10. Компараторы напряжения

Компараторами называются устройства, предназначенные для сравнения двух сигналов. Наиболее часто сравнение производится по напряжению. Компараторы выполняют функцию сравнения либо двух входных сигналов, либо одного входного сигнала с некоторым наперед заданным уровнем. При этом на выходе устройства формируются только два значения выходного напряжения: U¹_вых или U⁰_вых в зависимости от того, который из входных сигналов больше другого. Заданный уровень формируется подачей опорного напряжения U_оп на один из входов компаратора. Компаратор изменяет свое состояние в момент времени, когда исследуемый сигнал U_x сравнивается с пороговым напряжением U_пор, которое зависит от величины опорного напряжения U_оп=F(U_пор).

Работу компаратора обычно характеризуют аналитически, в виде неравенств или амплитудной характеристикой.

Н а рис.10.1 приведена схема неинвертирующего компаратора (рис10.1а), его аналитическое выражение (рис.10.1б) и амплитудная характеристика (рис.10.1в).

Н а рис.10.2 приведена схема инвертирующего компаратора (рис10.2а), его аналитическое выражение (рис.10.2б) и амплитудная характеристика (рис.10.2в).

Наибольшее распространение получили устройства, формирующие на выходе либо напряжения противоположной полярности при практически равных абсолютных значениях, либо напряжения одной полярности. Первый случай характерен для использования в качестве компараторов операционного усилителя, второй – при использовании специализированных интегральных схем. Во втором случае напряжения компаратора согласованы по величине и полярности с сигналами, используемыми в цифровой технике.

Поэтому можно сказать, что входной сигнал компаратора носит аналоговый характер, а выходной – цифровой. Компараторы часто выполняют роль элементов связи между аналоговыми и цифровыми устройствами, т.е. выполняют роль простейших аналого-цифровых преобразователей.

Использование ОУ в качестве компаратора основано на высоком коэффициенте усиления К₀ (10⁵—10⁶), поэтому линейный режим имеет место только когда входной дифференциальный сигнал U_д=U_вх⁺–U_вх^¯ не превышает долей милливольта. При достаточно больших значениях входного дифференциального напряжения имеет место режим ограничения выходного напряжения, т.е:

U_вых = U¹_вых ≈ Е_п⁺ при U_д >0 или U⁰ _вых ≈ Е_п^¯ при U_д <0.

Итак, благодаря большому коэффициенту усиления ОУ имеют амплитудную характеристику аналогичную характеристике компаратора.

Н едостатком ОУ при использовании их в качестве компараторов является невысокое быстродействие переключения (из-за сложности схемы и большого числа активных элементов).

В тех случаях, когда требуется высокое быстродействие применяют специализированные схемы компараторов. По структуре они аналогичны ОУ, но имеют более простую схему с меньшим числом активных элементов.

Основные параметры компаратора аналогичны параметрам ОУ, но имеются и специфические: зона неопределенности 2ΔЕ=Е_п/К_оу – это такое изменение исследуемого напряжения вблизи порога срабатывания, при котором компаратор не принимает ни одного из своих стационарных состояний.

Основным динамическим параметром компаратора является время переключения t_п. Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение компаратора достигает противоположного логического уровня. Время переключения замеряется при постоянном опорном напряжении, подаваемом на один из входов компаратора и скачке входного напряжения U_вх, подаваемого на другой вход. Время переключения компаратора t_п можно разбить на две составляющие: время задержки t_з и время нарастания до порога срабатывания логической схемы t_н. Это время зависит от величины превышения U_вх над опорным напряжением (дифференциального напряжения). В справочниках обычно приводится время переключения для значения дифференциального напряжения, равного 5 мВ после скачка.