4.2. Схемотехника компараторов

Преобразование аналоговых величин в дискретные (квантование по амплитуде) является нелинейным и для его выполнения требуются нелинейные элементы. Таким нелинейным элементов является компаратор. Компаратор является одной из наиболее распространенных схем. Это пороговый элемент, позволяющий сравнивать аналоговые сигналы.

Условное обозначение компаратора приведено на рис. 4.3,а.

Рис. 4.3. Условное обозначение компаратора (а) и его передаточная

характеристика: идеальная (б); реальная (в); с гистерезисом (г)

У компаратора аналоговые входные сигналы V_i1 и V_i2 и двоичный выход V₀. Последний может быть несимметричным (однополярным) – принимающим значения 0 и 1, и симметричный (биполярным) – принимающим значения -1 и +1.

Передаточная характеристика идеального однополярного дифференциального компаратора имеет вид, приведенный на рис. 4.3,б, и определяется соотношением:

(4.18)

Как следует из (4.18) при положительном входном сигнале V_i = V_i1 – V_i2 на выходе компаратора высокий уровень – логическая единица, а при низком – логический ноль. Один из сигналов может быть постоянным V_R, задающим порог включения компаратора. При V_i1 = V_R и V_i2 = V_i компаратор – инвертирующий с порогом переключения V_R.

В простейшем случае в качестве компаратора можно использовать операционный усилитель. У реального компаратора на основе операционного усилителя с конечной величиной коэффициента усиления передаточная характеристика отличается от идеальной. Для неинвертирующего компаратора с V_R = 0 она примет вид, представленный на рис. 4.3, в, и описывается соотношением:

(4.19)

где: А – коэффициент усиления компаратора, V_S0 – смещение компаратора.

Наличие линейного участка у передаточной характеристики компаратора может привести к нежелательным переключениям компаратора при входных напряжениях близких к пороговому. Для исключения этого в компараторе либо используют (слабую) положительную обратную связь, приводящую к гистерезису передаточной характеристики, рис. 4.3.,г, либо в его состав вводят дополнительные элементы, исключающие (уменьшающие) переходную область.

Смещение нуля сдвигает порог включения компаратора и в конечном итоге снижает точность работы аналого-цифровых схем. Оно обусловлено технологическим разбросом параметров МОП транзисторов и достигает нескольких мВ, что совершенно недопустимо в прецизионных аналогово-цифровых схемах. Поэтому в большинстве случаев используют специальные методы компенсации смещения нуля. С их помощью удается уменьшить его с единиц мВ, до десятков мкВ.

Структура компаратора зависит от его назначения. Рассмотрим поведение различных компараторов при подаче на их вход переменного сигнала с шумом (последний может быть и шумом самого компаратора), рис. 4.4,а. Идеальный компаратор при отсутствии шумов формирует выходной сигнал (рис. 4.4,б).

Рис. 4.4. Реакция компаратора на входной сигнал (а):

б – идеального; в – реального; г – многокаскадного; д – со статическим триггером; е – с тактируемой защелкой.

При недостаточно высоком коэффициенте усиления (протяженной переходной областью) переключение компаратора будет растянуто по времени, рис. 4.4, в, что может нарушить работу последующих цифровых схем. Для повышения коэффициента усиления целесообразно использовать каскадирование усилителей. Однако и в этом случае переключении компаратора может быть затянуто. Так при наличии шумов возможно многократное изменение выходного сигнала, рис. 4.4, г. Для улучшения переключения компаратора входной усилитель объединяют с регенеративной схемой (схемой с положительной обратной связью). В качестве такой схемы может быть статический триггер (рис. 4.4, д) или динамический триггер – защелка (однотактный стробируемый триггер) (рис. 4.4, е). Первый вариант приводит к асинхронной работе – момент переключения зависит от случайных факторов. Второй вариант требует специальных тактовых импульсов (рис. 4.4, ж) и вызывает задержку переключения до очередного такта.

На параметры компаратора накладываются достаточно жесткие требования, поскольку во многих случаях точность его работы определяет точность всей системы.

Основные параметры компаратора:

разрешение (усиление);

точность (смещение нуля);

входной диапазон;

подавление синфазной помехи;

быстродействие (время включения и время восстановления);

потребляемая мощность;

площадь.

Разрешение компаратора зависит от его коэффициента усиления и при диапазоне выходного напряжения V_0H – V_0L составляет (V_0H – V_0L)/A. Однако слабые входные сигналы на входе линейных каскадов могут ограничивать быстродействие компаратора.

Пусть ко входу компаратора на усилителе с однополюсной частотной характеристикой (рис. 4.5, а) приложен перепад входного напряжения V_i.

Рис. 4.5. Эквивалентные схемы компараторов: а – на основе усилителя;

б – регенеративного

Выходное напряжение при t << RC нарастает как

(4.20)

т.е. выходное напряжение линейно зависит от входного и при малых V_i процесс переключения сильно затянется, время переключения линейно нарастает с уменьшением входного сигнала.

Скорость нарастания можно увеличить, если использовать каскадирование n усилителей. В этом случае выходное напряжение нарастает как

(4.21),

и существует оптимальное количество каскадов, при котором время переключения минимально.

В компараторах с положительной обратной связью (регенеративных компараторах) – например, на стробируемом триггере (рис. 4.5, б) зависимость выходного напряжения от времени нелинейна. При первона­чальном разбалансе плеч триггера V₀(0), изменение напряжения V₀(t) между плечами триггера происходит как

(4.22)

т.е. выходное напряжение нарастает экспоненциально, а зависимость вре­мени включения от входного сигнала логарифмическая. Поэтому для по­лучения высокой чувствительности и высокого быстродействия компара­тора их делают составными. Вначале слабые сигналы предварительно усиливают, а достаточно большие сигналы подают на регенеративный компаратор.