Быстродействие универсальных компараторов типа рА710, LM111 и LM139 не всегда достаточно. Для цифровых ИМС типа ТТЛШ или ЭСЛ достижимо быстродействие на уровне 1...10 не, поэтому желательно обеспечить такую скорость и для аналогового компаратора.
Быстродействие компараторов, работающих без обратной связи с большими входными токами, можно увеличить за счет совершенствования схемотехники и интегральных структур. Один из основных принципов проектирования:
биполярные транзисторы, входящие в состав компаратора, ни при каких допустимых режимах не должны входить в состояние насыщения. В компараторах этого труднее избежать, чем в ОУ, поскольку:
· на входах компаратора в нормальном режиме работы могут быть большие дифференциальные и синфазные напряжения;
· выходные каскады компараторов представляют собой логические элементы, работающие в ключевом режиме.
Один из путей устранения насыщения транзисторов заключается в шунтировании перехода база–коллектор диодом Шоттки. На Рис. 13.9 приведены упрощенные схемы транзисторных ключей с указанием разностей потенциалов между выводами в открытом состоянии.
Рис. 13.9. Упрощенные схемы ключей на биполярных транзисторах: а – без диода Шоттки, б – с диодом Шоттки, шунтирующим переход база-коллектор ключа
Ключ без диода Шоттки (Рис. 13.9а) находится в глубоком насыщении. При его переводе в режим отсечки требуется значительное время на рассасывание избыточных зарядов в базе. Включение диода Шоттки (Рис. 13.9б), имеющего низкое прямое падение напряжения и малое время восстановления, позволяет исключить переход транзистора в режим насыщения. При этом избыточный входной ток ключа ID ответвляется через диод в цепь коллектора, что устраняет накопление неосновных носителей в базовой области транзистора происходящее в режиме насыщения. Тем самым обеспечивается наименьшее время выхода транзистора из открытого состояния. Применение этого принципа при построении скоростного компаратора SE527 (отечественный аналог – 521СА4) позволило снизить время переключения до 15 не. Диоды Шоттки использованы также в выходном каскаде скоростного компаратора TL714C, имеющего время переключения 6 нс. Дальнейшее повышение быстродействия достигается построением всех каскадов компаратора на дифференциальных парах, которые всегда работают в линейном режиме. Это наиболее удобно в случае, когда компаратор предназначен для работы с ЭСЛ-логикой, основой схемотехники которой также являются дифференциальные пары транзисторов. Примером такого компаратора может служить МАХ9692, типичное время переключения которого составляет 1.2 нс.
Для повышения скорости нарастания выходного напряжения входные каскады скоростных компараторов выполняют по схеме, аналогичной схеме ОУ с токовой обратной связью (см. Рис. 3.7 в главе 3). Именно так построен входной каскад компаратора TL714C.
В заключение перечислим некоторые особенности компараторов по сравнению с ОУ:
· несмотря на то что компараторы очень похожи на операционные усилители, в них почти никогда не используют отрицательную обратную связь, так как в этом случае весьма вероятно (а при наличии внутреннего гистерезиса – гарантировано) самовозбуждение;
· в связи с тем что в схеме нет отрицательной обратной связи, напряжения на входах компаратора неодинаковы;
· из-за отсутствия отрицательной обратной связи входное сопротивление компаратора относительно невелико и может меняться при изменении входных сигналов;
· выходное сопротивление компараторов значительно и различно для разной полярности выходного напряжения.