Лекция 13

К О М П А Р А Т О Р Ы

Класс схем со специализированными точными преобразованиями входных переменных – КОМПАРАТОРЫ. Из названия следует, что они выполняют сравнение мгновенных значений входных напряжений между собой или напряжения входного сигнала с эталонным (опорным), вырабатывая при этом выходное напряжение «1» или «0» при соответствующем условии U_вх> или < U_оп.

Компараторы – основные элементы импульсной техники, выполняющие функции усиления и ограничения сигналов.

Области применения компараторов:

1) детекторы с переменным порогом;

2) детекторы перехода через 0;

3) дискриминаторы импульсов;

4) генераторы пилообразных и меандровых сигналов;

5) приемники цифровых сигналов с высокой помехоустойчивостью;

6) сравнение уровней напряжения (преобразование типа аналог – код), АЦП и т.д.

Для схем компараторов используют устройства с дифференциальным входом и большим коэффициентом усиления А_U. Выходной уровень должен быть согласован с логическим перепадом заданной элементной базы. Чаще всего используют схемы ДУ и ОУ, но у компараторов ниже требования к параметрам, чем у ОУ.

Коэффициент усиления должен быть достаточно велик, чтобы снижать перепад входных напряжений (для ЦИС он может быть в диапазоне 0 – 5 В), но вполне достаточен А_U = 1000. В отличие от ОУ не требуется большая скорость нарастания, но необходима большая скорость переключения выходных транзисторов из режима в режим, сопоставимая со скоростями в ЦИС. В этих схемах используется параметр задержка распространения сигнала от входа к выходу. Быстродействие компараторов может быть очень большим, поскольку обычно в них нет цепей ОС. Времена срабатывания могут быть порядка 1 мкс – 10 нс.

Основные особенности схем компараторов:

- в компараторах нет цепей ООС;

- компараторы работают в ключевом режиме, на выходе формируется цифровой сигнал;

- напряжения на входах компаратора разные, перепад входных напряжений может быть порядка величины напряжения источника питания.

Последняя особенность схем компараторов означает, что в предыдущих правилах для анализа идеальных ОУ не выполняется правило №1: напряжения на входах неодинаковы! В связи с отсутствием ООС входной импеданс для дифференциального сигнала может быть гораздо меньше, чем в схемах ОУ, поэтому могут быть ограничения на размах входного сигнала, например, только  5 В.

Перед использованием схем стандартных компараторов необходимо точно знать их спецификации!

Схемотехника компараторов похожа на схемотехнику ОУ, только выходные каскады отличаются.

На рисунках ниже показаны условное обозначение компараторов в схемах и их типовая передаточная характеристика. Наклон передаточной характеристики равен коэффициенту усиления А_0U.

U_вых

U ₂ - U_вых U_H

C

U ₁ +

U_L (U₁-U₂)

Компараторы можно охарактеризовать следующими основными параметрами:

- опорное напряжение U_оп - эталонное напряжение однопороговой схемы сравнения,

- амплитуда выходного напряжения высокого уровня U_H,

- амплитуда выходного напряжения низкого уровня U_L,

- входное напряжение переключения из низкого в высокий уровень U _вхL→H для схем регенеративного типа, с гистерезисом,

- входное напряжение переключения из высокого в низкий уровень U _вхH→L .

Высоким и низким ограничивающими уровнями выходного напряжения можно управлять внешними навесными элементами или при помощи специальных выходных каскадов цепей ограничения. На основе схем ограничителей можно построить схемы компараторов.

Очень часто для ограничения используют стабилитроны (диоды Б-Э). Стабилитрон можно охарактеризовать двумя параметрами: прямое падение напряжения U_Днас и напряжение лавинного пробоя стабилитрона, смещенного в обратном направлении U_проб.

Типовые схемы и их передаточные характеристики:

Ограничители.

►Ограничение снизу

R1 - Д U_вых U_вых

U _вх +

U_оп диод открыт U_оп

0 U_оп U_вх

При U_вх < U_оп U_вых = U_оп диод открыт,

U_вх ≥ U_оп U_вых = A_UU_вх, диод закрыт.

►Ограничение сверху

R1 - Д U_вых U_оп U_вых диод открыт

U _вх

U_оп +

0 U_оп U_вх

при U_вх < U_оп U_вых = A_UU_вх, диод закрыт.

U_вх ≥ U_оп U_вых = U_оп диод открыт,

►Ограничение снизу и сверху.

Д1 Д2 U_вых

R2 U_Днас+U_проб

U _вх

R - U_вых 0 U_вх

+

-(U_проб+U_Днас)

А_U = -R2/R1.

U_вых = - R2/R1U_вх в диапазоне

-(U_проб+U_Днас)R1/R2  U_вх  (U_проб+U_Днас)R1/R2.

►ОУ в компараторном включении.

U_вх R1 - R3 U_вых U_вых

U₀₂

+ Д2

0 U_вх

R2 Д1

U₀₁

U₀₂ = U_проб1 + U_Днас2 ,

U₀₁ = - (U_проб2 + U_Днас1).

На этой схеме можно сделать детектор уровня напряжения. Получили схему с выраженными значениями высокого и низкого напряжения на выходе, типичную характеристику компаратора.

► Схема детектора уровня. Схема сравнения уровней между собой. И эпюры выходных напряжений. Схема переключается при равенстве входных напряжений.

U_вх

U ₁ U₁

C U_вых t

U₂ U_вых U₂

t

Компараторы регенеративного типа (с положительной обратной связью).

Компараторы используются как ключевые устройства, в них можно применять положительную обратную связь (ПОС) для увеличения коэффициента усиления и получения гистерезиса в передаточной характеристике. В схемах таких модификаций входной сигнал может быть очень мал.

U_вых U_H

U_вх -

U_вых

+ U_on U_вх

R2 R1 U_L

U_опR1/(R1+R2)- U_опR1/(R1+R2)+

-U_LR2/(R1+R2) +U_HR2/(R1+R2)

U_оп

Запишем уравнения для передаточной характеристики компаратора с ПОС:

Входное напряжение, при котором схема переключается из низкого в высокий U_LU_H и наоборот, отстоит от опорной точки на величину:

а необходимое входное напряжение для переключения выхода из высокого в низкий уровень U_H U_L:

Ширина петли гистерезиса передаточной характеристики

Гистерезисная характеристика может быть необходима для предотвращения «дребезга» выходного сигнала. Ниже показаны эпюры изменения выходного сигнала в компараторах без ПОС и с гистерезисом, с ПОС.

Эпюры (временные характеристики) компараторов в схеме без ПОС, без гистерезиса.

U_ол

U_вх

U_вх время

U_H

U_вых

U_L

Эпюры в схеме с ПОС

U_вх(HL)

U_оп

U_вх(LH)

Время U_H

U_вых

U_L

Присоединив к резистору R2 небольшую емкость, получим схему триггера Шмитта.

Триггер Шмитта – очень распространенная схема с гистерезисной характеристикой, чаще используют вариант на транзисторах (см. ниже).

Т1 и Т2 – эмиттерно-связанная пара. Коллекторный резистор R1 должен быть обязательно больше R2, тогда пороговый уровень включения Т1 (U_БЭ1>0) снижается, так как эмиттерный ток больше, если проводит транзистор Т2. Характеристика переключения будет иметь гистерезис.

Пример: R1 =1.5 кОм, R2 = 1.0 кОм, R3 = 10 кОм , R0 = 100 Ом.

R1 R2 U_вых

выход

R3

Вход Т1 Т2 U_вх

R0

Схема компаратора на КМДП- транзисторах

+U

T5 T6 T8

I₀ T10 T12

В ход+ U_on

выход

T1 T2 T9 T11

В ход-

I_см

R_см T7

T3 T4

-U

Представленный компаратор состоит из двухкаскадного ОУ (практическая схема 3) и двух инверторов, формирующих цифровой сигнал (один ключ сформирует инвертированный сигнал). Каждый КМДП- ключ, кроме формирования цифрового сигнала, выполняет и усиление сигнала.

1) ДУ на транзисторах р- канальных Т1,Т2, активной нагрузкой является схема токового зеркала на транзисторах Т3,Т4. Смещение задается токовым зеркалом на транзисторах Т5,Т6 током I₀  I_см  (U⁺ - U^- - 1 B)/R_см;

2) усилителя с общим истоком на транзисторе Т7 с активной нагрузкой (ИТ на Т8);

3) КМДП – ключевого каскада на Т9,Т10;

4) аналогичного каскада на Т11,Т12.

При токе I₀ = 50 мкА коэффициент усиления A_0U (0) = 96 дБ, время задержки сигнала t_зд  1 мкс. Срабатывание схемы происходит при (U_0п - U_вх) и (U_0п +U_вх).

U_вых

U_вх=U_оп

U_on

Коэффициент усиления КМДП инвертора.

В области переключения КМДП- инвертор (каскады 3, 4 в схеме компаратора) имеет высокий коэффициент усиления. Определим, от чего зависит коэффициент усиления в схеме простого КМДП- инвертора.

Оба транзистора в активной области передаточной характеристики открыты и работают в пологой области ВАХ:

I_СИ = k (U_ЗИ – U_пор)²,

g_f = dI_СИ/dU_ЗИ = 2k (U_ЗИ – U_пор) = 2I_СИ/(U_ЗИ – U_пор).

Воспользуемся малосигнальными эквивалентными схемами для включения с общим истоком. Нагрузкой для каждого транзистора является его динамическое выходное сопротивление

g_mU_ЗИ r_CИ

g_mU_ЗИ r_CИ

r_СИ = U_А/I_СИ.

Cчитая k_n = k_p, U_порn = -U_порр, U_An = -U_Ap, получим

Здесь U⁺ и U^- - это напряжения источников питания схемы. При номинале напряжения питания 5 В, напряжении модуляции длины канала 200 В, коэффициент усиления в ключе может быть А_u  200. С подключенной нагрузкой усиление снижается. Обратим внимание на то, что усиление в инверторе не зависит от крутизн транзисторов.