dsd13-gos / dsd-17=dacs and adcs / 05. Компараторы

Лекция 5. Компараторы.

Одним из основных элементов АЦП является компаратор. Компаратор (устройство сравнения аналоговых сигналов) предназначен для выполнения функции сравнения либо двух входных сигналов между собой, либо одного входного сигнала с заданным постоянным уровнем. При этом на выходе формируются два значения выходного сигнала (обычно цифровых).

Устройства сравнения могут быть построены как на основе операционных усилителей, так и выполнены в виде специальных схем компараторов. Различают однопороговые (рис. 5.1) и гистерезисные (регенеративные) (рис. 5.2 – 5.4) схемы сравнения. При этом под смещением нуля в однопороговых схемах понимают смещение точки переключения на передаточной характеристике от эталонного напряжения, а в гистерезисных схемах – смещение средней точки области гистерезиса. Помимо этого существует погрешность выставления ширины гистерезиса для регенеративных схем.

Рис. 5.1. Однопороговая схема сравнения: а – на основе ОУ; б – передаточная характеристика

Рис.5.2. Регенеративная схема сравнения: а – на основе ОУ; б – передаточная характеристика

Напряжения срабатывания и отпускания для регенеративных схем рассчитываются по формулам

Рис. 5.3. Регенеративная схема сравнения с асимметричным гистерезисом: а – на основе ОУ; б – передаточная характеристика

Рис. 5.4. Регенеративная схема сравнения со смещенным гистерезисом: а – на основе ОУ; б – передаточная характеристика

Приведенные выше схемы сравнения с гистерезисом на основе ОУ в равной степени пригодны для построения на основе специальных схем компараторов.

Структурная схема типового компаратора приведена на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Структурная схема типового компаратора

На рис. 5.6 – 5.9 приведены варианты построения предусилителей. Сигналом выхода предусилителя может быть либо ток либо напряжение, что определяется конструкцией входа последующей схемы принятия решения. Предусилители с использованием переключаемых конденсаторов применяются в схемах, требующих минимального напряжения смещения нуля.

Рис. 5.6. Примеры предусилителей с токовым выходом на основе дифференциальных пар: а – простой на основе nМОП транзисторов; б – с токовым зеркалом; в – простой на основе pМОП транзисторов; г – с токовым зеркалом

Рис. 5.7. Примеры предусилителей с выходом по напряжению: а – на основе nМОП транзисторов; б – на основе pМОП транзисторов

Рис. 5.8. Пример дифференциального предусилителя на ПК

Рис. 5.9. Пример предусилителя на ПК и инверторе

Схемы принятия решения в компараторах, как правило, строятся на основе регенеративных защелок (рис.5.10 – 5.13). Тем самым достигается наличие встроенного гистерезиса либо существенно увеличивается внутренний коэффициент усиления.

Для схемы на рис. 5.10, а величина гистерезиса приведенного ко входу компаратора может быть оценена по формуле

где I₀ и g – ток смещения и крутизна предусилителя. При этом условие появления гистерезиса

.

Тактируемые схемы принятия решения позволяют существенно увеличить быстродействие компаратора без существенного увеличения среднего тока потребления.

Рис. 5.10. Схемы принятия решения с токовым входом для компаратора непрерывного действия со встроенным гистерезисом: а – на основе nМОП транзисторов; б – на основе pМОП транзисторов

Рис. 5.11. Схемы принятия решения с токовым входом для стробируемого компаратора: а – на основе nМОП транзисторов; б – на основе pМОП транзисторов

Рис. 5.12. Примеры схем принятия решения для стробируемых компараторов:

а – с nМОП входами по напряжению; б – с pМОП входами по напряжению

Рис. 5.13. Динамическая схема принятия решения