Аналоговые компараторы

«Аналоговые компараторы»

Компаратор - это сравнивающее устройство. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения непрерывно изменяющихся сигналов. Входные аналоговые сигналы компаратора суть Uвх - анализируемый сигнал и Uоп - опорный сигнал сравнения, а выходной Uвых - дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации:

1. Устройство и принцип действия аналоговых компараторов напряжения

Компараторами напряжений называют  интегральные микросхемы, предназначенные для  сравнения двух  напряжений и выдачи результата сравнения в логической  форме: больше или меньше. По сути дела, компаратор чувствителен к полярности  напряжения, приложенного между его сигнальными входами. Напряжение на выходе будет иметь высокий  уровень U1вых  всякий раз, когда разность напряжений между не инвертирующим и инвертирующим сигнальными входами   положительна  и, наоборот,   когда  разностное напряжение  отрицательно, то выходное напряжение компаратора  соответствует логическому нулю Uвых . Это правило записывается следующим образом: 

  Uвых =

(1)

                                         U1вых     при U вх+ > U вх - , или ∆ U вх > 0,

                                            U0вых     при U вх+ < U вх - , или ∆ U вх < 0,

 

 Как видно из обозначения, компаратор напряжения помимо основных сигнальных входов может иметь служебные входы различного назначения:  стробирования,  балансировки, согласования уровней и др.            

Упрощенная  структурная  схема   компаратора  .Она  состоит  из  входного  дифференциального  каскада  ДК,  устройства  смещения  уровней  и  выходной  логики.  Входной   дифференциальный   каскад  формирует  и  обеспечивает  основное  усиление  разностного  сигнала.  Помимо  этого,  он  позволяет  осуществлять  балансировку  выхода  при  помощи  внешнего  подстроечного  резистора  и  позволяет    скорректировать  напряжение  смещения  нулевого  уровня  в  пределах  до  1...2 мВ,  возникающее  в  дифференциальном  каскаде.  С  помощью  балансировки  можно  также  установить  предпочтительное  начальное  состояние  выхода.

Входы  стробирования  предназначены  для  фиксации  момента времени,  когда  производится  сравнение  входных  сигналов  и  выдача  результата  сравнения  на  выход.

 

 

 

Для   этого   на   вход   стробирования   подается   и   импульсивный   сигнал   разрешения

сравнения.  Результаты  сравнения  могут  появляться  на  выходе  компаратора  только  во  время  строба  или  могут  фиксироваться    в   элементах   памяти     компаратора    до    прихода      очередного импульса  строба. Таким  образом,  стробируемые  компараторы  могут  быть  без  памяти  и  с  памятью.  Кроме  этого,   стробирование    может  выполняться  по  уровню   импульса  или  по  его  фронту  (перепаду  уровней).  Для  указания  стробирования  по  фронту  на  выходе  стробирования  изображается  направление  перепада  от  низкого   уровня  к  высокому  __  ¯¯     или,   наоборот,   от 

высокого  уровня  к  низкому          

 

Поскольку импульс строба приходит одновременно с изменяющимся входным сигналом,  то минимальная длительность строба (или его фронта) должна быть такой, чтобы входной сигнал  успел пройти через дифференциальный каскад, прежде чем сработает ячейка памяти. Это время называют обычно временем разрешения выборки. Применение  стробирования повышает  помехозащищенность компаратора, так как помеха может изменить состояние выхода только в узкое время разрешения выборки.

Цепь смещения, подключаемая к  дифференциальному  каскаду, обеспечивает получение оптимальных уровней токов в элементах дифференциального  каскада и исключает его насыщение при большом уровне входных сигналов. Кроме этого, устройство смещения устанавливает также соответствующие уровни напряжения и тока в выходном логическом каскаде. Благодаря этому обеспечивается работа компаратора с определенным типом логики- ТТЛ(транзисторно-транзисторная логика), ЭСЛ(эмиттерно-связанная логика) или КМОП( взаимодополняющая металл-оксид-полупроводник  логика).

 

2. Характеристики аналоговых компараторов

 

Аналоговые компараторы описываются набором параметров, которые нужно учитывать при их использовании. Основные параметры можно разделить на статические и   динамические. К  статическим  параметрам  относятся  такие,  которые определяют его

 

состояние в установившемся режиме:

• пороговая чувствительность – минимальный разностный сигнал, который можно обнаружить компаратором и зафиксировать на выходе как логический сигнал;
• напряжение смещения есм – определяет смещение передаточной характеристики компаратора относительно идеального положения (см. рис.1а) (для коррекции этого смещения используют балансировку)
• выходные токи I+вх и  I-вх  -  токи,  протекающие через входные выводы компаратора;
• разность входных токов Δ Iвх = I+вх  -   I-вх – ток, протекающий через закороченные входы;
• напряжение гистерезиса Uг – разность входных напряжений, вызывающих срабатывание компаратора при увеличении или уменьшении входного напряжения;
• коэффициент ослабления синфазного сигнала Косс – отношение синфазного сигнала Uсин к дифференциальному сигналу ΔUвх , вызывающему срабатывание компаратора Косс = 20lg(Uсин /ΔUвх );
• входное сопротивление – полное входное сопротивление для малого разностного
• сигнала;
• входные логические уровни – значение напряжения U1вых и U0вых;
• выходной ток Iвых -  ток, отдаваемый компаратором в нагрузку.

     Некоторые из перечисленных параметров компараторов влияют на его суммарную погрешность. К  таким параметрам относятся: напряжение смещения есм   нулевого уровня и его температурный коэффициент  dе/dТ, входные токи Iвх и их разность  Δ Iвх, а также напряжение гистерезиса Uг .

 

          

Гистерезис компаратора проявляется в том, что переход из состояния U0вых  в  состояние U1вых  происходит при входном напряжении ΔUвх 1 , а возвращение из U1вых  в U0вых - при напряжении ΔUвх 2 .  Разность  ΔUвх 1 - ΔUвх 2 = Uг  называется напряжением гистерезиса. Напряжение  гистерезиса входит в полную погрешность компаратора, если ΔUвх    изменяет знак. Наличие гистерезиса связано с использованием в компараторе положительной обратной связи, которая позволяет устранить дребезг Uвых при ΔUвх  =0. наличие гистерезиса приводит к появлению зоны неопределенности, внутри которой невозможно установить значение ΔUвх  .

     Основным динамическим параметром  компаратора, определяющим его быстродействие, является время задержки распространения скачкообразного входного сигнала. Иногда это время называют временем переключения компаратора. Это  время отсчитывают от момента подачи входного сигнала ΔUвх  до момента, когда выходной сигнал достигнет уровней   U1вых    или U0вых  . Время  задержки распространения существенно зависит от уровня входного дифференциального сигнала ΔUвх .  При  увеличении напряжения ΔUвх  время задержки распространения уменьшается. При изменении входного     напряжения  на  порядок  время   задержки  изменяется  примерно  в  2,5 раза.

 

 

 

  В дополнение к перечисленным выше стробируемые компараторы  характеризуются дополнительными параметрами, обусловленные использованием импульсного строба: временем разрешения выборки и максимальной частотой стробирования.  Качество  стробируемых компараторов тем выше, чем  чем меньше время разрешения выборки и чем больше допустимая частота стробирования.

 

3. Классификация  компараторов

Интегральные  микросхемы  компараторов можно  разделить по совокупности параметров   на   три    группы:    общего   применения     (tзд.р.< 300нс,        Ку <   100 дБ);

быстродействующие ( tзд.р. < 30 нс);     прецизионные ( Ку >100 дБ,   есм< 3мВ, Δiвх < 10нА).

Кроме того, компараторы можно разделить на стробируемые и нестробируемые, а также с памятью и без памяти.

 

Основные параметры быстродействующих компараторов

 

 Оба  компаратора содержат  по три дифференциальных

каскада, что обеспечивает достаточно высокую пороговую чувствительность. Кроме того,  они обладают повышенным быстродействием в режиме непрерывного стробирования.

Компараторы  общего применения  имеют более скромные характеристики .  Однако  эти компараторы имеют  свои преимущества – они потребляют меньшую мощность,могут работать при низком напряжении питания  и в одном корпусе располагается до четырех компараторов. Так, например, счетверенные компараторы  среднего действия и небольшого тока потребления типов К1401СА1 и К1401СА2  имеют время задержки распространения меньше 3 мкс, ток потребления 2мА, коэффициент усиления 90 дБ  и напряжение смещения нулевого уровня меньше 5мВ.

Многие компараторы общего применения имеют на выходе  транзистор с открытым коллектором,  что позволяет подключать нагрузку этого транзистора к внешнему источнику питания, напряжение которого выбирается в зависимости от типа используемой логики. Значение  сопротивления нагрузочного резистора выбирают в пределах 100...1000 Ом. Меньшие сопротивления обеспечивают более высокую скорость переключения.

 

Прецизионные компараторы отличаются от компараторов общего применения рядом улучшенных характеристик. Они имеют повышенный коэффициент усиления,  меньшее пороговое напряжение переключения, пониженное напряжение смещения нулевого уровня и малый входной ток. Быстродействие этих компараторов обычно не очень высокое   время переключения обычно меньше 300нс.

 

4.Применение аналоговых компараторов напряжения.

Основные особенности аналоговых компараторов связаны с отсутствием вних частотной коррекции и большим коэффициентом усиления. В  отличии от операционных усилителей, в компараторах практически никогда не применяют отрицательную обратную связь, так как она понижает стабильность их работы.  Специализированные компараторы  напряжений имеют  малые задержки,  высокую скорость переключения, устойчивы к большим переключающим сигналам.

Для устранения многократных переключений в момент сравнения сигналов в  компараторах чаще используют положительную обратную связь. Положительная обратная связь  обеспечивает надежное переключение компаратора и устраняет дребезг  выходного напряжения в момент сравнения. Однако при введении положительной обратной связи создается зона неопределенности, обусловленная гистерезисом. Если сигнал   на   входе   компаратора   изменяется   монотонно,  то  наличие   гистерезиса  не

 

 

 

 

 отражается на погрешности компарирования.

 Напряжения  на  входах  компаратора  из-за  отсутствия  отрицательной  обратной

связи могут существенно отличаться. Поэтому для ограничения входного напряжения  на входе компаратора часто устанавливают двухсторонний диодный ограничитель . 

Быстродействие компаратора существенно зависит от уровня входного дифференциального сигнала. С увеличением входного сигнала до определенного значения времени переключение уменьшается. Однако дальнейшее увеличение входного сигнала может привести к насыщению компаратора и снижению его быстродействия. В связи с этим в схеме двухстороннего ограничителя, рекомендуется использовать диоды Шотки с малым падением напряжения. Рекомендуемые  значения входного напряжения указывается в справочных данных на компаратор и обычно лежит в пределах 20...100мВ.

Отказ от отрицательной обратной связи приводит еще к одной особенности применения компараторов напряжения – снижению их входного сопротивления и увеличению входного тока. При увеличении входного напряжения свыше порогового значения у компараторов может резко увеличиться входной ток и понизится входное сопротивление. Происходит это по двум причинам:резкое увеличение тока базы транзисторов дифференциального  каскада и включения диодов защиты.

Основное применение компараторы напряжения находят  в устройствах сопряжения цифровых и аналоговых сигналов.  Простейшим примером такого применения является аналого-цифровой преобразователь  параллельного типа.          

В нем  использованы  четыре  компаратора  К1....К4  и  резистивный  делитель  опорного  напряжения  Uоп.  При  одинаковых  значениях  сопротивлений в резистивном делителе на инвертирующие входы компараторов подано напряжение пUоп/4, где п – порядковый номер компаратора. На не инвертирующие входы компаратора подано напряжение Uвх. В результате сравнения входного напряжения с опорными напряжениями на инвертирующих входах компараторов  на выходах компараторов образуется унитарный цифровой код  входного напряжения. При помощи цифрового преобразователя кода  этот код можно преобразовать в двоичный.

Для компарирования аналоговых сигналов можно применять операционные усилители. В этом случае для ограничения выходного напряжения в цепь отрицательной обратной связи  ОУ включают стабилитрон с напряжением включения, зависящим от типа цифрового логического элемента. Основными недостатками компараторов на ОУ являются: невысокое быстродействие и  большое число  внешних дискретных элементов. Время переключения таких компараторов обычно имеет значение 0,5...1,0 мкс. Для устранения паразитной генерации используются внешняя положительная обратная связь, при помощи которой формируются зона гистерезиса.