Компараторы с однополярным питанием

Компараторы с однополярным питанием удобны для использования в носимой аппаратуре, имеющей батарейное питание, легко сопрягаются с КМОП и ТТЛ цифровыми схемами, поэтому они получили широкое распространение. Одна из первых моделей LM139/239/339 (отечественный аналог – 1401СА1), была создана Р. Видларом в начале 70-х годов прошлого века и оказалась на­столько удачной, что и поныне выпускается несколькими фирмами в больших количествах и многих модификациях (LM3302, LM393, TL331 и др.). ИМС LM139 представляет собой маломощный счетверенный компаратор среднего быстродействия с выходом в виде биполярного транзистора с открытым коллектором.

Схема входного каскада одного их четырех компараторов LM139 приведена на Рис. 13.7 [4.3].

Рис. 13.7. Схема входного усилитель­ного каскада компаратора LM139

Транзисторы VT₁..VT₄, включенные попар­но по схеме Дарлингтона, составляют p-n-p-дифференциальный входной каскад с на­грузкой в виде токового зеркала на транзисторах VT₅ и VT₆. Это позволяет преобразовать дифференциальный входной сигнал в несимметрич­ный выходной без потери усиления. Такое вклю­чение позволяет оперировать с синфазными входными сигналами, сниженными вплоть до потенциала общей шины (земли). Если оба входа имеют потенциал общей ши­ны, то напряжения эмиттеров транзисторов VT₁ и VT₄ относительно общей ши­ны равны V_ВЕ, а эмиттеров транзисторов VT₂ и VT₃ – 2 V_ВЕ. Для переключения компаратора достаточно, чтобы потенциалы коллекторов транзисторов VT₅ и VT₆ токового зеркала были бы выше потенциала общей шины на величину V_ВЕ. Поскольку транзисторы VT₂ и VT₃ могут работать с нулевыми напряжениями коллектор–база, то компаратор нормально работает при V_IN> – 0.3 В. Однако при переходе через эту границу, может произойти отпирание диода подложки, что приведет к непредсказуемому состоянию выхода или даже к повреждению компаратора, если входные токи не ограничены.

На Рис. 13.8 показана упрощенная схема компа­ратора LM139 с выходным каскадом.

Рис. 13.8. Упрощенная схема компаратора LM139

В каскадах с общим эмиттером на транзисто­рах VT₇ и VТ₈ осуществля­ется дополнительное уси­ление разностного сигнала. Коллектор транзистора VT₈ оставлен открытым, чтобы обеспечить более гибкое применение компаратора. Включение нагрузочного, так называемого «подтягивающего» (pull-up), рези­стора между коллектором VT₈ и V_S или любым другим источником питания с напряжением вплоть до +36 В позволяет управлять сравнительно мощной нагрузкой, например, индикаторами или реле. Несколько выходов могут быть соединены вместе, для того, чтобы обеспечить логическую операцию «проводное (монтажное) И/ИЛИ». Транзистор VT₈ в полностью открытом состоянии обеспечивает ток коллектора (нагрузки) до 15 мА. При этом его напряжение коллек­тор-эмиттер не превышает 1 В. При коллекторном токе 4 мА типичное значе­ние этого напряжения составляет 0.25 В.

Источники тока I₃ и I₄ по 3.5 мкА каждый используются для ускорения перезаряда паразитных емкостей эмиттеров транзисторов VT₁ и VT₄, что увеличивает скорость нарастания входного каскада. Диоды VD₁ и VD₂ установлены для защиты от пробоя перехода база–эмиттер транзисторов VT₁ и VT₄ при больших колебаниях входного напряжения.