Справочные данные на популярные компараторы

Индивидуальное задание на КП

 

 

Вариант 15

 

 

Тип проектируемого устройства –Стробируемый двухпороговый

компаратор с третьим состоянием.

Численные значения параметров проектируемого устройства:

 

1) Напряжение питания – ± 5В;

2) Тип логики – ТТЛШ;

3) Тактовая частота – 12 МГц;

4) Коэффициент усиления компаратора(ОУ) – 1000;

5) Частота сопряжения ЛАЧХ – 8 МГц.

 

Задание получил студент гр. АПЭ-09 Паринов Д.О.

 

20 мая 2012 года

 

Задание проверил доцент каф. АЭП и ПЭ Стексов А.М.

 

«____» ___________ 2012 года

 

Содержание

Индивидуальное задание на КП ………………………………………………..2

Введение ………………………………………………………………....................4

Справочные данные на популярные компараторы……………………………....5

1. Компараторы…………………………………………………………………….6

1.1. Аналоговые компараторы…………………………………………………...6

1.2. Аналоговые интегральные компараторы…………………………………10

1.3. Стробируемый двухпороговый компаратор……………………………...13

1.4. Двухпороговый компаратор на одном ОУ………………………………..15

1.5. Триггер……………………………………………………………………...16

1.6. Классификация триггеров…………………………………………………17

1.7. D-триггер……………………………………………………………………21

1.8. Выводы по литературному обзору………………………………………..23

2. Двухпороговый компаратор…………………………………………………..24

2.1. Двухпороговый компаратор – индикатор температуры……………........27

2.2. Стробируемый компаратор (индикатор температуры)…………….….....29

2.3. Новый двухпороговый компаратор Texas Instruments для контроля напряжения питания…………………………………………………….....30

2.4. Расчет широкополосного дифференциального усилителя (компаратор на ОУ)…………………………………………………………………………..31

2.5. Построение ЛАЧХ и ЛФЧХ…………………………………………….…35

Заключение …………………………………………………………………….…37

Список использованной литературы ………………………………………....39

Приложение А........................................................................................................40

 

 

Введение

Целью данного курсового проекта является проектирование стробируемогодвухпорогового компаратора, удовлетворяющего заданным параметрам: тип логики, тактовая частота логических элементов, коэффициент усиления, частота сопряжения. А так же применение знаний и навыков, полученных из курса «Электронные цепи и микросхемотехника».

Данный проект включает в себя две основные части: специальную часть, а также графическую. Специальная часть содержит обоснование выбора и описание структуры устройства, описание принципа действия составных узлов, расчет параметров компаратора (ОУ).

Графическая часть содержит структуру устройства и перечень элементов, принципиальные схемы узлов, структурную схему логического элемента, диаграммы входных и выходных сигналов, ЛАЧХ и ЛФЧХ каскадов компаратора (ОУ).

Задачами же данной курсовой работы, решение которых ведет к поставленной цели, являются:

Литературный обзор способов проектируемого устройства.

Описание принципа действия.

Расчет параметров компаратора (ОУ).

Построение диаграмм входных и выходных сигналов.

Построение ЛАЧХ и ЛФЧХ каскадов компаратора (ОУ).

Справочные данные на популярные компараторы.

Эксплуатационные параметры компараторов определяют допустимые режимы работы их входных и выходных цепей, требования к источникам питания и температурный диапазон работы. Важными эксплуатационными параметрами являются уровни выходных сигналов, а также способы подключения нагрузки к выходу компаратора. Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены конечными значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы компаратора. Поскольку компараторы, в отличие от ОУ, должны работать со значительными дифференциальными входными напряжениями, важными характеристиками компаратора являются максимально-допустимые величины дифференциального и синфазного входных напряжений.

В настоящее время в мире изготавливаются сотни наименований интегральных компараторов. Эти ИМС можно условно разделить на следующие группы: универсальные (или общего применения), быстродействующие, прецизионные, микромощные.

В табл. 1 приведены основные параметры некоторых моделей компараторов различных типов.

Наимено-вание компара-тора	Напряж. питания, В	Коэфф. усиления, В/мВ	Напр. смеще-ния, мВ	Входн. ток, нА	Выход-ные уровни	Диапазон допуст. диффер. напр-й, В	Ток потр., мА	Макс. вых. ток, мА	Время пере-ключе-ния, нс	Примечание
Универсальные компараторы
521СА2	+12;-6	1,5			ТТЛ			2,5		Аналог mА710
SE521	+5; +/-15				ТТЛ			-		Откр. коллектор
Прецизионные компараторы
521СА3	+3; +/-15				ТТЛ, КМОП					Откр. коллектор и эмиттер
597СА3	+12; +/-18				То же	-				Сдвоенный
Быстродействующие компараторы
597СА1	+5;-5,2				ЭСЛ, ТТЛ				6,5	Триггер-защелка
AD8561	+5; +/-5				ТТЛ, КМОП			3,2		Есть счетверенный вариант AD8564
МАХ910	+/-5	-			ТТЛ	-		-		Встроенный 8-разрядный ЦАП для установки порога переключения
Микромощные компараторы
МАХ922	+1,25... +5,5				ТТЛ, КМОП	Uпит+0,3 В	3,2 мкА			Сдвоенный
TLC339	+1,5; +8	-		0,005	ТТЛ, КМОП	-	10 мкА			Счетверенный.Откр. сток
МАХ918	1,8...5,5	-	-	-	-	Uпит+0,2 В	0,75 мкА		-	Открытый сток. Встроенный источник опорного напряжения

 

 

Компаратор

Компаратор представляет собой операционный усилитель (далее ОУ) специального назначения, предназначенный для сравнения по уровню двух входных напряжений и скачкообразного изменения выходного напряже­ния в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого. Любой ОУ может быть использован в качестве компа­ратора, однако специально спроектированные компараторы удобнее для применения.

Компаратор должен иметь низкое напряжение сдвига, низ­кий дрейф напряжения сдвига, устойчиво работать без само­возбуждения и иметь низкое значение тока смещения. Многие компараторы могут работать от одного источника питания, что представляет известные преимущества для ряда применений.

Компараторы являются составной частью устройств автома­тического контроля, АЦ-преобразования, стабилизации источни­ков питания (в качестве усилителей ошибки), сдвига уровня логических сигналов. Перечень применений компараторов на этом не исчерпывается.

 

 

1.1. Аналоговые компараторы.

 

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

Переключательная характеристика:

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 к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.

Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (Рисунок 1).

Рисунок 1- Характеристики компараторов

Рисунок 2 - Процессы переключения компараторов

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 Рисунок 2) 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_вхблизком к нулю характеристика будет иметь вид Рисунок 1а. 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 Рисунок 2). 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 на Рисунок2). 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 переходной характеристике компаратора гистерезис (Рисунок1б). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (эпюра 4 на Рисунок 2), но существенно уменьшает или даже устраняет дребезг U_вых.

В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель (ОУ) так, как это показано на Рисунок 3. Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако, вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD₁ и диод VD₂.

 

Рисунок 3 - Схема компаратора на ОУ

Пусть R₁ = R₂. Если U_вх - U_оп> 0, то диод VD₂ открыт и выходное напряжение схемы небольшое отрицательное, 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, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме. Многие типы ОУ не допускают сколько-нибудь существенное входное дифференциальное напряжение. Включение по схеме на Рисунок 3 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.