Компаратор – это устройство сравнения. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения величин двух аналоговых сигналов. Если обозначить входной анализируемый сигнал K1N, а опорный сигнал (или уровень сравнения) KREB то выходной сигнал компаратора Tout – (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.
Неопределенность состояния выхода компаратора при разности входных сигналов |VIN - VREF| ~ 0 нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления (Рис. 13.1а), либо петлю гистерезиса (Рис. 13.1б).
Рис. 13.1. Характеристики компараторов (при KREF = 0): а – с конечным коэффициентом усиления, б – с гистерезисом (VG – ширина петли гистерезиса)
Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину |V1out – V0out| при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен был бы иметь бесконечно большой коэффициент усиления (Рис. 13.2б-1) и 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 |VIN - VREF| = 0 характеристика компаратора будет иметь вид Рис. 13.1а. Это приводит к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении VIN выходной сигнал также будет изменяться замедленно (Рис. 13.2б-2), что может вызвать нечеткое срабатывание последующих логических схем. Еще хуже то, что при таком медленном изменении VIN около VREF может появиться так называемый «дребезг», при котором выход компаратора многократно с большой частотой меняет свое состояние под действием помех или шумов (Рис. 4.2б-3).Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (Рис. 4.1б). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (Рис. 4.2б-4), но существенно уменьшает или даже полностью устраняет «дребезг» VOUT
б)
Рис. 13.2. Временные диаграммы переключения 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)
Рис. 13.3. Схема компаратора на ОУ
В качестве компаратора может быть использован и обычный операционный усилитель (ОУ), как это показано на Рис. 13.3. Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD1 и диод VD2.
Пусть R1 = R2. Если (VIN - VREF) > 0, то диод VD2 открыт и выходное напряжение схемы равно падению напряжения на открытом диоде и не превышает 0.5...0.7 В. При (VIN - VREF) < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации Vст. 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. 13.3, работает 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% отрицательной обратной связью. Поэтому в компараторах на обычных ОУ трудно получить время переключения менее 1 мкс.
