Компаратор напряжения. 1 Компаратор напряжения 1 Общие сведения
 Скачать 406.74 Kb.
|
|
1 Компаратор напряжения 1.1 Общие сведения Компаратор — это сравнивающее устройство. Аналоговый компаратор (АК) предназначен для сравнения непрерывно изменяющихся сигналов. Входные аналоговые сигналы компаратора суть V IN — анализируемый сигнал и V REF — опорный сигнал сравнения, а выходной — V OUT — дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации: 𝑉 𝑂𝑈𝑇 = { 𝑉 𝑂𝑈𝑇 1 при 𝑉 𝐼𝑁 − 𝑉 𝑅𝐸𝐹 > 0; 𝑉 𝑂𝑈𝑇 0 при 𝑉 𝐼𝑁 − 𝑉 𝑅𝐸𝐹 < 0. Выходной сигнал компаратора почти всегда подаётся на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор — это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам и, по сути, является однобитным аналого-цифровым преобразователем. Нет необходимости уточнять неопределённость состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (рисунок 1). Рисунок 1 – Характеристики компараторов Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину |𝑉 𝑂𝑈𝑇 1 − 𝑉 𝑂𝑈𝑇 0 | при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (эпюра 1 на рисунке 2) при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Рисунок 2 – Процессы переключения компараторов Рассмотрим первый путь. Как бы велико усиление не было, при V IN ≈ 0 характеристика будет иметь вид, изображенный на рисунке 1, а. Это приведёт к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении V IN выходной сигнал также будет изменяться медленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем (эпюра 2 на рисунке 2). Ещё хуже то, что при таком медленном изменении V IN около нуля выход компаратора может многократно и с большой частотой менять своё состояние под действием помех (так называемый «дребезг», эпюра 3 на рисунке 2). Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (рисунок 1, б). Наличие гистерезиса, хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (эпюра 4 на рисунке 2), но существенно уменьшает или даже устраняет дребезг V OUT [2]. 1.2 Принципиальная схема компаратора Итак, компаратор — это быстродействующий дифференциальный усилитель постоянного тока с большим усилением, малыми дрейфом и смещением нуля, и логическим выходом. Его входной каскад должен обладать большим коэффициентом ослабления синфазной составляющей (КОСС) и способностью выдерживать большие синфазные и дифференциальные сигналы на входах, не насыщаясь, т. е. не попадая в режимы, из которых компаратор будет долго выходить. Для повышения помехозащищённости желательно снабдить компаратор стробирующим логическим входом, разрешающим переключение компаратора только в заданные моменты времени. Схема первого промышленного интегрального компаратора µА710 (отечественный аналог — 521СА2), разработанного Р. Видларом в 1965 г., приведена на рисунке 3. Она представляет собой дифференциальный усилитель на транзисторах VT1, VT2, нагруженный на каскады ОЭ на VT5 и VT6. Каскад на VT5 через транзистор VТ4 управляет коллекторным режимом входного каскада и через транзистор в диодном включении VТ7 фиксирует потенциал базы транзистора VT8, делая его независимым от изменений положительного напряжения питания. Каскад на VT6 представляет собой второй каскад усиления напряжения. Рисунок 3 – Схема компаратора µА710 Эмиттерные выводы транзисторов VT5 и VT6 присоединены к стабилитрону VD1 с напряжением стабилизации 6.2 В, поэтому потенциалы баз указанных транзисторов соответствуют ≈6.9 В. Следовательно, допустимое напряжение на входах компаратора относительно общей точки может достигать 7 В. На транзисторе VT8 выполнен эмиттерный повторитель, передающий сигнал с коллектора VT6 на выход. Постоянная составляющая сигнала уменьшается до нулевого уровня стабилитроном VD2. Если дифференциальное входное напряжение превышает +5…+10 мВ, то транзистор VT6 закрыт, а VT5 близок к насыщению. Выходной сигнал компаратора при этом не может превысить +4 В, так как для более положительных сигналов открывается диод на VT7, не допуская излишнего роста выходного напряжения и насыщения VТ5. При обратном знаке входного напряжения VT6 насыщается, потенциал его коллектора оказывается близок к напряжению стабилизации стабилитронов VD1 и VD2, а поэтому потенциал выхода близок к нулю. Транзистор VT9 — источник тока 3 мА для смещения VT8 и VD2. Часть этого тока (до 1.6 мА) может направляться в нагрузку с отрицательным (вытекающим) входным током. В дальнейшем эта схема развивалась и совершенствовалась. Схемы многих компараторов имеют стробирующий вход для синхронизации, а некоторые модификации снабжены на выходе триггерами-защёлками, т. е. схемами, фиксирующими состояние выхода компаратора по приходу синхроимпульса. Некоторые модели интегральных компараторов (например, AD790, МАХ907) имеют внутреннюю неглубокую положительную обратную связь, обеспечивающую их переходной характеристике гистерезис с шириной петли, соизмеримой с напряжением смещения нуля [2]. 1.3 Параметры компаратора Параметры, характеризующие качество компараторов, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные. Компаратор характеризуется почти теми же точностными параметрами, что и операционный усилитель. Это — коэффициент дифференциального усиления (K U ), коэффициент ослабления синфазного сигнала (К ОСС ), напряжение смещения нуля (V OFF ), входной ток (I IN ), разность входных токов по инвертирующему и неинвертирующему входам (I Р ), коэффициент влияния нестабильности питания (K В.П ), коэффициенты температурных дрейфов перечисленных параметров и их временные дрейфы. Влияние точностных параметров проявляется в том, что при постоянных напряжениях на входах выходной логический сигнал АК может отличаться от расчётного. Основным динамическим параметром компаратора является время переключения(t П ). Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение компаратора достигает противоположного логического уровня. Время переключения замеряется при постоянном опорном напряжении, подаваемом на один из входов компаратора и скачке входного напряжения (V IN ), подаваемого на другой вход. Это время зависит от величины превышения V ПР входного напряжения над опорным. Время переключения компаратора t П можно разбить на две составляющие: время задержки (t З ) и время нарастания или спада до порога срабатывания логической схемы (t Н или t СП ). Время переключения зависит также от направления переключения. В справочниках обычно приводится среднее время переключения. Некоторые производители указывают также разброс t П при изменении в указанных пределах V ПР , скорости нарастания V IN и синфазного входного напряжения [3]. Динамические свойства скоростных АК характеризуют также максимальной частотой переключения f П — максимальной частотой, при которой размах выходов будет не менее 50% номинальной величины. Шумовые свойства АК определяет среднеквадратичная величина дрожания фронта выходного импульса при подаче на его вход периодического сигнала прямоугольной формы. На рисунке 4 в качестве примера приведены переходные характеристики компаратора µА710 для различных значений дифференциального входного напряжения (VДИФ) при общем скачке входного напряжения 100 мВ. Рисунок 4 – Переходная характеристика компаратора µА710 при различных превышениях скачка входного напряжения V ДИФ над опорным: 1 — на 2 мВ; 2 — на 5 мВ; 3 — на 10 мВ; 4 — на 20 мВ. Эксплуатационные параметры компараторов определяют допустимые режимы работы их входных и выходных цепей, требования к источникам питания и температурный диапазон работы. Важными эксплуатационными параметрами являются уровни выходных сигналов, а также способы подключения нагрузки к выходу компаратора. Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены конечными значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы компаратора. Поскольку компараторы, в отличие от ОУ, могут работать со значительными дифференциальными входными напряжениями, важными характеристиками компаратора являются максимально допустимые величины дифференциального и синфазного входных напряжений [2]. 1.4 Основные типы компараторов В настоящее время в мире изготавливаются многие десятки наименований интегральных компараторов. Всё это многообразие можно разделить на группы, объединённые общей технологией и схемотехникой, близкими точностными, динамическими или эксплуатационными параметрами. Используя перечисленные выше параметры в качестве классификационных признаков, можно условно разделить выпускаемые в настоящее время компараторы на следующие группы [2]: • общего применения; • прецизионные; • микромощные; • скоростные. Выделим характерные черты каждой группы. Компараторы общего применения используются в электронных устройствах, к которым не предъявляется жестких требований поточности и быстродействию, и поэтому они представляют собой сравнительно простые в схемном отношении устройства [3]. Для этой группы характерны посредственные показатели по всем группам параметров: V OFF > 0.2 В, t П > 20 нс, I S > 50 мкА, поэтому они применяются преимущественно тогда, когда основным требованием является низкая цена. Такие устройства в некоторых случаях могут обеспечивать приемлемый компромисс между требованиями к быстродействию, точности и экономичности. Многие модели компараторов общего применения обладают высокой схемотехнической гибкостью. Прецизионными можно считать компараторы, имеющие типовое значение V OFF ≤0.2мВ. Для таких АК характерен также высокий коэффициент дифференциального усиления и очень низкие входные токи. Прецизионные компараторы применяют для сравнения малых, медленно меняющихся сигналов, поэтому требования к быстродействию у них невысоки. К микромощным можно отнести компараторы, типичный ток потребления которых не превышает 50 мкА на канал. Как правило, микромощные АК имеют значительное время переключения (t П >1 мкс), рассчитаны на низковольтное питание и применяются в системах с питанием от батарей. При этом точностные характеристики могут быть неплохими. Обычно микромощные АК изготавливаются на основе КМОП-технологии и поэтому имеют очень низкие входные токи. Выход оптимизирован для работы на КМОП-логику. К скоростным в настоящее время можно отнести АК с t П <10 нс. Для увеличения скоростей нарастания выходного напряжения требуется увеличить токи перезаряда ёмкостей схемы, а это приводит к росту входных токов и мощности, потребляемой АК от источников питания. Увеличение числа каскадов усиления по напряжению приводит к снижению скорости распространения, поэтому эти АК имеют только один такой каскад, что обусловливает низкое значение коэффициента усиления дифференциального напряжения. Для снижения зависимости времени переключения от V ДИФ большинство новых моделей снабжено внутренними положительными обратными связями, обусловливающими гистерезис переходной характеристики. По этой же причине разности высокого и низкого уровней выходных сигналов скоростных компараторов снижают до 350…800 мВ, а это требует применения дифференциальных линий связи для повышения помехозащищённости [2] |