Описание функций и свойств компараторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОПИСАНИЕ ФУНКЦИЙ И СВОЙСТВ КОМПАРАТОРОВ

Содержание

Введение

1. Компараторы: описание, принцип работы

2. Разновидности компараторов. Передаточные характеристики

2.1 Однопороговые компараторы

2.2 Регенераторные компараторы

2.3 Двухпороговые компараторы

Заключение

Литература

Введение

Полупроводниковые электронные устройства делятся на два больших класса: аналоговые и цифровые (дискретные). В основе классификации лежит возможность изменения в устройстве электрического сигнала, несущего информацию.

Если информационный сигнал изменяется непрерывно и может принимать произвольные значения в широком диапазоне, устройство является аналоговым, если же сигнал изменяется дискретно и может принимать только два фиксированных значения, соответствующих двум цифрам двоичной системы счисления - нулю и единице, то устройство относится к цифровым или дискретным.

В аналоговых устройствах сам электрический сигнал и его параметры - уровень, частота и фаза электрического колебания несут информацию о физической величине.

В цифровых устройствах информация о величине закодирована цифровым кодом, состоящим из множества двоичных разрядов, каждый из которых может принимать только одно из двух фиксированных значений, которым соответствуют два уровня напряжения (обычно они обеспечиваются открытым либо закрытым состоянием транзистора, работающего в ключевом режиме).

Информацию о различных физических величинах и контролируемых процессах получают с помощью датчиков, называемых также измерительными преобразователями.

Эти устройства осуществляют преобразование измеряемой величины в пропорциональный ей электрический сигнал.

В современных системах управления различными процессами, в том числе и технологическими, присутствуют устройства обоих типов.

Взаимодействие между аналоговой частью системы и цифровой (преобразование информации из аналоговой формы в цифровую и обратно) обеспечивают цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Очень важную роль при аналого-цифровом преобразовании играют компараторы.

1. Компараторы: описание, принцип работы

Компаратором называют устройство, предназначенное для сравнения изменяющегося аналогового входного сигнала с опорным напряжением. При этом в зависимости от того, больше входной сигнал опорного или меньше (на доли милливольт), на выходе компаратора должно установиться напряжение «логический нуль» (лог. 0) или «логическая единица» (лог. 1). Так как выходной сигнал компаратора подается обычно на логические схемы, его выходное напряжение согласуется с цифровыми логическими схемами.

Функцию сравнения двух напряжений может выполнить и операционный усилитель, если на один из его входов подать опорное напряжение, а на другой - входной сигнал. Однако специализированные устройства - компараторы - имеют преимущество в быстродействии, которое получают, предотвращая режим насыщения его транзисторов, а, следовательно, и длительное рассасывание неосновных носителей.

Входной сигнал компаратора носит аналоговый характер, а выходной - цифровой. По этой причине компараторы часто используются как аналого-цифровые преобразователи, так как они выполняют роль элементов связи между аналоговыми и цифровыми устройствами.

Компараторы относятся к специализированным ОУ, в которых нормальным режимом является нелинейный режим работы каскадов.

Первый каскад компаратора (ДУ) определяет все основные входные параметры (входные сопротивления, входные токи, их температурные дрейфы и др.), поэтому, этот каскад за малый промежуток времени, при минимальной потребляемой мощности, должен обеспечивать максимальный сигнал для переключения промежуточного каскада.

Однако, в полупроводниковых компараторах, предназначенных для точного сравнения (д ? 10^-3) быстро меняющихся сигналов большой амплитуды, ДУ работает в нелинейном режиме только в течение времени переключения выходного напряжения. Следовательно, требования, предъявляемые к ДУ, получаются противоречивыми, поэтому, использование схемотехнических и технологических средств, позволяет добиться устранения насыщения транзисторов ДУ.

Приёмниками выходных сигналов компараторов обычно являются логические схемы, поэтому выходные напряжения каждого компаратора напряжения согласуются с ТТЛ, ТТЛШ и КМОП логическими схемами.

В зависимости от того, какой уровень напряжения (входной или опорный) будет больше, на выходе компаратора устанавливается напряжение логического нуля или единицы.

Современные компараторы схемотехнически различаются по конструкции формирователя уровня (ФУ): ФУ может быть миттерным повторителем, одновходовым или дифференциальным усилителем, логическим элементом.

Но, в любом случае, независимо от конструкции, ФУ должен быть усилителем мощности, который сформирует на выходе компаратора соответствующие логические уровни напряжений: или U0, или U1.

В компараторах напряжения один динамический параметр - время переключения выходного напряжения (иначе - время восстановления).

Быстродействие компаратора принято характеризовать «временем восстановления» (переключения) - это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение достигает порога срабатывания логической схемы.

Существует стандартная методика измерения времени восстановления (рис. 1) на не инвертирующий вход ОУ подаётся напряжение перегрузки, равное 100 мВ, а на инвертирующий вход -перепад напряжения той же полярности (импульсное напряжение), но большей амплитуды (105 мВ). Время восстановления (tвост.) отсчитывается с момента, когда напряжение перегрузки и импульсное напряжение сравняются.

Разница между амплитудами перепада напряжения и сигнала перегрузки называется напряжением восстановления. Обычно время восстановления приводится для напряжения восстановления в 5 мВ. Время восстановления компараторов содержит две составляющие:

- время задержки (tз.), в течение которого выходное напряжение компаратора остаётся неизменным;

- время нарастания (tн) до порогового напряжения (Uпор) срабатывания логической схемы.

Рис. 1. - Переходная характеристика компаратора при различных превышениях скачка входного напряжения Uд над опорным:

Где:

1 - на 2 мВ;

2 - на 5 мВ;

3 - на 10 мВ;

4 - на 20 мВ.

Эксплуатационные параметры компараторов отличаются от параметров ОУ только названиями уровней выходного напряжения. Быстродействующие и высокоточные компараторы выполняются на ОУ в интегральном исполнении. Точность работы компаратора характеризуется напряжением, на которое необходимо превысить опорное напряжение, чтобы выходное напряжение достигло порога срабатывания логической схемы.

2. Разновидности компараторов. Передаточные характеристики

Виды:

- Однопороговые компараторы;

- Регенераторные компараторы;

- Двухпороговые компараторы.

2.1 Однопороговые компараторы

Реакция компаратора на превышение входных сигналов заданного уровня называется амплитудной дискриминацией или детектированием уровня. Однопороговым компаратором сравнения называются такие схемы сравнения, для которых коэффициент усиления всегда остаётся положительным. В компараторе (рис. 2) цепь ОС формирует на выходе усилителя сигнал, совместимый с входными уровнями ТТЛ-схем: напряжение порога срабатывания (переключения) Uпор = Еоп.

Если напряжение смещения нуля скомпенсировано, то при Uвх = Uпор напряжение на выходе Uвых ? 0, стабилитрон и диод закрыты и, таким образом, цепь ОС разомкнута.

Если напряжение на входе изменится на несколько десятков микровольт в сторону уменьшения или увеличения, то изменение выходного сигнала будет составлять единицы вольт, благодаря большому коэффициенту усиления ОУ.

Это изменение прекратится в тот момент, когда откроется диод или стабилитрон и коэффициент по цепи ОС станет равен единице.

Если Uвх станет больше Uпор, то Uвых = -Uд.

Если Uвх станет меньше Uпор, то Uвых = Uст.

Недостаток однопороговых компараторов: при очень медленных изменениях или малых амплитудах выходного сигнала время переключения однопорогового компаратора зависит от скорости изменения входного сигнала, частоты единичного усиления и коэффициента усиления усилителя по напряжению.

Рис. 2. - Схема однопорогового компаратора:

Для уменьшения времени сравнения таких сигналов используют схемы компараторов с положительной ОС - регенераторные компараторы.

2.2 Регенераторные компараторы

Особенностью таких компараторов (рис. 3а) является наличие гистерезиса передаточной характеристики.

Рис. 3. - Компаратор с положительной обратной связью:

Напряжение верхнего порога переключения:

Uв = Uст R2 / (R2 + R3)

Напряжение нижнего порога переключения:

Uн = -UстR2 / (R2 + R3)

Напряжение гистерезиса передаточной характеристики:

Uг = 2Uст R2 / (R2 + R3)

Если напряжение на входе близко к нулю, или имеет отрицательное значение, то выходное напряжение будет положительным, а напряжение на не инвертирующем входе определяет верхний порог переключения:

Uв = Uст R2 / (R2 + R3)

Если напряжение на входе достигает величины Uв = Uср, ток в цепи стабилитрона становится равным нулю, а затем меняет направление и выходное напряжение ОУ переключается. После этого на не инвертирующем входе ОУ устанавливается напряжение нижнего порога срабатывания (напряжение отпускания Uотп):

Uн = -Uст R2 / (R2 + R3)

Чтобы теперь переключить компаратор в обратное состояние, входное напряжение должно измениться от Uн до Uв, то есть на величину, равную 2 Uв, которое и определяет напряжение гистерезиса. Чтобы петля гистерезиса была симметричной относительно входного напряжения, минимальное и максимальное значения выходного напряжения должны быть равны по абсолютному значению: если по какой то причине произойдёт изменение одного из уровней, то это вызовет смещение гистерезиса и, следовательно, изменение расчётной точки компаратора, что приводит к увеличению погрешности сравнения.

Для ослабления этого недостатка в современных схемах подобных компараторов вводится ключ для управления выходным напряжением (например, на полевом транзисторе).

2.3 Двухпороговые компараторы

Компаратор, состояние выхода которого изменяется два раза при увеличении входного сигнала в некотором диапазоне, называется двухпороговым.

На рис. 4а представлена одна из наиболее распространённых схем двухпорогового компаратора.

Диодный мост включен в цепь ОС усилителя. Изменение выходного напряжения происходит, как только входной ток I1 превысит или станет меньше тока I2, отдаваемого в мост цепью смещения.

При изменении выходного напряжения переключаются диоды, и изменяется значение коэффициента передачи по цепи ОС.

Точность уровней дискретизации и минимальная ширина окна ограничиваются десятками мВ из-за разброса падений напряжений на открытых диодах.

Для повышения точности сравнения можно использовать сдвоенные двухвходовые компараторы.

Напряжение верхнего порога переключения:

Uв = R1 / R2 (Uн ± Uд) - Еон

Рис. 4. - Схема двухпорогового компаратора (а) и диаграмма его работы (б):

Напряжение нижнего порога переключения:

Uн = R1 / R2 (Uн ± Uд) - Еон

Интегральные компараторы.

Интегральные компараторы отличаются от схем сравнения, выполненных на ОУ общего применения, тем, что их выходной сигнал согласован по уровню с напряжениями, которые используются в цифровой технике для отображения сигналов логических уровней - логического нуля и логической единицы. Компараторы на ОУ общего применения, имея достаточно высокую точность сравнения входных напряжений, не в состоянии обеспечить нужного быстродействия, которое, как было сказано выше, принято характеризовать «временем восстановления».

Таким образом, время восстановления определяется как временной интервал между моментом равенства напряжений на входах компаратора и моментом, когда его выходное напряжение достигнет порогового уровня (Uпор), которое определяется ровным срабатывания логических схем. Используя в компараторах обычные ОУ без ОС, независимо от их быстродействия, трудно получить tвост < 1 мкс (при этом основной его составляющей будет время задержки): Нормальным режимом работы транзисторов в ОУ является активный режим. В режиме сравнения двух сигналов напряжение на входе ОУ, работающего без ОС, равно:

UвхОУ ? UвыхОУ / Кu

Где:

Ku - коэффициент прямой передачи напряжения со входа на выход ОУ без ОС.

В этом случае транзисторы в ОУ переходят в режим насыщения (режим перегрузки), и потребуется определённое время, чтобы избыточные заряды в базах транзисторов рассосались. Быстродействие схемы сравнения снижается. Поэтому при разработке интегральных компараторов (ИКП) применяют специальные схемотехнические решения, направленные на недопустимость перехода транзисторов в режим насыщения.

Поэтому, современные компараторы выполняются по специализированным схемам в интегральном исполнении и, в этом случае, время восстановления у них менее 100 нс.

Заключение

Компараторы на ОУ общего применения используются при разработке высокоточных схем сравнения, которые работают с медленно изменяющимися сигналами.

Интегральные компараторы применятся в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокое быстродействие и, в зависимости от конкретных требований, используют высокоточные или высокоскоростные компараторы. Хотя ОУ не разработаны для применения в качестве компараторов, тем не менее, существуют многочисленные схемы применения, где использование ОУ в качестве компаратора является правильным инженерным решением.

Важно принять грамотное решение, гарантирующее, что выбранный ОУ работает так, как ожидается. цифровой регенераторный компаратор

Для этого требуется внимательное изучение технического описания и учёт влияния неидеальных параметров ОУ на данную схему.

Литература

1. Жеребцов И.П. Основы электроники. Л.: Энергия, 1974.

2. Т.М. Агаханян. Интегральные микросхемы. М.: Энергоатомиздат, 1983.

3. Метрология и радиоизмерения в телекоммуникационных системах. Учебник для ВУЗов / В.И. Нефедов, В.И. Халкин, Е.В. Федоров и др. - М.: Высшая школа, 2001 г. - 383 с.

4. Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003 г. - 1104 с.

5. Справочник по интегральным микросхемам / Под ред. Б.В. Тарабрина. М.: Энергия, 1984.

6. Стексов А.М. Конспект лекций по дисциплине «Электронные цепи и микросхемотехника».

7. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1977.

Размещено на Allbest.ru