Общие сведения о компараторах

Аналоговые компараторы и таймеры

1. Аналоговый интегральный компаратор.

2. Применение компараторов.

3. Параметры компараторов.

4. Аналоговые таймеры.

Аналоговый интегральный компаратор.

Общие сведения о компараторах

Компаратор — это устройство сравнения. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения величин двух аналоговых сигналов. Если обозначить входной анализируемый сигнал V_1N, а опорный сигнал (или уровень сравнения) V_REF, то выходной сигнал компаратора Vout — (представляющий собой логический сигнал, содержащий 1 бит информации) будет определяться по правилу

Выходной сигнал компаратора в большинстве случаев подается на входы логических устройств и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор — это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, и по сути дела является одноразрядным аналого-цифровым преобразователем.

Компаратор (аналоговых сигналов) (англ. comparator —сравнивающее устройство) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логическую «1», если сигнал на прямом входе («+») больше, чем на инверсном входе («−»), и логический «0», если сигнал на прямом входе меньше, чем на инверсном входе.

Рис. 1. Аналоговый компаратор на операционном усилителе	Рис. 2. Проходная характеристика неинвертирующего компаратора

Неопределенность состояния выхода компаратора при разности входных сигналов |V_1N — V_REF| ~ 0 нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления (Рис. 3а),либо петлю гистерезиса (Рис. 36).

a	б

Рис. 3. Характеристики компараторов (при V_REF = 0):

а — с конечным коэффициентом усиления, б — с гистерезисом (VG — ширина петли гистерезиса)

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину|V¹_OUT— V⁰_OUT| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен был бы иметь бесконечно большой коэффициент усиленияи работать при полном отсутствии шумов.

К такой характеристике можно приблизится двумя способами: либо использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, либо ввести положительную обратную связь. В первом случае при |V_IN — V_REF| ~ 0 = 0 характеристика компаратора будет иметь вид Рис. 4а. Это приводит к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении V_IN выходной сигнал также будет изменяться замедленно (Рис. 4б-2),что может вызвать нечеткое срабатывание последующих логических схем. Еще хуже то, что при таком медленном изменении V_IN около V_REF может появиться так называемый «дребезг», при котором выход компаратора многократно с большой частотой меняет свое состояние под действием помех или шумов (Рис. 4б-3).Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (Рис.416). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (Рис. 46-4),но существенно уменьшает или даже полностью устраняет «дребезг» V_OUT .

Рис. 4.Временные диаграммы gереключения компараторов:

а — входные напряжения, б — выходные напряжения компараторов с

бесконечным усилением (/), с конечным усилением(2), при наличии внутреннего

или входного шума (3), с гистерезисом (4)

В качестве компаратора может быть использован и обычный операционный усилитель (ОУ), как это показано на Рис. 5.Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD₁и диод VD₂.

Пусть R₁ = R₂. Если (V_IN — V_RE) > 0, то диод VD₂ открыт и выходное напряжение схемы равно падению напряжения на открытом диоде и не превышает 0.5...0.7 В. При (V_IN — V_RE) > 0KREF) < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации Vcv Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных микросхем, 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. ОУ, включенный по схеме, приведенной на Рис. 5,работает в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными и синфазными входными напряжениями.

Рис. 5. ОУ в режиме компаратора

Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в линейном режиме со 100% отрицательной обратной связью. Поэтому в компараторах на обычных ОУ трудно получить время переключения менее 1 мкс.