Lektsionnye_materialy_osen_2013 (1) / 44 Компараторы сигналов

44 Компараторы сигналов

Компараторами (от английского слова comparison – сравнение ) называют устройства, выполняющие функцию сравнения двух сигналов. С их помощью фиксируются моменты равенства сравниваемых сигналов. Компараторы находят широкое применение в системах преобразования аналоговых сигналов в цифровые, в ключевых регуляторах и стабилизаторах напряжения, в пороговых устройствах и в ряде других схем, где требуется определять моменты равенства двух сигналов. В идеальном компараторе его выходное напряжение U_вых может принимать только два значения, одно из которых соответствует уровню логической единицы U₍₁₎, а другое – логического нуля U₍₀₎, при этом работа компаратора осуществляется в соответствии со следующими правилами:

- если u₁(t) > u₂(t), т. е. u₁(t) – u₂(t) > 0, то U_вых = U₍₁₎;

- если u₁(t) < u₂(t), т. е. u₁(t) – u₂(t) < 0, то U_вых = U₍₀₎;

- если u₁(t) = u₂(t), т. е. u₁(t) – u₂(t) = 0, то компаратор находится в так называемом состоянии переключения, где u₁(t) и u₂(t) – сравниваемые сигналы. Сквозная передаточная характеристика устройства, работа которого отвечает указанным правилам, приведена на рисунке 1 (эпюра 1).

Рисунок 1. СПХ компаратора

Наиболее часто в схемах компараторов в качестве их основного функционального звена используют ОУ без цепи ООС. При таком построении схемы он обладает высоким значением коэффициента усиления К_ОУ = К_д относительно напряжения u_д = u₁ – u₂. Вследствие этого его СПХ подобна характеристике идеального компаратора, за исключением области, относящейся к малым значениям напряжения u_д (эпюра 2 на рисунке 1), когда u_д  2Е_п / К_д. В этой области компаратор работает в линейном (усилительном) режиме, в результате чего состоянию переключения компаратора на ОУ соответствует целая область значений разностного напряжения протяженностью 2Е_п / К_д. Учитывая, что реальные ОУ обладают очень высоким значением К_д, рассмотренным отличием СПХ компаратора на ОУ от СПХ идеального компаратора обычно пренебрегают. Более существенным источником отличия работы схемы компаратора на ОУ от желаемой является ненулевое значение напряжения U_ошвх, сдвигающего точку переключения компаратора относительно нуля на величину этого напряжения ошибки (эпюра 3 на рисунке 1).

На рисунке 2 приведены схемы так называемых одновходовых компараторов на ОУ, при этом схема на рисунке 2а соответствует неинвертирующему варианту, а схема на рисунке 2б – инвертирующему. В этих схемах переключение компаратора происходит при выполнении условия u₂(t) = – u₁(t) R₂ / R₁, а в случае R₁ = R₂, – когда u₂(t) = – u₁(t) (когда сравниваемые напряжения равны по величине и противоположны по знаку). Из приведенных для данных схем соотношений следует, что они способны осуществлять сравнение лишь разнополярных сигналов.

Рисунок 2. Схемы компараторов на ОУ

Для защиты ОУ от возможного непосредственного воздействия сигналов большого уровня параллельно его входным зажимам иногда включают два диода, которые совместно с резисторами R₁, R₂ образуют простейший амплитудный ограничитель.

Свойством сравнения сигналов любой полярности обладает схема компаратора на рисунке 2в, в которой сравниваемые сигналы поступают на разные входы ОУ. На рисунке 3 приведены эпюры, отвечающие частным случаям применения этой схемы в некоторых типовых устройствах принятия решения. Схема на рисунке 3а является устройством сравнения двух переменных сигналов. Она вырабатывает сигналы переключения в моменты, когда разность сигналов u₂(t) – u₁(t) изменяет знак разности на противоположный. Схема на рисунке 3б называется пороговым устройством. С ее помощью регистрируют моменты времени, когда мгновенные значения переменного сигнала u(t) превышают пороговое напряжение U_пор. Схема на рисунке 3в применяется как детектор нулевого уровня. С ее помощью выявляют моменты времени, в которые сигнальное напряжение u(t) имеет нулевое значение. Эту схему часто называют «ноль-органом».

Рисунок 3. Диаграммы частных применений компараторов

В ряде случаев в схему компаратора на ОУ вводят цепь положительной обратной связи. Пример схемы такого типа приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Использование положительной ОС

Схема организована на основе одновходового инвертирующего компаратора (рисунок 1б), используемого в качестве ноль-органа. Введение в схему компаратора ПОС способствует ускорению процесса переключения, повышает помехоустойчивость компаратора, под которой понимается его нечувствительность к внешним помехам и случайным воздействиям (в том числе и к воздействию собственного шумового напряжения). Но такая обратная связь смещает на СПХ положение точки переключения на величину U = U_вых R₃ / (R₃ + R₄), делает зависимым положения этой точки от предшествующего состояния компаратора. Вследствие последних обстоятельств компараторы с ПОС иногда называют компараторами с защелкиванием или компараторами с регенерацией. В компараторе-защелке для его возвращения после переключения в исходное состояние требуется дополнительное различие в сравниваемых сигналах, равное 2ΔU, что делает СПХ компаратора подобной петле гистерезиса (рисунок 5). Эпюры сигнальных напряжений для компаратора такого типа приведены на рисунке 6.

Рисунок 5. Передаточная характеристика компаратора с ПОС

Рисунок 6. Временная диаграмма работы компаратора с ПОС

Для характеристики свойств компараторов, помимо типовых для ОУ параметров, используется ряд специфических. К таким специфическим параметрам прежде всего относится время задержки переключения t_зад – время от момента подачи на вход компаратора испытательного перепада напряжения до момента, когда выходное напряжение компаратора в процессе своего установления достигнет определенного уровня (обычно 50%) по отношению к своему установившемуся значению.

В компараторах могут быть использованы, как типовые ОУ, так и ОУ специальной разработки. Последние имеют по сравнению с первыми ряд особенностей в схемном построении. Для повышения быстродействия в специализированных ОУ-компараторах реализованы мероприятия по предотвращению глубокого насыщения транзисторов, ускоренному их выходу из состояния насыщения. Обычно реализация этих мер достигается за счет шунтирования переходов коллектор-база обратно смещенными (при отсутствии насыщения) диодами Шотки. Эти диоды имеют напряжение открывания (порядка 0,3 В) существенно меньшее, чем напряжение открывания (порядка 0,7 В) в типовом кремниевом транзисторе. В результате этого базо-коллекторные переходы транзисторов в компараторе, зашунтированные диодами Шоттки, оказываются закрытым даже при относительно больших сигнальных напряжениях.

Особую группу составляют так называемые стробируемые компараторы. Эти компараторы осуществляют сравнение сигналов только в моменты прихода переднего фронт специального управляющего (стробирующего) импульса. При этом результат сравнения остается неизменным (запомненным) до момента прихода переднего фронта следующего стробирующего импульса.