6. Компараторы напряжения

Компараторами сигналов называются устройства, предназначен­ные для сравнения между собой по определенным параметрам двух или нескольких сигналов. В соответствии с этим определением ком­параторы напряжения — это устройства, с помощью которых опре­деляют момент равенства двух напряжений (рис. 8.35, а).

Компараторы напряжения условно можно разбить на три группы: компараторы с релейной передаточной характеристикой (рис. 8.35, б); компараторы, у которых выходной сигнал пропорционален разности входных напряжений (рис. 8.35, в); компараторы , имеющие переда­точную характеристику, близкую к релейной, у которых выходной сигнал пропорционален разности входных сигналов только в узкой области вблизи точки их равенства (рис. 8.35, г).

В электронных устройствах в основном применяют компараторы только первой и третьей групп, так как компараторы второй группы не в состоянии обеспечить требуемую точность.

В компараторах с релейной передаточной характеристикой имеется цепь положительной ОС. Их выполняют на основе или триггеров Шмитта, или формирователей напряжения на ОУ. Характерной осо­бенностью таких компараторов является наличие гистерезиса между уровнями срабатывания. Это в ряде случаев играет положительную роль, так как после изменения выходного сигнала компаратора шумы, имеющиеся на его входе, значения которых меньше напряжения, ха­рактеризующего ширину петли гистерезиса, не меняют его состояния. За счет этого повышается помехоустойчивость устройств, в состав ко­торых входят компараторы напряжения, и устраняется неоднознач­ность выходного сигнала, вызывающая их неустойчивую работу.

Однако существование гистерезиса приводит к невозможности однозначного определения момента равенства двух сигналов и воз­никновению зоны неопределенности, ширина которой равна ширине петли гистерезиса. Точность сравнения повышается по мере увеличе­ния уровней сравниваемых сигналов, так как при этом уменьшается отношение ширины зоны неопределенности к сравниваемому напря­жению

.

К

Рис. £.35. Диаграмма для сравнения напряжений, пода­ваемых на вход компаратора (а); выходной сигнал компа­раторов с релейной (б), про­порциональной (в) и нелиней­ной (г) передаточными харак­теристиками

омпараторы напряжения с нелинейной передаточной характери­стикой выполняют на основе дифференциальных усилительных кас­кадов. В настоящее время в компараторах широко используют ОУ, имеющие высокий коэффициент усиления, а также специальные ин­тегральные усилители, выполненные на основе дифференциальных усилитель­ных каскадов.

В компараторах напряжения на ОУ (рис. 8.36, а, в) ОУ обычно не охвачен цепью ОС. Это позволят увеличить ско­рость перехода. из одного состояния в другое и повысить точность сравнения. В зависимости оттого, на какие входы ОУ подают сравниваемые напряжения, сигналы должны иметь или разную (рис. 8.36, а), или одинаковую поляр­ность (рис. 8.36, б).

При подаче разнополярных напряже­ний на один вход ОУ его дифферен­циальный входной сигнал

Ди = и_г — и_а.

Если | Ди | > | Uw _гаа Д |, где t/вых max я К — максимальное выходное напряжение по отрицательной полярно­сти и коэффициент усиления ОУ, то ОУ находится в насыщении и выходной сиг­нал его равен {Дихтах (при Ди > 0). При 1 Ди I < I U^x mdK\ и | Ди I < | &ми max/^l, ОУ находится в активной области и выходной сигнал его и_вых = = -^Дu.

Если I Ди| > | (/^яхтах/К! , ОУ ВХО­ДИТ в область насыщения по положи­тельной полярности и его выходной сигнал равен W_HxmK.

Так как в большинстве случаев вход компараторов подключен к входу уст­ройств, реагирующих на определенные

дискретные уровни, например (/^_хтах и f/^xmax, то зону неопреде­ленности, определяемую как

л» тая | +1 ^вах max I

^^неоар >

стремятся уменьшить за счет использования ОУ с высоким коэффи­циентом усиления ZG Так, в типичном случае при выходном напря­жении ОУ 10 В по обеим полярностям и ^ = 10⁴ Д«_яеопр « 2 мВ. Если нагрузочные устройства срабатывают при напряжениях, мень-

ших У_ВЫ1П1а1, то зона неопределенности соответственно умень­шается.

Аналогично работает компаратор, показанный на рис. 8.36, б. В отличие от предыдущего компаратора он имеет более высокое вход­ное сопротивление вблизи точки равенства сравниваемых сигналов и позволяет сравнивать напряжения одинаковой полярности. Такой компаратор работает со значительным синфазным сигналом, что вы­зывает появление дополнительных погрешностей. Поэтому точность двухвходового компаратора меньше, чем одновходового.

Рис. 8.36. Схемы компараторов для сравнения по модулю разнополярных (а) и однополярных (6) напряжений; сигнал на входе (а) и выходе компаратора при малой (г) и большой (д) скоростях изменения входных сигналов; интегральный компаратор со стробированием (е)

Для согласования его с логическими элементами на выходе вклю­чено устройство, нормирующее уровни выходного сигнала. Оно со­стоит из источника опорного напряжения Е_оп, диодов Д₃, Д^ и резис­торов R_u R₂. При отрицательном напряжении на выходе ОУ диоды заперты и выходное напряжение компаратора близко к нулю. Как только выходное напряжение ОУ превысит контактную разность по­тенциалов диода Д_а, он откроется и выходное напряжение й_ВЫ1 нач­нет повышаться. В момент, когда и_вых превысит напряжение Доп. диод Д_i откроется и выходное напряжение ограничится на уровне, приблизительно равном £_оп. При дальнейшем увеличении напряже­ния ОУ все приращение напряжения падает на балластном резис­торе R_x.В реальных компараторах напряжение срабатывания обычно не совпадает с теоретически рассчитанным и зависит от температуры. Причиной этого является наличие у ОУ входных токов, напряжения смещения нуля, конечного значения входного сопротивления и тем­пературной зависимости коэффициента усиления. Все это вносит по- i решности в результаты сравнения.

При работе с быстро меняющимися сигналами существенную роль играет задержка в переключении компаратора /₈ (рис. 8.36, д), которая определяется временем перезарядки паразитных емкостей схемы ОУ. Для ОУ, выпускаемых промышленностью, /₈ < 34-5 мкс.

Интегральные компараторы, входящие в состав отдельных серий ИМС, представляют собой специализированные ОУ с дифференциаль­ным входом и одиночными или парафазными выходами (имеется вто­рой выход с инверсным сигналом). Входной каскад у них обычно ра­ботает в линейном режиме. На выходе формируется сигнал кода «1» или «О» в зависимости от разности входных напряжений. Это позво­ляет непосредственно к их выходам подключать цифровые интеграль­ные микросхемы соответствующих серий.

В ряде интегральных компараторов имеется дополнительный вы­вод, на который подается управляющий (стробирующий) импульс ^стр (рис. 8.36, е). При отсутствии стробирующего импульса компа­ратор не реагирует на входные сигналы. Непосредственно после вклю­чения строба компаратор готов к работе. Такое решение позволяет резко повысить помехозащищенность всей системы, так как ком­паратор включается только в те моменты, когда на его входы пода­ны входные сигналы. При отсутствии и_вх сигналы помех, имеющиеся на его входах, не меняют выходного сигнала.

Время задержки включения /₈ в интегральных компараторах на­ходится в интервале 10—200 нс. Выходная мощность обычно доста­точна для подключения десяти ТТЛ. Коэффициент усиления дости­гает 2 • 10\

Таблица 8.5

Параметр	521СА1	521СА2	521GA3
Коэффициент усиления К	75103	75-10*	2 10s
Средний входной ток /Вх. мкА Разность входных токов	75	75	0,1
	10	ю ;	0,01
Д/вк, мкА Напряжение смещения нуля,	3,5	-5,0	3,0
мВ Коэффициент ослабления	70	70
синфазного сигнала Коо.сф, дБ Напряжение «1», В Напряжение «0», В	2,5-6,0	2,0—4,0
	-1,0-0	— 1,0—0
Время задержки включения	135	160	200
^з, нс Ток стробирования /стр» мА	2,5
444

Наиболее распространенными интегральными компараторами яв­ляются 521СА1, 521СА2, 521САЗ, основные параметры которых при­ведены в табл. 8.5.

Компараторы напряжения применяют в' преобразователях аналог— код, в устройствах допускового контроля, в системах автоматического слежения или уравновешивания по какому-либо параметру, в авто­генераторах различного назначения.

Глава девятая