балансування можна також встановити переважний початковий стан виходу.

Входи стробує призначені для фіксації моменту часу, коли виробляється порівняння вхідних сигналів і видача результату порівняння на вихід. Для цього на вхід стробує подається імпульсний сигнал дозволу порівняння. Результати порівняння можуть з'являтися на виході компаратора тільки під час строба або можуть фіксуватися в елементах пам'яті компаратора до приходу чергового імпульсу строба. Таким чином, стробовані компаратори можуть бути без пам'яті і з пам'яттю.

Окрім цього, стробуюче може виконуватися по рівню імпульсу або по його фронту (перепаду рівнів). Для вказівки стробує по фронту на вході стробує зображається напрям перепаду від низького рівня до високого або, навпаки, від високого рівня до низького . Приклад такого позначення стробує приведений на рис. 9.1 в.

Рис. 9.1. - Передавальна характеристика (а) і умовне зображення стробованих компараторів із стробуючим по рівню (б) і по фронту (в)

Рис. 9.2. - Спрощена структурна схема компаратора

Оскільки імпульс строба приходить одночасно з вхідним сигналом, що змінюється, то мінімальна тривалість строба (або його фронту) повинна бути такою, щоб вхідний сигнал встиг пройти через диференціальний каскад, перш ніж спрацює елемент пам'яті. Цей час називають звичайно часом дозволи вибірки. Застосування стробує підвищує перешкодозахисну компаратора, оскільки перешкода може змінити стан виходу тільки у вузький час дозволу вибірки.

Ланцюг зсуву, що підключається до диференціального каскаду, забезпечує отримання оптимальних рівнів струмів в елементах диференціального каскаду і виключає його насичення при великому рівні вхідних сигналів. Окрім цього, пристрій зсуву встановлює також відповідні рівні напруги і струму у вихідному логічному каскаді. Завдяки цьому забезпечується робота компаратора з певним типом логіки - ТТЛ, ЕСЛ або КМОП (див. Лекцію 12). Характеристики аналогових компараторів. Аналогові компаратори описуються набором параметрів, які потрібно враховувати при їх використовуванні. Основні параметри можна розділити на статичні і динамічні. До статичних параметрів відносяться такі, які визначають його стан в сталому режимі:

• порогова чутливість - мінімальний різницевий сигнал, який можна знайти компаратором і зафіксувати на виході як логічний сигнал;

• напруга зсуву е_см - визначає зсув передавальної характеристики компаратора

щодо ідеального положення (див. рис. 9.1 а) (для корекції цього зсуву використовують балансування);

• вхідні струми - струми, що протікають через вхідні висновки компаратора;

• різниця вхідних струмів - струм, що протікає через закороченні входи;

• напруга гістерезису U_г - різниця вхідних напруг, що викликають спрацьовування компаратора при збільшенні або зменшенні вхідної напруги;

• коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу К_осс - відношення синфазного сигналячи U_син до диференціального сигналу U_вх , що викликає спрацьовування компаратора K_осс 20lg(U_син /U_вх );

• вхідний опір - повний вхідний опір для малого різницевого сигналу;

• вихідні логічні рівні - значення напруги U_вих¹ і U_вих⁰ ;

• вихідний струм I_вих - струм, що віддається компаратором в навантаження.

Деякі з перерахованих статичних параметрів компаратора впливають на його сумарну погрішність. До таких параметрів відносяться: напруга змішення e_см нульового рівня і його температурний коефіцієнт de_см /dT , вхідні струми I_вх і їх різниця I_вх , а також напруга гістерезису U_г.

Рис. 9.3. - Передавальна характеристика компаратора без гістерезису (а) і з гістерезисом (б)

Гістерезис компаратора виявляється у тому, що перехід із стану U_вих⁰ у стан U_вих¹ відбувається при вхідній напрузі U_вх1 , а повернення з U_вих¹ у U_вих⁰ - при напрузі U_вх2 . Різниця називається напругою гістерезису. Напруга гістерезису входить в повну погрішність компаратора, якщо U_вх змінює знак. Наявність гістерезису пов'язана з використовуванням в компараторі позитивного зворотного зв'язку, який дозволяє усунути брязкіт U_вих при U_вх . Наявність гістерезису приводить до появи зони невизначеності, усередині якої неможливо встановити значення U_вх .

Основним динамічним параметром компаратора, визначаючим його швидкодію, є час затримки розповсюдження стрибкоподібного вхідного сигналу. Іноді цей час називають часом перемикання компаратора. Цей час відлічують від моменту подачі вхідного сигналу U_вх до моменту, коли вихідний сигнал досягне рівнів U_вих¹ або U_вих⁰ . Час затримки розповсюдження істотно залежить від рівня вхідного диференціального сигналу U_вх . При збільшенні напруги U_вх час затримки розповсюдження зменшується. На рис. 9.4 а показані перехідні характеристики компаратора при різних значеннях рівня вхідного сигналу U_вх 2...20 мВ. З приведеного графіка виходить, що при зміні вхідної напруги на порядок час затримки змінюється приблизно в 2,5 рази. Графік залежності часу затримки

розповсюдження від рівня вхідного сигналу приведений на рис. 9.4 б.

На додаток до перерахованих вище стробовані компаратори характеризуються додатковими параметрами, обумовленими використовуванням імпульсу строба: часом дозволи вибірки і максимальною частотою стробує. Якість стробованих компараторів тим вище, чим менше час дозволу вибірки і чим більше допустима частота стробує.

Класифікація компараторів. Інтегральні мікросхеми компараторів можна розділити по сукупності параметрів на три групи:

• загального застосування (t_зд.р. < 300 нс, Ку < 100 дБ);

• швидкодійні (t_зд.р. <30 нс);

• прецизійні (Ку>100 дБ, есм<З мВ, i_вх ^<10нА).

Крім того, компаратори можна розділити на стробовані і нестробовані, а також з пам'яттю і без пам'яті.

Рис. 9.4. - Перехідні характеристики компаратора напруги (а) і залежність часу затримки розповсюдження від рівня вхідного сигналу (б)

У табл. 9.1 приведені основні параметри двох швидкодійних компараторів із стробуючим. Обидва компаратори містять по три диференціальні каскади, що забезпечує достатньо високу порогову чутливість.

Таблиця 9.1 Основні параметри швидкодійних компараторів

Параметр	Тип компаратора
	КМ597СА 1	КМ597СА2
Вихідні логічні сигнали	ЕСЛ	ТТЛ
Порогова чутливість, мВ	0,25	0,25
Напруга зсуву, мВ	2	2
Температурний коефіцієнт напруги зсуву, мкВ/К.	10	10
Вхідний струм, мкА	10	10
Різниця вхідних струмів, мкА	1	1
Коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу, дБ	80	80
Час затримки розповсюдження, не	6,5	12
Час дозволу вибірки, не	3	6
Максимальна частота стробує, Мгц	125	80
Наявність пам'яті	ні	є

Крім того, вони володіють підвищеною швидкодією в режимі безперервного стробує.

Компаратори загального застосування мають скромніші характеристики в порівнянні з приведеними в табл. 9.1. Проте ці компаратори мають свої переваги - вони споживають меншу потужність, можуть працювати при низькій напрузі живлення і в одному корпусі розташовується до чотирьох компараторів. Так, наприклад, зчетвертування компаратори середньої швидкодії і невеликого струму споживання типів К1401СА1 і К1401СА2 мають час затримки розповсюдження менше З мкс, струм споживання 2 мА, коефіцієнт посилення 90 дБ і напруга зсуву нульового рівня менше 5 мВ.

Багато компараторів загального застосування мають на виході транзистор з відкритим колектором, що дозволяє підключати навантаження цього транзистора до зовнішнього джерела живлення, напруга якого вибирається залежно від типу використовуваної логіки. Схема включення зовнішнього навантаження до виходу компаратора приведена на рис. 9.5 а. Значення опору резистора навантаження вибирають в межах 100... 1000 Ом. Менші опори забезпечують вищу швидкість перемикання.

Прецизійні компаратори відрізняються від компараторів загального застосування рядом поліпшених характеристик. Вони мають підвищений коефіцієнт посилення, меншу порогову напругу перемикання, знижену напругу зсуву нульового рівня і малий вхідний струм. Швидкодія цих компараторів звична не дуже висока, час перемикання звичний менше 300 нс. Як приклад в табл. 9.2 приведені характеристики деяких типів прецизійних компараторів. Найвищі параметри має компаратор СМР-02 фірми Precision Monolithics. Вітчизняний компаратор К554САЗ небагато поступається йому по пороговій чутливості і напрузі зсуву нуля.

Швидкодія цих компараторів практично однакова.

Рис. 9.5. - Підключення навантаження в компараторах з відкритим

колекторним виходом (а) і схема діодного захисту компараторів напруги (б)

Застосування аналогових компараторів напруги. Основні особливості податкових компараторів пов'язані з відсутністю в них частотної корекції і великим коефіцієнтом посилення. На відміну від операційних підсилювачів, в компараторах практично ніколи не застосовують негативний зворотний зв'язок, оскільки вона знижує стабільність їх роботи. Спеціалізовані компаратори напруг мають малі затримки, високу швидкість перемикання, стійкі до великих перемикаючих сигналів.

Для усунення багатократних перемикань у момент порівняння сигналів в компараторах часто використовують позитивний зворотний зв'язок. Позитивний зворотний зв'язок забезпечує надійне перемикання компаратора і усуває брязкіт вихідної напруги у момент порівняння. Проте при введенні позитивного зворотного зв'язку створюється зона невизначеності, обумовлена гістерезисом. Якщо сигнал на вході компаратора змінюється монотонно, то наявність гістерезису не відображається на погрішності компарування.

Таблиця 9.2

Основні параметри прецизійних компараторів

Напруги на входах компаратора через відсутність негативного зворотного зв'язку можуть істотно відрізнятися. Тому для обмеження вхідної напруги на вході компаратора часто встановлюють двосторонній діодний обмежувач, схема якого приведена на рис. 9.5 б.

Швидкодія компаратора істотно залежить від рівня вхідного диференціального сигналу. Із збільшенням вхідного сигналу до певного значення час перемикання зменшується. Проте подальше збільшення вхідного сигналу може привести до насичення компаратора і зниження його швидкодії. У зв'язку з цим в схемі двостороннього обмежувача, приведеного на рис. 9.5 б, рекомендується використовувати діоди Шотки з малим падінням напруги. Рекомендоване значення вхідної напруги указується в довідкових даних на компаратор і звичайно лежить в межах 20...100 мВ.

Відмова від негативного зворотного зв'язку приводить до ще однієї особливості застосування компараторів напруги - зниженню їх вхідного опору і збільшенню вхідного струму. При збільшенні вхідної напруги зверху порогового значення у компараторів може різко збільшитися вхідний струм і знизитися вхідний опір. Відбувається це з двох причин: різке збільшення струму бази транзисторів диференціального каскаду і включення діодів захисту.

Основне застосування компаратори напруги знаходять в пристроях сполучення цифрових і аналогових сигналів. Простим прикладом такого застосування є аналогоцифровий перетворювач паралельного типу, приведений на мал. 9.6. У ньому використані чотири компаратори К1...К4 і резістивний дільник опорної напруги U_oп. При однакових значеннях опорів в резістивному дільнику на інвертуючі входи компараторів подана напруга nU_on/4, де n - порядковий номер компаратора. На неінвертуючі входи компаратора подана напруга U_BX. В результаті порівняння вхідної напруги з опорними напругами на інвертуючих входах компараторів на виходах компараторів утворюється унітарний цифровий код вхідної напруги. За допомогою цифрового перетворювача коду цей код можна перетворити в двійковий.

Рис. 9.6. - Простий аналого-цифровий перетворювач на компараторах напруги

Різні варіанти підключення аналогових компараторів напруги до цифрових логічних мікросхем серії ТТЛ приведені на рис. 9.7. У першій схемі (рис. 9.7 а) вихід компаратора безпосередньо сполучений з входом цифрової мікросхеми ТТЛ. Таку схему можна використовувати при відкритому колекторному виході в компараторі

Д_о.

У другій схемі (рис. 9.7 б) компаратор До управляє комутуючим транзистором Т, який в свою чергу управляє цифровою мікросхемою ТТЛ. Діод D в базі транзистора Т виконує захист бази транзистора від пробою негативною вихідною напругою компаратора.

Третя схема (рис. 9.7 в) показує підключення цифрової мікросхеми до компаратора До через струмообмежувальний резистор R₀. Таку схему краще застосовувати з цифровими мікросхемами серії КМОП.

І, нарешті, в четвертій схемі (рис. 9.7 г) окрім струмообмежувального резистора R₀ є фіксуючий діод D, який відмикається, якщо напруга на вході цифрової мікросхеми підіймається вище 5 В.

Рис. 9.7. - Схеми підключення компараторів напруги до цифрових мікросхем: з

відкритим колектором (а), з комутуючим транзистором (б), з р токоограничувальним резистором (в), з фіксуючим діодом (г)

Для компарування аналогових сигналів можна застосовувати операційні підсилювачі. В цьому випадку для обмеження вихідної напруги в ланцюг

негативного зворотного зв'язку ОУ включають стабілітрон з напругою включення, залежним від типу цифрового логічного елементу. Основними недоліками компараторів на ОУ є: невисока швидкодія і велике число зовнішніх дискретних елементів. Час перемикання таких компараторів звичайно має значення 0,5... 1,0 мкс. Для усунення паразитної генерації використовується зовнішній позитивний зворотний зв'язок, за допомогою якої формується зона гістерезису.