Компаратор является неотъемлемой частью всех АЦП и это логическое устройство, предназначенное для сравнения двух аналоговых сигналов.
Один из сигналов называют опорным сигналом ( ), а другой называют входным или измеряемым сигналом ( ).
В момент равенства входного и опорного сигналов компаратор резко меняет состояние своего выхода, причем у стандартных микросхем интегральных компараторов уровни выходных сигналов привязаны к уровням входных сигналов цифровых интегральных схем. Компаратор является неотъемлемой частью всех АЦП и это логическое устройство, предназначенное для сравнения двух аналоговых сигналов.
Один из сигналов называют опорным сигналом ( ), а другой называют входным или измеряемым сигналом ( ).
В момент равенства входного и опорного сигналов компаратор резко меняет состояние своего выхода, причем у стандартных микросхем интегральных компараторов уровни выходных сигналов привязаны к уровням входных сигналов цифровых интегральных схем.
Получается, что в момент равенства входного и опорного сигналов компаратор производит один бит информации. Поэтому в этом плане его можно рассматривать как элементарный одноразрядный квантователь (одноразрядный АЦП).
С учетом сказанного логическую функцию преобразования компаратора можно записать следующим образом:
,
(143)
где и – уровни напряжений логической единицы или нуля соответственно.
Графически эту функцию можно показать следующим образом:
Поменяв точки подключения входного и опорного сигналов можно получить инверсную характеристику преобразования.
Однако в большинстве применений характеристика преобразования компаратора воспроизводится с ошибками. Ошибки могут быть как систематического, так и случайного характера.
Причиной возникновения систематических ошибок в основном являются неидеальность самого компаратора и внешних цепей, подключенных к компаратору.
Одна из типичных систематических ошибок, это конечность коэффициента усиления. В этом случае характеристика преобразования имеет конечную крутизну фронта.
Рис. 85. К пояснению ошибки от конечности
.
(144)
Аналогичное влияние может оказать конечная величина входного сопротивления.
Причиной возникновения случайных ошибок являются температурные дрейфы и шумы самого компаратора, шумы и помехи во входном и опорном сигналах.
Характер влияния составляющих этих ошибок в принципе одинаковый, но отличается спектральным составом. Например, температурные дрейфы приводят к медленному смещению характеристики преобразования, а шумы и помехи делают эту характеристику неопределенной в каком-то диапазоне амплитуд входных сигналов.
В качестве компаратора может быть использован ОУ. Он имеет два равнозначных по электрическим свойствам входа, на которые можно подавать опорный и измеряемый сигналы, и достаточно большой Ku, чтобы обеспечить высокую точность сравнения. Однако при проектировании частотная характеристика ОУ выбирается таким образом, чтобы обеспечить его устойчивость при работе в схемах с отрицательной обратной связью, а это снижает быстродействие, что очень важно для компараторов. Потому что будет затягиваться фронт выходного сигнала компараторов, что может привести к ложным срабатываниям цифровых схем, подключаемых к выходу компаратора. Кроме того, выходные уровни напряжений насыщения ОУ не совпадают с напряжениями логических уровней ни одной из серии цифровых интегральных схем. Поэтому прежде чем подать выходной сигнал с ОУ на цифровую схему необходимо установить сначала схему согласования уровней.
Учитывая эти два фактора, разработаны и выпускаются специальные интегральные схемы компараторов напряжения.
По существу интегральный компаратор напряжения представляет собой специализированный ОУ, входные каскады которого также как у ОУ работают в линейном режиме, обеспечивая большой коэффициент усиления и большое входное сопротивление. Отличие заключается в схемотехнике выходных каскадов. Они, как правило, представляют собой выходной каскад одной из серии цифровых интегральных схем. На рис. 87 для примера показана схема компаратора К521СА2.
Рис. 87. Схема компаратора К521СА2
Схема компараторов практически полностью похожа на схемы ОУ 140УД1 и 153УД1. Она содержит два усилительных каскада, построенных по дифференциальной схеме. Это каскады VТ1, VТ2 и VТ4, VТ5. Причем каскад VТ1, VТ2 полностью повторяет каскады названных усилителей. Также для обеспечения режима микротоков он запитан от пониженного питания через эмиттерный повторитель на транзисторе VТ3 и содержит источник тока на транзисторах VТ6, VТ7. Небольшое отличие наблюдается во втором каскаде, потому что если бы его сохранить точно также, как в названных ОУ, то при работе в режиме компаратора (при сравнении сигналов) этот каскад входил бы в насыщение. Так происходит в усилителях 140УД1 и 153УД1, если они работают в режиме компаратора. Это снижает быстродействие, так как необходимо время на рассасывание избыточных носителей из базы транзисторов. Чтобы насыщения не происходило, в схему введен транзистор VТ8, включенный по схеме диода.
В результате, когда на выходе схемы устанавливается высокий уровень напряжения, соответствующий элементам ТТЛ, диод VT8 открывается, а порог его срабатывания установлен делителем R1 и R2, потенциал коллекторов транзисторов VT4 и VT5 фиксируется примерно на уровне 4,7 В. Поэтому эти транзисторы не входят в режим насыщения. Стабилитроны VD1 и VD2 работают как схемы сдвига уровня.
Для того, чтобы изменения тока нагрузки не сказывались на режим работы каскадов потенциал базы транзистора V10 зафиксирован (равен нулю), а сам транзистор VT10 питается полным током генератора стабильного тока на VT6 и VT7. Транзистор VT9 включен также как в элементах ТТЛ – эмиттерный повторитель, а резистор R3 служит для его защиты от короткого замыкания.
Существуют различные модификации, например, компараторы К521СА3 и К554СА3 имеют выходы с открытым коллектором. Рассмотрим принципы работы и основные источники ошибок базовых схем компараторов.
), а другой называют входным или измеряемым сигналом ( 
).
,
и 
– уровни напряжений логической единицы или нуля соответственно.
.
