Белополский Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи 2010

щейся нерабочей зоной, ограничивает чувствительность СУ величиной γ (рис. 1.7, б), которая входит одной из составляющих в общую чувствительность устройств Uсраб = U + γ.

Рис. 1.7. Передаточные характеристики сравнивающих устройств: а – идеального; б – реального

Основными характеристиками СУ являются:

• чувствительность, определяемая как минимальная разность между сравниваемыми напряжениями Uсраб =Uвх1 −Uвх2 , вызы-

вающая срабатывание СУ при отсутствии помех;

• быстродействие, определяемое интервалом времени tсраб с момента подачи Uсраб до момента установления выходного сигнала с заданной погрешностью;

•диапазон входных сигналов, определяемый разностью между максимальным и минимальным входным сигналом, при которой сохраняется чувствительность схемы;

•помехоустойчивость, определяемая максимальной амплитудой сигнала помехи, при которой сохраняется работоспособность;

•величина логических уровней «0» и «1» выходного сигнала. Большинство схем строятся на основе усилителя с разомкнутой

или замкнутой цепью положительной обратной связи. Соответственно компараторы делятся на схемы нерегенеративного и регене-

ративного типа.

Основой современных изготавливаемых промышленностью СУ является интегральный усилитель постоянного тока с дифференциальным входом. По характеру выполняемых функций нерегенеративные компараторы очень близки к ОУ. Во многих случаях ОУ

11

могут служить в качестве компараторов при ограничении их выходных напряжений на требуемых логических уровнях. Можно использовать как один вход ОУ, так и оба его входа.

Рис. 1.8. Одновходовый компаратор на основе ОУ (а)

иего характеристика переключения (б)

Вданной лабораторной работе используется одновходовый компаратор сигналов (рис. 1.8, а) предназначенный для сравнения разнополярных входных напряжений, причем в момент их равенства по абсолютной величине выходное напряжение ОУ переключается из одного состояния насыщения в другое (рис. 1.8, б). Пока

Uвх1 <Uвх2 выходной сигнал ОУ равен напряжению насыщения Uвых+ . В момент времени t =t0 напряжения Uвх1 и Uвх2 становятся

одинаковыми по абсолютной величине, однако поскольку реальный ОУ имеет зону неопределенности U (см. рис. 1.7, б) и ограниченную чувствительность γ (так как его коэффициент усиления KU ≠ ∞), то компаратор еще не переключается. При t =t1 разность

Uвх1 −Uвх2 достигает величины Uсраб и СУ начинает переклю-

чаться. Изменение выходного напряжения происходит с конечной скоростью, определяемой частотными свойствами ОУ и его коэффициентом усиления. При t =t2 выходной сигнал СУ уже надежно

регистрируется последующими блоками как состояние Uвх1 >Uвх2 , и можно считать, что СУ сработало.

12

Для 10-разрядного АЦП с диапазоном 5 В при логическом уровне 3 В усиление должно быть порядка 600, а величина Uсраб =Uпорт / KU мин = 5 мВ, что одного порядка с величиной на-

пряжения смещения нуля Uсм 0 типичных ОУ.

Чтобы увеличить скорость переключения ОУ, его не охватывают отрицательной обратной связью, поэтому для исключения влияния относительно больших изменений усиления ОУ требуется иметь значения KU , превышающие в несколько раз необходимый

минимум. Современные интегральные ОУ имеют KU > 10000, по-

этому основное ограничение на работу компаратора накладывает напряжение смещения нуля и его температурный дрейф, а также входные токи ОУ, а не величина коэффициента усиления по напряжению.

Еще одним важным параметром компаратора является время восстановления tв после перегрузки. В случае использования ком-

паратора, например, в АЦП поразрядного уравновешивания, он производит ряд последовательных сравнений сигналов различной амплитуды. При этом на вход компаратора может поступать разностный сигнал величиной Uмакс / 2 . Это приводит к сильной пере-

грузке компаратора, поскольку он срабатывает при сигнале Uмакс / 2n. Одновходовый компаратор имеет ограниченное входное

сопротивление, однако позволяет сравнивать большие по амплитуде сигналы без появления ошибок синфазной составляющей Uсинф . Амплитуда сигналов между входами ОУ не должна пре-

вышать допустимого уровня для Uвх. д , однако точность сравнения

сигналов тем лучше, чем больше амплитуда.

Двухвходовый компаратор позволяет сравнивать сигналы одинаковой полярности, уровень которых находится в пределах допустимого для данного ОУ синфазного входного напряжения Uсф. вх. макс . Если ослабление синфазного сигнала мало, то прила-

гаемое синфазное напряжение Uсф. вх вызывает эквивалентное

входное напряжение, приводящее к сдвигу порога переключения СУ. Этот сдвиг в процессе преобразования не остается постоян-

13

ным, поскольку при работе СУ в АЦП величина Uсф. вх. изменяется

после каждого сравнения. Чтобы ошибка при максимальном синфазном напряжении была меньше одного шага квантования, необходимо, чтобы ОУ имел минимальный коэффициент ослабления

синфазных сигналов Kос. сф больше 2n.

Требования, предъявляемые к компаратору по величине коэффициента усиления KU и амплитуде выходного напряжения, как

правило, более низкие, чем для ОУ. В то же время компаратор должен быстро переходить из одного состояния в другое, быстро выходить из режима насыщения (или не иметь его вообще). Поскольку ОУ предназначаются для сохранения линейного отношения между входными и выходными сигналами, они часто имеют времена срабатывания в десятки микросекунд, это слишком большое время для многих применений компараторов.

При работе с цифровыми схемами размах Uвых не превышает

5 В. Поэтому коэффициент усиления порядка 1000 оказывается, как правило, достаточным для того, чтобы при амплитуде сигнала, сравниваемой по величине с напряжением смещения нуля входного каскада, выходной сигнал имел требуемую амплитуду. Следовательно, очень большая величина KU не является необходимой для

компараторов. Далее, поскольку общий коэффициент усиления компаратора сравнительно невелик и он работает при разомкнутой цепи обратной связи, коррекция частотной характеристики не требуется. Поэтому в настоящее время широко выпускаются специальные интегральные схемы компараторов.

Компараторы, выпускаемые в виде монолитных ИС, обычно не содержат выходного порогового устройства и представляют собой усилители постоянного тока с дифференциальными входами, согласованные по выходным уровням с типовыми цифровыми ИС.

В зависимости от точности и динмических параметров интегральные компараторы принято классифицировать на прецизион-

ные ( KU ≥ 10 0000; UCM0 ≤0,5 мВ; Iвх = 0,1−1 нА; tсраб ≈ 200нс),

общего применения ( KU ≥ 2000; UCM0 ≤10 мВ; Iвх =10 −1000 нА; tсраб ≈ 0,02 – 2 мкс), быстродействующие (KU ≥1000; UCM0 ≤10 мВ;

14

Iвх = 2 −5 мкА; tсраб <10 нс) и микромощные ( KU > 100 000;

UCM0 ≤5 нВ; Iвх ≤100 нА; tсраб ≥10 мкс).

резкое изменение выходного сигнала в этот момент. Они относительно просты и обладают высоким быстродействием за счет наличия положительной ОС. В связи с этим их часто используют в быстродействующих АЦП относительно невысокой точности.

гового ключа напряжения и конденсатора. Пользуясь этой схемой, нетрудно определить основные параметры, характеризующие схему выборки-хранения и ее погрешности.

Основными параметрами схемы выборки-хранения в режиме выборки, когда ключ замкнут, являются: время выборки tвыб – ми-

нимальная длительность управляющего сигнала в режиме выборки, при которой погрешность, вызванная переходным процессом в цепи запоминающего конденсатора, не превышает заданной при поочередной выборке минимального и максимального значений входного сигнала; напряжение смещения нуля Uсм0 – выходное

напряжение при выборке нулевого входного сигнала; погрешность коэффициента передачи Kп – отклонение коэффициента переда-

чи схемы от 1, вызываемое, главным образом, наличием сопротивления ключа rвкл во включенном состоянии.

Время выборки в простейшей схеме (см. рис. 1.9) будет зависеть от характеристик источника входного сигнала, в частности от максимального тока, который можно получить от источника. Этот ток

15

должен быть больше фактического зарядного тока конденсатора IC =C (dUвх dt). Если сигнал Uвх поступает от источника на-

δуcт =0,01 %, потребуется время около 9τвыб . Если сигнал снимается с выхода ОУ, как наиболее часто и бывает, то tвыб будет определяться величиной Iвых.макс ОУ, а также его скоростью нараста-

ния.

Наибольшие погрешности возникают при переходе схемы вы- борки-хранения из режима выборки в режим хранения из-за за-

держки, называемой временем выключения tвыкл или апертурным

временем, между моментом подачи команды на размыкание ключа и моментом, когда оно происходит фактически (рис. 1.10). Возникающая при этом погрешность носит название апертурной по-

грешности а .

Задержка при переходе от режима хранения к режиму выборки обычно короче времени выключения.

Основными параметрами схемы выборки-хранения в режиме хранения (рис. 1.11) являются: скорость изменения выходного на-

16

пряжения Vхр =(dUвых dt), определяемая током утечки Iут из-за тока утечки Iвыкл ключа, собственного тока утечки конденсатора Iут.С , сопротивления нагрузки или, если нагрузка подключается

ния tхр.макс – время, при котором выходное напряжение сохраняется с погрешностью δхр , не превышающей заданной величины;

прямое прохождение сигнала, связанное с тем, что из-за межэлектродной емкости ключа небольшая часть входного сигнала будет проходить прямо на выход схемы. Это прямое прохождение сигнала возрастает с увеличением входной частоты, но его влияние можно уменьшить путем увеличения значения хранящей емкости С.

Практические схемы выборки-хранения с запоминающим конденсатором можно реализовать на самых разных электронных элементах. Однако наибольшей универсальности и точности можно добиться при использовании в них интегральных операционных усилителей совместно с аналоговыми ключами напряжения на полевых транзисторах.

Различают схемы выборки-хранения с разомкнутой и замкнутой петлей обратной связи. На рис. 1.12 показана одна из наиболее распространенных схем выборки-хранения разомкнутого типа -схема с двумя повторителями. Повторители на ОУ А1 и А2 разделяют цепи источников сигнала и нагрузки от собственно схемы выборкихранения и тем самым повышают ее стабильность. Максимальное время хранения такой схемы tхр с заданной допустимой погрешно-

стью δхр ограничивается наличием сопротивления утечки конденсатора Rут.C , сопротивления разомкнутого ключа Rвыкл и входного сопротивления усилителя А2 Rвх.ОУ т.е.

17

Принципиальной особенностью интегрирующих схем выборкихранения является необходимость разряда Сдо истинного или условного нуля перед каждым новым этапом выборки.

Одну из разновидностей схем выборки-хранения представляют

амплитудные детекторы с запоминанием, отличающиеся тем, что слежение за амплитудой входного сигнала происходит до момента, когда этот сигнал достигает максимального значения, после чего напряжение на выходе амплитудного детектора автоматически сохраняется на этом максимальном уровне. Простейшая схема амплитудного детектора с запоминанием показана на рис. 1.14. В режиме выборки ключ S1 замкнут, а ключ S2 разомкнут. Ток через диод VD протекает только в одном направлении, так что конденсатор С заряжается.

Когда Uвх ≤Uвых , диод запирается, и на конденсаторе хранится

максимальное значение входного напряжения. В момент размыкания ключа S1 при разомкнутом ключе S2 схема переходит в режим хранения выбранного значения входного напряжения.

Такая простая схема амплитудного детектора обладает рядом недостатков, связанных, главным образом, с нелинейностью характеристики диода, наличием у него остаточного напряжения в проводящем состоянии и его температурной зависимостью. Недостатки схемы в значительной степени устраняются включением в нее ОУ и введением цепи обратной связи, как это показано на рис. 1.15. В этой схеме входное напряжение Uвх сравнивается с помощью

усилителя А с напряжением на конденсаторе Uвых . Разностное на-

пряжение усиливается и используется для заряда С, т.е. заряд конденсатора производится напряжением K (Uвх −Uвых ), что увели-

19

чивает крутизну нарастания Uвых и снижает эквивалентную посто-

янную времени заряда С. Кроме того, в K раз уменьшается влияние нелинейности характеристики диода и ее нестабильности. Однако при использовании ОУ необходимо принять некоторые меры предосторожности. Схему амплитудного детектора надо демпфировать таким образом, чтобы затухание было выше критического, иначе любой выброс колебательного характера на сигнале может быть воспринят как его максимальное значение. Усилитель должен сохранять устойчивость при работе на емкостную нагрузку. Необходимо также принять меры к тому, чтобы предотвратить перегрузку ОУ после фиксации максимального значения сигнала в связи с тем, что при обратном смещении диода, цепь обратной связи прерывается. Для этой цели на выходе ОУ включается небольшое демпфирующее сопротивление Rд .

Если в качестве входного усилителя (см. рис. 1.15) используется интегральный операционный усилитель, обладающий высоким коэффициентом усиления K, то при наличии даже незначительной разности напряжений Uвх −Uвых , он сразу переходит в насыщен-

ное состояние и дальнейший заряд конденсатора С будет производиться постоянным напряжением UмаксОУ . Как только напряжение на

емкости превысит значение Uвх , ОУ перебросится в другое насы-

щенное состояние, диод закроется и заряд С прекратится. На емкости зафиксируется напряжение Uвых =Uвх.макс . В этом случае ОУ

работает как компаратор.

Описание лабораторного

20