3. Дослідження схем компараторів

Мета роботи - вивчення принципу роботи різних схем аналогових компараторів побудованих на операційних підсилювачах, основних параметрів і характеристик компараторів напруги.

Теоретичні відомості

Компаратори є найпростішими аналого-цифровими перетворювачами. Напруга на їхньому виході встановлюється рівним напрузі логічної „0” або логічної „1” залежно від того, перевищує чи ні вхідна напруга опорну. Реакція компаратора на перевищення вхідним сигналом заданого рівня називається амплітудною дискримінацією або детектуванням рівня.

Точність роботи компаратора характеризується опорною напругою, яку необхідно перевищити, щоб вихідна напруга досягла порога спрацьовування логічної схеми.

Швидкодія компараторів прийнято характеризувати «часом відновлення» . Це проміжок часу від початку порівняння до моменту, коли вихідна напруга досягає порога спрацьовування логічної схеми. При використанні стандартної методики виміру (рис. 1), коли на один вхід подається напруга перевантаження, рівна 100 мВ, а на іншій - перепад напруги тієї ж полярності, але більшої амплітуди, час відраховується з моменту, коли напруга перевантаження й імпульсна напруга зрівняються. Різниця між амплітудами перепаду напруги й сигналу перевантаження називається напругою відновлення. Звичайний час відновлення приводиться для напруги відновлення, рівного 5 мВ.

Час відновлення компараторів можна розбити на дві складові: час затримки й час наростання до граничної напруги спрацьовування логічної схеми. Використовуючи для побудови компаратора звичайні диференційні підсилювачі без ЗЗ, незалежно від швидкодії останніх важко одержати час відновлення менше 1 мкс, причому основною його складовою буде час затримки. Пояснюється це тим, що у режимі перевантаження, нормальному для компаратора, як правило, насичуються транзистори підсилювальних каскадів ОП. Тому після зняття перевантаження потрібний значний час для витрачання накопиченого в базах транзисторів заряду. Це є основною причиною розробки спеціалізованих інтегральних компараторів напруги з часом відновлення менш 100 нс. Однак при порівнянні низькочастотних сигналів з високою точністю (десятки мікровольт) і вимогою мінімальної споживаної потужності використання ОП виявляється кращім.

Рис.1 - Перехідні характеристики компаратора

Нажаль, ОП при звичайному включенні без НЗЗ володіють вельми неприємною властивістю - вони самозбуджуються за близької до нуля різниці вхідних напруг. Тобто, незначна перешкода, що наведена на вхідний ланцюг може викликати перемикання компаратора. Уникати цього недоліку при збереженні швидкості перемикання, дозволяє введення позитивного зворотного зв’язку (ПЗЗ). При такому включенні в схемі виникає гістерезис за порогом. ПЗЗ в даному випадку додає швидкості перемикання за рахунок збільшення коефіцієнта підсилення схеми, а гістерезис запобігає самозбудженню. Інша назва цієї схеми "Тригер Шмітта". Однак при незначній величині співвідношення R2/R3 гістерезис стає достатньо великим, і цей виріб навряд чи буде схожий на тригер.

Найбільш спрощеною є схема компаратора з гістерезисом наведена на рисунку 2.

Рис. 2 Компаратор із гістерезисом

Введення додатного зворотного зв‘язку R2 і R3 досягається отримання петлі гістерезису, при розмикання ЗЗ () отримуємо однопороговий компаратор. Напруга верхнього порога перемикання , напруга нижнього порога перемикання , напруга гістерезису передатної характеристики . Використання опору R4 обумовлене необхідністю зменшення вихідного струму компаратора для стабілізації роботи на реактивне навантаження. Опір R5 зміщує потенціал виходу компаратора та збільшує швидкість переключення у стан логічної „1”.