Аналоговые компараторы напряжений

Аналоговые компараторы напряжений (АКН) – это устройства для сравнения уровней двух напряжений с выдачей результата «больше» или «меньше». По масштабам применения в микроэлектронной аппаратуре (МЭА) и номенклатуре среди АИС они уступают только ОУ. В принципе АКН можно выполнить на основе ДК и выходной логики, однако достаточно простая реализация АКН получается и на основе ОУ (рис. 4.5 а), где Д₁, Д₂ – стабилитроны с напряжением лавинного пробоя U_{æ 1}, U_{æ 2} соответственно. Передаточная характеристика (переключения) АКН на основе ОУ (рис. 4.5 а) приведена на рис. 4.5 б, из которой видно, что потенциал сравнения U ₀ = 0 (неинвертирующий вход ОУ заземлен), гистерезисные явления отсутствуют, а выходные логические уровни равны U_{æ 1} и U_{æ 2}. Для идеальных ОУ, Д₁, Д₂ сопротивления R ₁, R ₂, R ₃ можно убрать, но в реальных схемах R ₁, R ₂ служат для компенсации смещения нуля, а R ₃ ограничивает токи Д₁, Д₂.

К основным характеристикам АКН, помимо обычных для ОУ параметров – K_U, R_вх, R_вых, К_ОСС, U_СМ, D I_вх, относятся:

- пороговая чувствительность, т.е. минимальное разностное напряжение D U_вх, которое можно обнаружить и зафиксировать АКН на выходе;

- напряжение гистерезиса D U_Г, т.е. разность входных напряжений, вызывающих срабатывание АКН при увеличении или уменьшении U_вх;

- время переключения t_пер выходного напряжения АКН, определяющее его быстродействие и существенно зависящее от уровня входного дифференциального сигнала D U_вх.

С точки зрения классификации все ИС АКН по совокупности параметров можно разделить на три основные группы:

- общего применения (K_U < 100 дБ, t_пер < 300 нс);

- быстродействующие (t_пер < 30 нс);

- прецизионные (K_U > 100 дБ, U_СМ < 3 мВ, D I_вх < 10 нА).

Самые скромные характеристики имеют АКН общего применения, однако у них есть свои преимущества – они потребляют меньшую мощность, могут работать при низком напряжении питания и занимают минимальную площадь на кристалле (в одном корпусе может располагаться до четырех компараторов). Быстродействующие АКН отличает высокая пороговая чувствительность и малые времена переключения. Прецизионные компараторы имеют ряд улучшенных характеристик по сравнению с АКН общего применения – повышенный коэффициент усиления, меньшее пороговое напряжение переключения, пониженное значение U_СМ и малый входной ток, однако быстродействие этих АКН обычно не очень высокое (t_пер < 300 нс). Заметим, что высокие выходные характеристики демонстрируют специализированные схемы АКН (КМ 597СА1, К554СА3, СМР–02), схемы же на ОУ имеют, как правило, невысокие показатели (t_пер ~ 1 мкс), что связано с наличием в ОУ цепей частотной коррекции.

Основные особенности применения АКН связаны с наличием большого коэффициента усиления и отсутствием отрицательной ОС, понижающей стабильность их работы. Иногда для устранения дребезга U_вых в момент переключения АКН используют даже положительную ОС, хотя при этом возникают гистерезисные явления. Наиболее простой вариант использования АКН – детекторы уровня (рис. 4.6), где U ₀ – потенциал сравнения, точка подачи которого приводит к схеме либо инвертирующего (рис. 4.6 а), либо
неинвертирующего (рис. 4.6 б) детектора. Введение в схему АКН положительной ОС образует триггер Шмитта (рис. 4.7 а), уровни включения и выключения которого не совпадают (рис. 4.7 б), что связано с различием потенциалов сравнения  и . При этом напряжение гистерезиса D U_Г будет определяться выражением

                                     ,                      (4.19)

свидетельствующим о возможности эффективной регулировки D U_Г с помощью R ₁, R ₂. Заметим, что наличие петли гистерезиса позволяет увеличить промежуток времени между прямым и обратным переключениями АКН, что бывает очень важно для обнаружения детектируемых амплитуд быстропеременных сигналов.

Достаточно частое применение АКН – в устройствах сопряжения цифровых и аналоговых сигналов, простейшим примером которого является самый быстродействующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) параллельного типа, в котором используются 2 ⁿ -1 (n – число разрядов АЦП) компараторов и резистивный делитель опорного напряжения. В результате сравнения U_вх с опорными напряжениями в точках деления на выходах компараторов образуется унитарный цифровой код U_вх, легко преобразуемый в двоичный с помощью дополнительного цифрового преобразователя. Более подробный анализ работы параллельного АЦП будет рассмотрен в разделе 5.