Напряжения

Компараторами напряжения называют интегральные микро­схемы, предназначенные для сравнения двух напряжений и выдачи результата сравнения в логической форме: больше или меньше [1,2,6,8,9,10]. По сути дела, компаратор напряжения чувствителен к полярности напряжения, приложенного между его сигнальными входами. Напряжение на выходе будет иметь высокий уровень U¹_вых всякий раз, когда разность напряжений между его неинвертирующим (U_оп) и инвертирующим (U_вх) сигнальными входами положительна и, наоборот, когда разностное напряжение отрицательно, то выходное напряжение компаратора соответствует логическому нулю U⁰_вых. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения непрерывно изменяющегося входного сигнала U_вх на его инвертирующем входе с опорным сиг­налом U_оп на неинвертирующем. Выходное напряжение U_вых - диск­ретный или логический сигнал, определяемый соотно­ше­нием (6.1):

(6.1)

Графическая зависимость выходного напряжения от разности входных напряжений приведена на рис.6.1,а, а условное схемати­чес­кое обозначение компаратора приведено на рис. 6.1,б.

Рис.6.1. Передаточная характеристика (а) и условное изображение стробиру-емых компараторов по уровню (б) и

фронту (в)

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

Упрощённая структурная схема компаратора напряжения приведена на рис.6.2. Она состоит из входного дифференциального каскада ДК, устройства смещения уровней и выходной логики.

Рис.6.2. Упрощённая структурная

схема компаратора

Входной дифференциальный кас­кад формирует и обеспечивает основ­ное усиление разностного сигнала. Помимо этого он позволяет осущес­т­влять балансировку выхода при помощи внешнего подстроечного резистора и корректировку напряжения смещения нулевого уровня в пределах 1=2 мВ, возникающего в дифференциальном каскаде. С помощью балансировки можно также установить предпочтительное начальное состояние выхода.

Входы стробирования предназначены для фиксации момента времени, когда происходит сравнение входных сигналов и выдача результата сравнения на выход. Для этого на вход стробирования подаётся импульсный сигнал разрешения сравнения. Результаты сравнения могут появиться на выходе компаратора только во время строба или могут фиксироваться в элементах памяти компаратора до прихода очередного импульса строба. Кроме того, стробирование может выполняться по уровню импульса или по его фронту (перепаду уровней). Для указания стробирования по фронту на входе стробирования изображается направление перепада от низкого уровня к высокому или, наоборот, от высокого уровня к низкому . Пример такого обозначения стробирования приведён на рис.6.1,в.

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. Основные из них:

- пороговая чувствительность – минимальный разностный сигнал, который может обнаружить компаратор и зафиксировать на выходе как логический сигнал;

- напряжение смещения е_см – определяет смещение передаточной характеристики относительно идеального положения (см. рис.6.1,а), для коррекции которого используют балансировку;

- напряжение гистерезиса U_г – разность входных напряжений, вызывающих срабатывание компаратора при увеличении или уменьшении входного напряжения;

- выходные логические уровни – напряжения U¹_вых и U⁰_вых ;

- выходной ток I_вых – ток, отдаваемый компаратором в нагрузку.

Рис.6.3. Передаточная характеристика

компаратора без гистерезиса (а) и с

гистерезисом (б)

Гистерезис компаратора прояв-ляется в том, что переход из состояния U⁰_вых в состояние U¹_вых происходит при входном напряжении DU_вх1, а возвращение из U¹_вых в U⁰_вых – при напряжении DU_вх2 (рис.6.3,б). Разность DU_вх1-DU_вх2=U_г называется напряжением гистерезиса. Появление гистерезиса связано с использованием в компараторе положительной обратной связи, которая позволяет устранить дребезг U_вых при DU_вх=0. Наличие гистерезиса приводит к появлению зоны неопределённости, внутри которой невозможно установить значение DU_вх.

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. Это время зависит от величины превышения U_вх над опорным напряжением. На рис. 6.4 приведены переходные характеристики компаратора mА710 для различных значений дифференциального входного напряжения U_д при общем скачке входного напряжения в 100 мВ. Время переключения компаратора t_п можно разбить на две составляющие: время задержки t_з и время нарастания до порога срабатывания логической схемы t_н. В справочниках обычно приводится время переключения для значения дифференциального напряжения, равного 5 мВ после скачка.

Рис. 6.4. Переходная характеристика

компаратора mА710 при различных

превышениях скачка входного напря-

жения U_д над опорным: 1 - на 2 мВ;

2 - на 5 мВ; 3 - на 10 мВ; 4 - на 20 мВ

В простейшем случае в качестве аналогового компаратора может быть использован операционный усилитель по рис.6.5.

Рис. 6.5. Компаратор на операционном усилителе

Здесь к неинвертирующему входу ОУ подключено опорное напряжение U_оп, относительно которого контролируется изменение входного напряжения U_вх. Выходное напряжение U_вых в зависимости от соотношения (U_оп - U_вх) принимает значения +Е_п или –Е_п, реализуя выражение .

Определим зависимость выходного напряжения компаратора от величины входного при заданной величине опорного напряжения U_оп, которое установим, например, равным 5В. U_вх будем варьировать от –∞ до +∞, задавая ему следующие значения:

U_вх =-10В, отсюда U_вых =К(5-(-10))=15К =+E_п;

U_вх =-5В, отсюда U_вых =К(5-(-5))=10К =+E_п;

U_вх =0В, отсюда U_вых =К(5-0)=5k =+ E_п;

U_вх =4,9В, отсюда U_вых =К(5-(4,9))=0,1k =+ E_п;

U_вх =5,1В, отсюда U_вых =К(5-5,1)=-0,1k =- E_п;

U_вх =10В, отсюда U_вых =К(5-10)=-5k =- E_п;

U_вх =15В, отсюда U_вых =К(5-15)=-10k =- E_п.

График выходной характеристики представлен на рис.6.6:

Рис.6.6. Выходная характеристика компаратора

по рис.6.5

Из приведённого расчёта и графика видно, что пока U_оп>U_вх, выходное напряжение компаратора остаётся постоянным и равным +Е_п. В диапазоне изме­нения U_вх от 4,9В до 5,1В происходит изменение знака разности DU на входе операционного усилителя, что вызывает изменение знака выходного напряжения, которое далее остаётся постоянным и равным –Е_п.

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор - это элемент перехода от аналоговых сигналов к цифровым, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.

Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов не требует уточнения, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо создаётся петля гистерезиса (рис.6.3,б). Рассмотрим более подробно процесс переключения компаратора из одного состояния в другое при изменении U_вх=ƒ(t) по рис.6.7, где контурная линия определяет среднее значение U_вх, а точки около неё – случайные отклонения за счёт неизбежного «шума» в реальных условиях.

Рис. 6.7. Процессы переключения

компаратора

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину |U¹_вых - U⁰_вых| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (эпюра 1 на рис. 6.7) при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Такую характеристику можно имитировать двумя способами - или просто использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, или ввести положительную обратную связь.

Рассмотрим первый путь. Как бы велико усиление не было, при U_вх, близком к нулю, характеристика будет иметь вид эпюры 1 на рис. 6.7. Это приведет к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении U_вх выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем (эпюра 2 на рис. 6.7). Еще хуже то, что при таком медленном изменении U_вх около нуля выход компаратора может мно­го­кратно с большой частотой менять свое состояние под действием по­мех (так называемый "дребезг", эпюра 3 рис.6.7). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обе­с­печивает формирование в переходной характеристике компаратора гистерезис (рис.6.3,б). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (эпюра 4 на рис. 6.7), но существенно уменьшает или даже устраняет дребезг U_вых.

Недостаток выходной характеристики компаратора по схеме рис. 6.5, у которой выходное напряжение изменяется от +Е_п до -Е_п, устраняется в схеме по рис. 6.8. В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель (ОУ), включенный по схеме инвертирующего сумматора. Однако вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD₁ и диод VD₂.

Рис. 6.8. Схема компаратора на

инвертирующем сумматоре

Пусть R₁=R₂ =10 кОм, R_VD2 =50 Ом. Если U_вх - U_оп > 0, выходное напряжение ОУ отрицательно и через открытый диод VD₂ замыкает цепь обратной связи усилителя, устанавливая его коэффициент усиления согласно (5.3), равным . Выходное напряжение схемы - небольшое отрицательное напряжение, равное падению напряжения на открытом диоде. При U_вх - U_оп < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации U_ст. Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных микросхем (ИМС), входы которых подключены к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния – логической единицы U_ст и логического нуля – около 0 вольт, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме.

Многие типы ОУ не допускают сколько-нибудь существенное входное дифференциальное напряжение. Включение по схеме рис. 6.8 обеспечивает работу ОУ в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными и синфазными входными напряжениями. Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в линейном режиме со 100%-ной обратной связью. Используя для построения компаратора обычные ОУ, трудно получить время переключения менее 1 мкс.

В заключение перечислим некоторые особенности компараторов по сравнению с ОУ:

1. Несмотря на то, что компараторы очень похожи на опе­ра­ционные усилители, в них почти никогда не используют отри­ца­тельную обратную связь, так как в этом случае весьма вероятно (а при наличии внутреннего гистерезиса - гарантировано) самовоз­буж­дение компараторов.

2. В связи с тем, что в схеме нет отрицательной обратной связи, напряжения на входах компаратора неодинаковы.

3. Из-за отсутствия отрицательной обратной связи входное сопротивление компаратора относительно низко и может меняться при изменении входных сигналов.

4. Выходное сопротивление компараторов значительно и различ­но для разной полярности выходного напряжения.

Двухпороговый компаратор (или компаратор "с окном") фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя заданными пороговыми напряжениями или вне этого диапазона. Для реализации такой функции выходные сигналы двух компараторов необходимо подвергнуть операции логического умножения (рис. 6.9,а). Как показано на рис. 6.9,б, на выходе логического элемента

Рис. 6.9. Схема двухпорогового компаратора (а) и диаграмма его работы (б)

единичный уровень сигнала будет иметь место тогда, когда выполняется условие U₁ < U_вх < U₂, так как в этом случае на выходах обоих компараторов будут единичные логические уровни. Такой компаратор выпускается в виде ИМС mА711 (отечественный аналог - 521СА1).

Рис. 6.10. Простейший aналого-цифровой

преобразователь на компараторах напряжения

Основное применение компараторы напря­жения находят в устройствах сопряжения циф­ровых и аналоговых сигналов. Простейшим примером такого применения является аналого-цифровой преобразователь параллельного типа, приведенный на рис 6.10. В нем использо­ваны четыре компаратора K_l…K₄ и резистивный делитель опорного напряжения U_on. При одинаковых значениях сопротивлений в резистивном делителе на инвертирующие входы компараторов подано напряжение nU_o/4, где n — порядковый номер компаратора. На неинвертирующие входы компаратора подано на­пряжение U_вх. 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.

Контрольные вопросы.

1. Что такое компаратор и его назначение? Его условное графи­ческое изображение со стробированием по уровню и фронту.

2. Передаточная характеристика компаратора без и с гистере­зи­сом. Цель формирования гистерезиса и его реализация?

3. Что такое напряжение гистерезиса, чем можно его обеспечить?

4. Как определить время переключения компаратора? Как оно изменяется в зависимости от превышения U_вх над опорным напряжением?

5. Построение компаратора на ОУ. Его передаточная характеристика.

6. Как можно определить передаточную характеристику компаратора на ОУ расчётным путём?

7. Работа компаратора по рис.6.8. Преимущества этой схемы.

8. Двухпороговый компаратор по рис.6.9 – назначение, функционирование, реализация логического умножения.

Лекция 7. Коммутаторы аналоговых