фывапывфпм. Цифровые интегральные микросхемы общие сведения

• Название: Цифровые интегральные микросхемы общие сведения
• Анкор: фывапывфпм
• Дата: 27.10.2021
• Размер: 0.93 Mb.
• Имя файла: prorobot.ru-09-0265.doc
• Тип: Документы; #257592
• страница: 19 из 19

Аналоговые компараторы напряжений

Устройство и принцип действия. Компараторами напряжений называют интегральные микросхемы, предназначенные для сравнения в логической форме: больше или меньше. По сути дела, компаратор напряжения чувствителен к полярности напряжения, приложенного между его сигнальными входами. Напряжение на выходе будет иметь высокий уровень U_1ВЫХ всякий раз, когда разность напряжений между неинвертирующим и инвертирующим сигнальными входами положительна и, наоборот, когда разностное напряжение отрицательно, то выходное напряжение компаратора соответствует логическому нулю U_ВЫХ. Это правило записывают следующими образом:
(9.1)
Графическая зависимость выходного напряжения от разности входных напряжений приведена на рис. 9.1,а, а условное схематическое обозначение компаратора приведено на рис. 9.1б. Как видно из обозначения, компаратор напряжения помимо основных сигнальных входов может иметь служебные входы различного назначения: стробирования, балансировки, согласования уровней и др.

Упрощенная структурная схема дифференциального каскада ДК, устройства смещения уровней и выходной логики. Входной дифференциальный каскад формирует и обеспечивает основное усиление разностного сигнала. Помимо этого, он позволяет осуществлять балансировку выхода при помощи внешнего подстроечного резистора и позволяет скорректировать напряжение смещения нулевого уровня в пределах до 1…2мВ, возникающее в дифференциальном каскаде. С помощью балансировки можно также установить предпочтительное начальное состояние выхода.

Входы стробирования предназначены для фиксации момента времени, когда производится сравнение входных сигналов и выдача результата сравнения на выход. Для этого на вход стробирования подается импульсный сигнал разрешения сравнения. Результаты сравнения могут появляться на выходе компаратора только во времени строба или могут фиксироваться в элементах памяти компаратора до прихода очередного импульса строба. Таким образом, стробируемые компараторы могут быть без памяти и с памятью. Кроме этого, стробирование может выполняться по уровню импульса или по его фронту (перепаду уровней). Для указания стробирования по фронту на входе стробирования изображается направление перепада от низкого уровня к высокому или, наоборот, от высокого уровня к низкому. Пример такого обозначения стробирования приведена на рис.9.1в.

Поскольку импульс строба приходит одновременно с изменяющимся входным сигналом, то минимальная длительность строба (или его фронта) должна быть такой, чтобы входной сигнал успел пройти через дифференциальный каскад, прежде чем сработает ячейка памяти. Это время называют обычно временем разрешения выборки. Применение стробирования повышает помехозащищенность компаратора, так как помеха может изменить состояние выхода только в узкое время разрешения выборки.

Цепь смещения, подключаемая к дифференциальному каскаду, обеспечивает получение оптимальных уровней токов в элементах дифференциального каскада и исключает его насыщение при большом уровне входных сигналов. Кроме этого, устройство смещения устанавливает также соответствующие уровни напряжения и тока в выходном логическом каскаде. Благодаря этому обеспечивается работа компаратора с определенным типом логики  ТТС, ЭСЛ или КМОП.

Характеристики аналоговых компараторов. Аналоговые компараторы описываются набором параметров, которые нужно учитывать при их использовании. Основные параметры можно разделить на статические и динамические. К статическим параметрам относятся такие, которые определяют его состояние в установившемся режиме:

*пороговая чувствительность  минимальный разностный сигнал, который можно обнаружить компаратором и зафиксировать на выходе как логический сигнал;

*напряжение смещения е_СМ  определяет смещение передаточной характеристики компаратора относительно идеального положение (для коррекции этого смещения используют балансировку);

*входные токи I⁺_ВХ и I^-_ВХ  токи, протекающие через входные выводы компаратора;

*разность входных токов I_ВХ =I⁺_ВХ -I^-_ВХ  ток, протекающий через закороченные входы;

*напряжение гистерезиса U_Г  разность входных напряжений, вызывающих срабатывание компаратора при увеличении или уменьшении входного напряжения;

*коэффициент ослабления синфазного сигнала К_ОСС  отношение синфазного сигнала U_СИН к дифференциальному сигналу U_ВХ, вызывающему срабатывание компаратора К_ОСС=20lg(U_СИН /U_ВХ);

*входное сопротивление  полное входное сопротивление для малого разностного сигнала;

*выходные логические уровни  значение напряжения U¹_ВЫХ и U⁰_ВЫХ;

*выходной ток I_ВЫХ  ток, отдаваемый компаратором в нагрузку.

Некоторые из перечисленных статических параметров компаратора влияют на его суммарную погрешность. К таким параметрам относятся: напряжение смещения е_СМ нулевого уровня и его температурный коэффициент de_СМ /dT, входные токи I_ВХ и их разность I_ВХ, а также напряжение гистерезиса U_Г.

Гистерезис компаратора проявляется в том, что переход из состояния U⁰_ВЫХ в состояние U¹_ВЫХ происходит при входном напряжении U_ВХ1, а возвращение из U¹_ВЫХ в U⁰_ВЫХ  при напряжении U_ВХ2. Разность U_ВХ1 -U_ВХ2=U_Г называется напряжением гистерезиса. Напряжение гистерезиса входит в полную погрешность компаратора, если U_ВХ изменяет знак. Наличие гистерезиса связано с использованием в компараторе положительной обратной связи, которая позволяет устранить дребезг U_ВЫХ при U_ВХ=0. Наличие гистерезиса приводит к появлению зоны неопределенности, внутри которой невозможно установить значение U_ВХ.

Основным динамическим параметром компаратора, определяющим его быстродействие, является время задержки распространения скачкообразного входного сигнала. Иногда это время называют временем переключения компаратора. Это время отсчитывают от момента подачи входного сигнала U_ВХ до момента, когда выходной сигнал достигнет уровней U¹_ВЫХ или U⁰_ВЫХ. Время задержки распространения существенно зависит от уровня входного дифференциального сигнала U_ВХ. При увеличении напряжения U_ВХ время задержки распространения уменьшается. На рис. 9.4а показаны переходные характеристики компаратора при различных значениях уровня входного сигнала U_ВХ=2…20мВ. Из приведенного графика следует, что при изменении входного напряжения на порядок время задержки изменяется примерно в 2,5 раза. График зависимости времени задержки распространения от уровня входного сигнала приведен на рис.9.4б.

В дополнение к перечисленным выше стробируемые компараторы характеризуются дополнительными параметрами, обусловленными использованием импульса строба: временем разрешения выборки и максимальной частотой стробирования. Качество стробируемых компараторов тем выше, чем меньше время разрешения выборки и чем больше допустимая частота стробирования.

Классификация компараторов. Интегральные микросхемы компараторов можно разделить по совокупности параметров на три группы:

*общего применения (t_ЗД.Р.300нс, К_У100дБ);

*быстродействующие (t_ЗД.Р.30нс);

*прецизионные (К_У100дБ, е_СМ 3мВ, i_ВХ 10нА).

Кроме того, компараторы можно разделить на стробируемые и нестробируемые, а также с памятью и без памяти.

Компараторы общего применения имеют более скромные характеристики по сравнению с приведенными в табл. 9.1. Однако эти компараторы имеют свои преимущества  они потребляют меньшую мощность, могут работать при низком напряжении питания и в одном корпусе располагается до четырех компараторов. Так, например, счетверенные компараторы среднего быстродействия и небольшого тока потребления типов К140СА1 и К1401СА2 имеют время задержки распространения меньше 3мкс, ток потребления 2мА, коэффициент усиления 90дБ и напряжение смещения нулевого уровня меньше 5мВ.

Многие компараторы общего применения имеют на выходе транзистор с открытым коллектором, что позволяет подключать нагрузку этого транзистора к внешнему источнику питания, напряжение которого выбирается в зависимости от типа используемой логики. Схема включения внешней нагрузки к выходу компаратора приведена на рис. 9.5 а. Значение сопротивления нагрузочного резистора выбирают в пределах 100…1000Ом. Меньшие сопротивления обеспечивает более высокую скорость переключения.

Прецизионные компараторы отличаются от компараторов общего применения рядом улучшенных характеристик. Они имеют повышенный коэффициент усиления, меньшее пороговое напряжение переключения, пониженное напряжение смещения нулевого уровня и малый входной ток. Быстродействие этих компараторов обычно не очень высокое, время переключения обычно меньше 300нс. В качестве примера в табл. 9.2 приведены характеристики некоторых типов прецизионных компараторов. Наиболее высокие параметры имеет компаратор СМР-02 фирмы Precision Monolithics. Отечественный компаратор К554СА3 немного уступает ему по пороговой чувствительности и напряжению смещения нуля. Быстродействие этих компараторов практически одинаково.

Применение аналоговых компараторов напряжения. Основные особенности аналоговых компараторов связаны с отсутствием в них частотной коррекции и большим коэффициентом усиления. В отличие от операционных усилителей, в компараторах практически никогда не применяют отрицательную обратную связь, так как она понижает стабильность их работы. Специализированные компараторы напряжений имеют малые задержки, высокую скорость переключения, устойчивы к большим переключающим сигналам.

Для устранения многократных переключений в момент сравнения сигналов в компараторах часто используют положительную обратную связь. Положительная обратная связь обеспечивает надежное переключение компаратора и устраняет дребезг выходного напряжения в момент сравнения. Однако при введении положительной обратной связи создается зона неопределенности, обусловленная гистерезисом. Если сигнал на входе компаратора изменяется монотонно, то наличие гистерезиса не отражается на погрешностях компарирования.

Напряжения на входах компаратора из-за отсутствия отрицательной обратной связи могут существенно отличаться. Поэтому для ограничения входного напряжения на входе компаратора часто устанавливают двухсторонний диодный ограничитель, схема которого приведена на рис.9.5б.

Быстродействие компаратора существенно зависит от уровня входного дифференциального сигнала. С увеличением входного сигнала до определенного значения время переключения уменьшается. Однако дальнейшее увеличение входного сигнала может привести к насыщению компаратора и снижению его быстродействия. В связи с этим в схеме двухстороннего ограничителя, приведенного на рис.9.5б, рекомендуется использовать диоды Шотки с малым падением напряжения. Рекомендуемое значение входного напряжения указывается в справочниках данных на компаратор и обычно лежит в пределах 20…100мВ.

Отказ от отрицательной обратной связи приводит к еще одной особенности применения компараторов напряжения  снижению их входного сопротивления и увеличению входного тока. При увеличении входного напряжения свыше порогового значения у компараторов может резко увеличиться входной ток и понизится входное сопротивление. Происходит это по двум причинам: резкое увеличение тока базы транзисторов дифференциального каскада и включение диодов защиты.

Основное применение компараторы напряжения находят в устройствах сопряжения цифровых и аналоговых сигналов. Простейшим примером такого применения является аналого-цифровой преобразователь параллельного типа, приведенный на рис.9.6. В нем использованы четыре компаратора К1…К4 и резистивный делитель опорного напряжения U_ОП. При одинаковых значениях сопротивлений в резистивном делителе на инвертирующие входы компараторов подано напряжение nU_ОП/4, где n  порядковый номер компаратора. На неинвертирующие входы компаратора подано напряжение U_ВХ. В результате сравнения входного напряжения с опорными напряжениями на инвертирующих входах компараторов на выходах компараторов образуется унитарный цифровой код входного напряжения. При помощи цифрового преобразователя кода этот код можно преобразовать в двоичный.

Различные варианты подключения аналоговых компараторов напряжения к цифровым логическим микросхемам серии ТТЛ приведены на рис. 9.7. В первой схеме выход компаратора непосредственно соединен с входом цифровой микросхемы ТТЛ. Такую схему можно использовать при открытом коллекторном выходе в компараторе К.

Во второй схеме компаратор К управляет коммутирующим транзистором Т, который в свою очередь управляет цифровой микросхемой ТТЛ. Диод D в базе транзистора Т выполняет защиту базы транзистора от пробоя отрицательным выходным напряжением компаратора.

Третья схема показывает подключение цифровой микросхемы к компаратору К через токоограничивающий резистор R_О. Такую схему лучше применять с цифровыми микросхемами серии КМОП.

И, наконец, в четвертой схеме кроме токоограничивающего резистора R_О имеется фиксирующий диод D, который отпирается, если напряжение на входе цифровой микросхемы поднимается выше 5В.

Для компарирования аналоговых сигналов можно применять операционные усилители. В этом случае для ограничения выходного напряжения в цепь отрицательной обратной связи ОУ включают стабилитрон с напряжением включения, зависящим от типа цифрового логического элемента. Основными недостатками компараторов на ОУ являются: невысокое быстродействие и большое число внешних дискретных элементов. Время переключения таких компараторов обычно имеет значение 0,5…1,0мкс. Для устранения паразитной генерации используется внешняя положительная связь, при помощи которой формируется зона гистерезиса.