Аналоговые компараторы (стр. 1 из 2)

Борис Аладышкин

Название компараторы произошло от латинского compare – сравнивать. На этом принципе работают приборы, в которых измерение производится методом сравнения с эталоном. Например, равноплечие весы или потенциометры электроизмерительные.

По принципу действия различают электрические, пневматические, оптические и даже механические компараторы. Последние применяются для поверки концевых мер длины. Впервые компаратор для проверки концевых мер был применен в Париже Ленуаром в 1792 году, о чем есть статья в энциклопедии Брокгауза и Эфрона.

Этот механический компаратор использовался для проверки эталона в 1м при образовании французской метрической системы. Точность измерения таким компаратором при помощи системы подвижных рычагов достигала 0, 0005мм. Для того времени это было очень точно. Но в этой статье мы не будем подробно рассматривать механические и иные компараторы, поскольку наша задача, - компараторы напряжения.

Интегральные компараторы. Принцип действия и разновидности

В настоящее время компараторы используются в основном в интегральном исполнении. Мало кому придет в голову собирать компаратор из дискретных транзисторов. Более того, компараторы используются как составная часть некоторых микросхем.

Например, интегральный таймер NE555 содержит целых два компаратора на входах, чем, собственно, и достигается вся прелесть его работы. Кроме того, многие современные микроконтроллеры также имеют встроенные компараторы. Но, независимо от исполнения, принципы работы компараторов совершенно одинаковы.

Современные компараторы по схеме очень напоминают ОУ. По сути, это тот же операционный усилитель, только без обратной связи и с очень высоким коэффициентом усиления. Компаратор также имеет два входа, - прямой и инверсный (отмечается кружочком или знаком «минус»).

Основная функция компаратора это сравнение двух напряжений, одно из которых образцовое или опорное, а другое собственно измеряемое. Выходной сигнал компаратора может принимать лишь два значения: логический ноль, и логическая же единица, но не может изменяться линейно, как у операционного усилителя.

На выходе компараторов, как правило, имеется выходной транзистор с открытым коллектором и эмиттером. Поэтому его можно подключить либо по схеме с ОЭ, либо эмиттерным повторителем, в зависимости от требований конкретной схемы, что и показано на рисунке 1.

На рисунке 1а показано включение выходного транзистора по схеме с общим эмиттером. В этом случае к выходу каскада возможно подключение ТТЛ и КМОП – логики с напряжением питания +5В. Если же КМОП – логика питается от напряжения 15В, то верхний по схеме вывод резистора 1КОм следует подключить к шине питания +15В.

Когда выходной транзистор подключен по схеме эмиттерного повторителя, как показано на рисунке 1б, напряжение на выходе компаратора будет меняться в пределах +15В…-15В. Однако при таком включении существенно падает быстродействие компаратора, а кроме того входы «меняются» местами, - происходит инверсия входов.

Рисунок 1.

Как проверить компаратор, жив или не жив?

Если в схему показанную на рисунке 1а последовательно с резистором R запаять светодиод, подключив его анодом к источнику питания +5В, а на входы с помощью резисторов подать напряжения, то изменяя эти напряжения хотя бы с помощью переменных резисторов, можно заставить мигать светодиод. В какой последовательности подавать опорное и входное напряжения можно узнать дальше. Пусть такая схема для проверки будет маленьким практическим заданием.

Логика работы компаратора

Функциональная схема компаратора показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Функциональная схема компаратора

При таком количестве входов и входных сигналов возможны два варианта. В первом случае, показанном в левой части рисунка, опорное напряжение подается на инвертирующий вход, а входное на неинвертирующий. Если при этом входное напряжение превысит опорное, то на выходе компаратора появится высокий уровень (лог. 1). В противном случае будем иметь логический ноль.

Во втором варианте, показанном в правой части рисунка, опорное напряжение подается на прямой вход, а входное на инвертирующий. В этом случае если входное напряжение больше, чем опорное на выходе компаратора логический ноль, в противном случае единица. На рисунке 2 все эти умозаключения показаны в виде математических формул.

Но тут у внимательного читателя может возникнуть справедливый вопрос: «Посмотрите на рисунок 1, сколько там выходов! Так о каком же из них идет речь, какой тут ноль и где здесь единица?» В этом случае речь идет о базе выходного транзистора, считается, что это выход операционного усилителя, на который подаются входные сигналы. А уж выходной транзистор, как было указано в комментарии к рисунку 1, можно включить любым способом.

Некоторые характеристики аналоговых компараторов

При использовании компараторов нужно учитывать их характеристики, которые можно разделить на статические и динамические. Статические параметры компаратора это те, которые определяются в установившемся режиме.

Прежде всего, это пороговая чувствительность компаратора. Она определяется как минимальная разность входных сигналов, при которой на выходе появляется логический сигнал.

Кроме входных и выходных многие компараторы имеют выводы для подачи напряжения смещения Uсм. С помощью этого напряжения осуществляется необходимое смещение передаточной характеристики относительно идеального положения.

Одним из основных параметров компаратора является гистерезис. Объяснить это явление проще всего, используя пример с обычным реле. Пусть рабочее напряжение катушки, например, 12В, тогда именно при нем произойдет срабатывание реле. Если после этого постепенно убавлять напряжение питания катушки, то отпускание реле произойдет, например, при напряжении 7В. Вот эта разница в целых 5В для данного реле и есть гистерезис. Но повторного включения реле, если напряжение так и останется на уровне 7В, не произойдет. Для этого надо напряжение поднять снова до 12В. И вот тогда…

То же самое наблюдается и у компараторов. Предположим, что входное напряжение плавно возрастает относительно опорного (сигналы поданы, как показано в левой части рисунка 2). Как только входное напряжение станет выше опорного (не менее, чем на величину пороговой чувствительности) на выходе компаратора появится логическая единица.

Если входное напряжение теперь станет плавно уменьшаться, то переход из логической единицы в логический ноль произойдет при напряжении на входе несколько ниже опорного. Разница входных напряжений при этих «выше опорного» и «ниже опорного» называется гистерезисом компаратора. Гистерезис компаратора обусловлен наличием в нем положительной обратной связи, которая призвана обеспечить подавление «дребезга» выходного сигнала при переключении компаратора.

Как устроен компаратор

Принципиальная схема на уровне транзисторов достаточно сложна, велика, не очень понятна, да практически и не нужна. Таковы особенности конструкции интегральной схемотехники, кажется, что транзисторы торчат везде, даже, где и не надо. Поэтому лучше рассмотреть упрощенную функциональную схему компаратора, которая показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Упрощенная функциональная схема компаратора

На схеме показаны входной дифференциальный каскад (ДК), выходная логика и схема смещения уровней.

Входной ДК осуществляет основное усиление разностного сигнала, а также с помощью устройства смещения позволяет осуществить предпочтительное состояние на выходе, что позволяет выбрать тип логики (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП), с которым предстоит работать. Данная настройка осуществляется при помощи подстроечного резистора, подключенного к выводам «балансировка».

Компараторы со стробированием и памятью

Некоторые современные компараторы имеют стробирующий вход: сравнение входных сигналов происходит только в момент подачи соответствующего импульса. Это позволяет сравнивать входные сигналы в тот момент времени, когда это потребуется. Ну, прямо, что душеньке угодно! Упрощенная структурная схема компаратора со стробированием показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Упрощенная структурная схема компаратора

Компараторы, показанные на этом рисунке, имеют парафазный выход, как у триггера, - верхний выход прямой, а нижний, отмеченный кружком, естественно, инверсный. Кроме этого здесь также показан стробирующий вход C.

На рисунке 4а стробирование входных сигналов производится по высокому уровню на входе C. При стробировании по низкому уровню, на графическом обозначении у входа C должен быть маленький кружочек (знак инверсии).

На рисунке 4б стробирующий вход C имеет черточку /, что говорит о том, что стробирование происходит по восходящему фронту импульса. В случае стробирования по падающему фронту черточка имеет вот такое направление .

Таким образом, сигнал стробирования есть не что иное, как разрешение сравнения. Результат сравнения может появляться на выходе только во время действия стробирующего импульса. Но некоторые модели компараторов обладают памятью (для этого достаточно всего одного триггера) и запоминают результат сравнения до прихода следующего импульса стробирования.

Длительность импульса стробирования (его фронта) должна быть достаточной для того, чтобы входной сигнал успел пройти через ДК до того, как успеет сработать ячейка памяти. Применение стробирования увеличивает помехозащищенность компаратора, поскольку помеха может изменить состояние компаратора лишь в короткое время стробирующего импульса. Часто компаратор называют одноразрядным АЦП.