Лекции / СТКУ_какие_то_лекции

ского контроля, АЦП, ключевых регуляторов, стабилизаторов и т.д.

- компаратор – интегральный ОУ специального назначения, у которого выходные напряжения мгновенно изменяются от максимальных до минимальных значений или обратно при каждом прохождении через нуль разности двух входных напряжений.

12.4.1 Принцип функционирования компаратора

В качестве компаратора на НЧ можно использовать обычный ОУ общего применения без ОС (рис.12-10).

рис.12-10

Опорное напряжение Uоп подается на инвертирующий вход; изменяющееся напряжение U~ - на неинвертирующий. В результате их сравнения на выходе возникают переходы от Uвых min до Uвых max. Если входы поменять местами, то полярность напряжения на выходе изменится.

Недостатки данной схемы - шумы, входные токи, ЭДС смещения нуля, наличие синфазных напряжений и др. вносят ошибки в работу компараторов, сдвигая моменты их переключения в ту или иную сторону. Для защиты входов от больших уровней сигналов на входе устанавливаются встречно-параллельно включенные диоды (ограничители Uвх).

рис.12-11

Для сравнения двух разнополярных сигналов применяется одновходовая схема (рис.11-12):

рис.12-12

R3 = (R1||R2) включено для компенсации ошибки из-за смещения входного тока Iвх. Если R1 = R2 срабатывания происходят при U1 = Uоп. В схеме нет ошибки от синфаз-

ной помехи. Сравнение сигналов любой полярности показано на рис.12-13:

рис.12-13

12.4.2.Включение ПОС в компараторе

Передаточная характеристика инвертирующего компаратора с изменением напряжения от Uвыхmin до +Uвыхmax имеет вид (1) при условии, что Коу = . Реально Коу и характеристика имеет вид (2) с конечным наклоном, что делает Uвых в некотором интервале Uвх промежуточным между max и min (рис.12-14).

рис.12-14

Как правило, это нежелательно. Поэтому на неинвертирующий вход подают ПОС через R1R2, что обеспечивает не плавный, а скачкообразный переход от Uвых min до Uвых

max. Кроме того, возникает переход только при достижении

Uпорог:

На передаточной характеристике появляется замкнутый контур - так называемая петля гестерезиса (рис.12-15).

рис.12-15

Схема получается нечувствительной к шумам, которые вызывают случайные переключения (так называемый «дребезг», аналогичный дребезгу реле). Для увеличения скорости переключения и для увеличения устойчивости работы на ВЧ резистор R2 иногда шунтируют конденсатором С

(10 100pF).

12.4.3.Пороговые уровни компараторов

У современных компараторов Uвыхmin Uвыхmax; их делают стандартными для цифровых устройств уровнями логической единицы (+3,5В) и логического нуля (от –0,5 до

+1,4В), что позволяет их использовать для управления логическими микросхемами. Поэтому пороги Uп нижн и Uп верх могут быть по входу (по Uвх) неодинаковыми и одного знака - рис.12-16:

рис.12-16

12.4.4. Детектор с «окном»

При изменении входного сигнала в одну сторону выходное напряжение изменяется два раза. Схема содержит два компаратора (рис.12-17).

Входное напряжение Uвх подается одновременно и на неинвертирующий вход ОУ1 и на инвертирующий вход ОУ2.

рис.12-17

В выходной цепи открывается тот диод, у которого напряжение на выходе равно Uвых(выс). Т.е. Uвых = 0 при Uоп2 < Uвх < Uоп1 (логический нуль). Такой компаратор называется компаратором «с окном» (рис.12-18).

рис.12-18

Он может быть использован для индикации нахождения какой-либо величины в заданных (Uоп1 Uоп2 ) пределах

(устройства сортировки, контроля), или может быть применен в устройствах считывания цифровых сигналов с запоминающим устройством. Помехи в данной схеме исключаются (Uпомех < Uоп2).

12.4.5.Особенности схемотехники компараторов

Компаратор (ОУ) имеет ДК (иногда два), что обеспечивает нечувствительность к синфазной помехе. Основной параметр - время переключения (или задержка срабатывания) - время между подачей на вход испытательного перепада и моментом достижения на выходе 50% (иногда 90%) предельного уровня. Современные требования для цифровых ИС предполагают скорость переключения несколько десятков наносекунд. Поэтому, для компараторов необходимо такое же быстродействие. Для обычных ОУ такая скорость недостижима. Для них время переключения составляет 20 25мксек (для обычного ОУ с частотнозависимой ООС). При применении ОУ в качестве компараторов ООС не нужна. Скорость срабатывания при этом на порядок возрастает. Для специальных видов компараторов обеспечивается время переключения 300 6 наносекунд.

Для повышения быстродействия применяют меры по предотвращению насыщения транзисторов или ускорения выхода из состояния насыщения. Для этого применяют диоды Шотки (металл – полупроводник), которые менее инерционны.

Транзисторы Шотки (комбинация транзистора с диодом Шотки) имеют время переключения до 3 наносекунд. Иногда кристалл ИС легируют золотом, что уменьшает время жизни неосновных носителей и ускоряет выход транзистора из состояния насыщения.

Особая группа - прецизионные ИС - компараторы, имеющие высокую точность сравнения сигналов. Это достига-

ется повышенным усилением (сотни тысяч) за счет включения дополнительных каскадов. Для уменьшения ошибки за счет высокого Rвх для входного сигнала, они имеют малые токи Iвх, что обеспечивается применением входных транзисторов по схеме эмиттерных повторителей в режиме микротоков. Для устранения ошибки за счет ЭДС смещения Есм применяют ручную балансировку нуля.

Применяют сдвоенные компараторы (т.е. в едином корпусе по два с заранее соединенными выходами, что реализует операцию логического сложения, ИЛИ, но не требует добавления диодов).

Применяют стробирующий вход для блокировки выхода в нужное время (расширяется возможность применения компараторов).

Выводы по теме

1. Генераторы синусоидальных колебаний обычно содержат усилительный каскад, охваченный ПОС, которая обеспечивает устойчивый режим самовозбуждения на заданной частоте.

2. Для обеспечения режима генерации необходимы два условия:

K Koc ≥ 1 - баланс амплитуд;

φ + φос = 2 π n; n - целое число - баланс фаз.

3. Условие K 1 (баланс амплитуд) обеспечивает на-

KOC

растание UВЫХ и при достижении К Кос = 1 наступает установившийся режим генерации. Баланс фаз обеспечивает устойчивую генерацию.

4. Для осуществления колебаний на одной частоте нужны RC – цепочки, для которых баланс фаз обеспечивается только на одной частоте. Этим свойством обладает мост Вина в цепи ПОС.

5.Компаратор (сравнивающее устройство) служит для определения моментов равенства двух напряжений. Они являются составной частью устройств автоматического контроля, АЦП, ключевых регуляторов, стабилизаторов и т.д.

6.Компаратор – интегральный ОУ специального назначения, у которого выходные напряжения мгновенно изменяются от максимальных до минимальных значений или обратно при каждом прохождении через нуль разности двух входных напряжений.

7.В качестве компаратора на НЧ можно использовать обычный ОУ общего применения без ОС (для увеличения скорости срабатывания).

8.Для обеспечения не плавного, а скачкообразного перехода от Uвых min до Uвых max применяют положительную обратную связь.

9.Особая группа - прецизионные ИС компараторы, имеющие высокую точность сравнения сигналов. Это достигается повышенным усилением (сотни тысяч) за счет включения дополнительных каскадов.

Задания и вопросы для самоконтроля по теме

1. Приведите схему RC – генератора на инвертирующем ОУ с трёхзвенным ФВЧ с применением ПОС.

2.Приведите схему генератора с применение моста Вина, АЧХ и ФЧХ его звеньев

3.Приведите схему генератора сигналов прямоугольной формы и принцип его работы.

4. Приведите схему генератора сигналов треугольной формы и принцип его работы.

5.Объясните принцип функционирования компаратора.

6.Приведите схему сравнения двух разнополярных сигналов (одновходовую схему).

7.Приведите схему сравнения сигналов любой полярности.

8.Объясните необходимость и эффект включения ПОС в компараторе.

9.Приведите схему и объясните работу детектора с «окном».

10.Приведите особенности схемотехники компараторов.