Компараторы

Типичным представителем аналого-цифровых ИС яв­ляется компаратор (Comparator – сравнивающее устройство) — простейший преобразователь не­прерывного сигнала в дискретный. На два его входа – инвертирующий (-) и неинвертирующий (+), подаются два аналоговых сигнала U^- и U⁺. Цифровой сигнал на вы­ходе компаратора может находиться на одном из двух фиксированных уровней: высокий уровень, если U^- < U⁺ и низкий — при противопо­ложном соотношении этих напряжений. Точность сравнения характеризуется разностью входных сигналов DU_вх, чтобы напряжение на выходе переключилось из одного состояния в другое (перепад выходного напряжения DU_вых =Е¹ - Е⁰).

Быстродействие компаратора принято характеризовать временем переключения (задержки) t_з. Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение достигнет порога срабатывания ЛЭ.

Обычный операционный усилитель без обратных связей может быть с ус­пехом применен для работы в качестве компаратора.

Рис 11.1. Компаратор на ОУ.

При U^- <U⁺, ОУ насыщен и напряжение на выходе ОУ практически равно +Еп. В узком диапазоне напряжений U^- -U⁺=DU_вх, т.е. вблизи равенства U^- =U⁺ ОУ находиться в активном (линейном) режиме, и при U^- >U⁺ ОУ опять насыщен и напряжение на выходе ОУ становится равным -Еп. Достоинством компараторов на ОУ является высокая чувствительность U^- -U⁺=DU_вх=2Еп/Кu, где Кu – коэффициент усиления ОУ без обратных связей Кu»10⁴¸10⁶. При стандартном Еп=15 В DU_вх составляет от единиц мВ до десятков мкВ. Однако у компараторов на ОУ, независимо от их быстродействия, трудно получить быстродействие меньше единиц мкс из-за насыщения транзисторов. Время переключения ОУ на порядки уступает быстродействию ЛЭ. Кроме того, выходное напряжение не соответствует стандартным логическим уровням, требуются элементы согласования с ЛЭ. ОУ требует специального питания, имеет повышенную чувствительность к помехам и поэтому в этом качестве используется крайне редко и является нежелательным элементом на цифровой плате.

Интегральные компарато­ры, специально разработанные для преобразования не­прерывных сигналов в дискретные, имеют ряд преиму­ществ в сравнении с обычными ОУ. Прежде всего, компараторы переключаются гораздо быстрее, чем ОУ. Это достигается благодаря тому, что при проектирова­нии компаратора специально предусматриваются меры, обеспечивающие быстрый выход усилительных каскадов из режима насыщения. Кроме того, в отличие от ОУ вы­ходной сигнал компаратора обычно изменяется в преде­лах, позволяющих производить непосредственное управ­ление логическими интегральными схемами. Компара­торы могут иметь также дополнительные стробирующие входы, изменяя потенциал которых, можно включать компаратор в работу или выключать его.

Компаратор не предназначается для работы в режиме с отрицательной обратной связью (ООС). Поэтому в нем не обеспечивается линейность участка амплитудной характеристики, лежащего между двумя уровнями ограничения, и не предусматриваются корректирующие цепи, устраняющие самовозбуждение при введении ООС.

Схемы интегральных компараторов схожи со схемами операционных усилителей, но обычно проще их. Описываются приблизительно сходными параметрами. Это входной ток (I_вх), напряжение смещения, коэффициент усиления, допустимый диапазон синфазного входного сигнала, время задержки включения (t_вкл), нагрузочная способность, ток потребления (I_п ).

Отечественная промышленность выпускает различ­ные типы компараторов. Микросхема К554СА1, напри­мер, содержит два стробируемых компаратора (I_вx = 75мкА, t_вкл < 120 нс), выходы которых объединены по схеме ИЛИ. Микросхема К554СА2 — одиночный не-стробируемый компаратор с параметрами, примерно та­кими же, как у К554СА1. Питаются эти компараторы от напряжений +12 и —6 В.

Рис 11.2. Интегральные компараторы

Более удобные напряжения питания ±15 В имеет одиночный стробируемый компаратор К554САЗ (I_вх =0,1 мкА, t_вкл < 200 нс). Более того, этот компаратор может работать и при однополярных питающих напряжениях (например, от +5 до +30 В). Выходной каскад компаратора выполнен по схеме с открытым коллектором, что позволяет подключать внешнюю нагрузку (реле, светодиод и т.д.) с током нагрузки до 200 мА. При работе на ТТЛ логику между выходом компаратора и цифровым источником питания +5 В подключается внешний резистор 1 кОм.

Высокое быстродействие имеют компараторы КМ597СА1 (I_вх = 13мкА, t_вкл =6,5 нc) и КМ597СА2 (I_вх =10 мкА, t_вкл = 12 нc), но и потребляемый ими от источников питания ток (30—40 мА) существенно боль­ше, чем у упомянутых выше компараторов серии К554 (6—12 мА). Компаратор КМ597СА1 вырабатывает сиг­нал, характерный для быстродействующих ЭСЛ-схем. Компаратор КМ597СА2 предназначен для управления схемами ТТЛ или ТТЛШ и имеет парафазный выходной каскад и схему запоминания предыдущего состояния. Удобна в применении микросхема КМ597САЗ, содержа­щая два стробируемых независимых компаратора (I_вх =0,25 мкА, t_вкл =300 нc), питающаяся от источников ±15 В и характеризующаяся малым током потребления (примерно 2,5 мА).

Применяются компараторы как по прямому назначе­нию - для сравнения двух напряжений, так и в различных схемах с положительной обратной связью: форми­рователях, релаксационных генераторах и т. д.

Рис 11.3. Схемы с компараторами: а) схема селектора импульсов с амплитудой Uвх>Uо; б) схема допускового контроля; в) временные диаграммы работы селектора

Некоторые примеры схемы использования компаратора показаны на рис 11.3. Схема рис 11.3а формирует цифровые импульсы на выходе, когда входной сигнал превышает пороговое напряжение Uо. В схеме рис 11.3.б логическая единица на выходе появляется, если входной сигнал выходит за границы Umax и Umin.