Компараторы. Общие определения

1.

Компараторы.
1.Общие определения.
Компараторы в измерительной технике выполняют функцию
высокоскоростного точного сравнения двух напряжений или
токов.
Компараторы выполняют на базе высокоскоростных
дифференциальных усилителей с высоким коэффициентом
усиления К0, малым смещением нуля, незначительным дрейфом и
логическим сигналом на выходе, реагирующим на знак разности
входных сигналов.
1

2.

Функциональная блок-схема компаратора:
Ux
ВУ
К0
ФУ
U0
Uвых
(0,1)
(Ux-U0)>0 Uвых(1)
(Ux-U0)<0 Uвых(0)
Ux – входное неизвестное напряжение;
U0 – опорное напряжение меры.
Обычно функции вычитающего устройства ВУ и усилителя К0
совмещаются в дифференциальном усилителе.
2

3.

Компараторы в схемотехнике условно обозначаются так:
+Eп
Ux
==
Uвых
U0
-Eп
3

4.

Классификация компараторов.
- двухвходовые компараторы сравнения напряжений;
- одновходовые компараторы сравнения токов;
- регенеративные компараторы;
- трансформаторные компараторы;
- многопороговые компараторы.
По типу формирующих устройств различают:
- компараторы с диодными формирователями;
- компараторы с формирующими нелинейными обратными
связями.
4

5.

Статические параметры компаратора.
Статические параметры компаратора определяются амплитудной
характеристикой:
2.1 δUx - статическая
Uвых
чувствительность.
+- DUп
δUx=(U0-Ux)min – минимальное
значение разности входных
U(1)
напряжений, достаточное для
перехода компаратора из одного
+- DUп
Uп = U0
состояния в другое 1↔0.
U(0)
dUx
U0
Uх
U(1) U(0)
δUХ
Kc
где Кс – сквозной коэффициент
усиления компаратора.
2.2. Статическая точность - ±ΔUп.
По причине дрейфа параметров схемы, смещения нуля
дифференциального усилителя величина значения напряжения
срабатывания компаратора Uп (пороговое напряжение) не равно точно
U0, а находится в интервале U0±ΔUп. Это отклонение ±ΔUп
определяет статическую точность компаратора.
5

6.

2.3. Сквозной коэффициент усиления Кс.
Определяется коэффициентом передачи вычитающего устройства Кв и
коэффициентом усиления дифференциального усилителя К0. Типовое значение
1 ≤ Кс ≤ 300 В/мВ
2.4. Входное сопротивление.
Этот параметр определяется входным током, типовое значение которого
составляет (0,05÷300нА).
6

7.

Динамические параметры компараторов.
Основным динамическим параметром компаратора является время
переключения tп. Это интервал времени от начала сравнения до момента
полного опрокидывания и определяется переходной характеристикой.
tз – время рассасывания зарядов в насыщенных
U0 Uх
переходах транзисторов компаратора;
tн – определяется скоростью нарастания
напряжения переходной характеристики
дифференциального усилителя - ρ.
Типовое значение:
597СА1 – ρ=6,5В/нс; К140УД8 -ρ=10В/μс.
t
Время переключения зависит от превышения
дифференциального напряжения Uд=U0-Ux
Uх
U0
Uд
t0
Uвых
над опорным напряжением U0. Стандартное
1
1
2
0
3
tн
tз
tп
напряжение Uд=5мВ.
Переходные характеристики приведены для
значений Uд: 1 – 15мВ; 2 – 5мВ; 3 – 2мВ.
t Типовой параметр для интегральных
компараторов; tп=tз+tн
521СА2 – 90нс; 521СА3 – 200нс; 597СА3 – 7
6,5нс; МАХ9692 -1,2нс.

8.

Принципы построения и схемотехника компараторов.
Двухвходовой компаратор сравнения напряжений.
Uх
R1
U0
R2
+U(1)
+Eп
Rб
Rвх
На входном сопротивлении дифVD 1
ференциального усилителя Rвх образуется
R вх
Uвых напряжение: ΔU U U
х
.
0
х
R1 R 2 Rвх
VD 2
U0 Uх
U0
Коэффициент
передачи
входного
R1=R2=R вычитающего устройства:
ΔU х
R вх
Кв
1
т.к. R<<Rвх
U 0 U х 2R R вх
Сквозной коэффициент передачи компаратора:
t
-Eп
Uх
t0
0
Кс Кв К0 К0
Uвых
Статическая чувствительность:
U(1)
t
U(0)
tп
DU вых U(1) U(0)
δU х
Кс
Кc
Входное сопротивление компаратора:
(Rвх)к=R1+R2+Rвх≈Rвх
8

9.

Одновходовой компаратор сравнения разнополярных напряжений.
R1
-Uх
Uп
R2
U0
Опрокидывание происходит, когда
|Ux|=|U0| при равенстве R1 = R2 и токов
VD1
I0 = Ix в контуре. Следовательно,
Uвых потенциал Uп=0.
Временные диаграммы иллюстрируют
VD2
процесс опрокидывания.
+U(1)
+Eп
Rвх
Rб
.
-Eп
U0 Uх
U0
0
Определим коэффициент передачи:
Uх
t0
t
ΔU х
Кв
U0 Uх
Рассмотрим эквивалентную схему замещения
по входу.
Uвых
U(1)
t
U(0)
9
tп

10.

Эквивалентная схема
замещения по входу
R1=R2=R
На основании принципа суперпозиции
токи, протекающие на вход
дифференциального усилителя:
- U х R 2 R вх
Uх
Iх
R1 R 2 R вх R вх 2R вх
-Uх
R1
DUх
Iх
R 2 U0
I0
Rвх
Статическая чувствительность:
2 U(1) U(0)
δU х
К0
U 0 R 1 R вх
U0
I0
R 2 R 1 R вх R вх 2R вх
1
ΔU х I0 I х R вх U0 U x
2
1
К0
Кв
Кс Кв К0
2
2
Входное сопротивление компаратора
(Rвх)к = R1 = R2
10

11.

Регенеративные компараторы.
+U(1) Для повышения чувствительности
+Eп
Uх
R1
U0 R 2
Uвых
а
б
К0
-Eп
R,3
Uг
U(1)
компаратора, дифференциальный
усилитель охватывают положительной
Uвых обратной связью, при этом амплитудная
характеристика имеет гистерезис.
VD2
Коэффициент усиления увеличивается:
VD1
U+с Rб
с Uс
К 0
К0
1 К 0
За счет гистерезиса появляются два порога
Uп1 и Uп2. Определим пороги:
U с U 0
R 2
U п1 U U U 0 DU R2 U 0
а
б
R2 R3
R2
R2
U
1
U
1
U
U
U
0
с
0
с
0
Uп1
Uп2
R R R R
2
3
2
3
U(0)
Uх
U с U 0
Пусть U 0 2 В ,U с 10В , U с 10 В , 0,02 U п2 Uа Uб U 0 DU R2 U 0 R R R 2
3
2
тогда Uп1=0,98·2+10·0,02=2,16В,
1 U 0 U с
Uп2=0,98·2–10·0,02=1,76В,
11
Uг=2,16–1,76=0,4В

12.

Компараторы трансформаторного типа.
VD2
Ux
w2
w1
a
K
Ty
VD1
+Eп
DU*
Uвых
K0
б
Tстр
-Eп
n = w2/w1 ≥ 10÷50
U0
a
VT1
Чувствительность значительно повышается,
за счет использования на входе в качестве
вычитающего устройства трансформатора.
δU*x
δUx
n
Признак сравнения – отсутствие импульсов
рассогласования на выходе.
Помехоустойчивость обеспечивается за счет:
- использования дифференциального
усилителя со стробированием;
- использования экранов, как от
электрических, так и от магнитных полей.
Трансформаторные компараторы применяются для
исследования и измерения слабых магнитных и электрических
полей в космосе, земных гравитационных аномалий.
В качестве формирователей применяется нелинейная обратная
связь через стабилитрон VD2, формирующий уровень U(1), и
диод VD1, устанавливающий уровень U(0).
Ty
VT2
б
12

13.

Временные диаграммы работы компаратора трансформаторного
типа.
U(t)
U
x
U0
t
t0
0
UУ
0
t
ΔU*
t
1. В момент сравнения импульсы ΔU*
меняют фазу на 1800, а операция
стробирования, запрещает выход
импульсов на выход схемы сравнения.
2. Признак сравнения – наличие или
отсутствие импульса на выходе.
0
Tст
0
t
Uвых
U(1)
0
t
13

14.

7. Двухуровневый компаратор.
+Eп
U01
==
U1
&
Ux
-Eп
+Eп
==
Компаратор фиксирует, находится ли входное
Uвых напряжение Uх в интервале между заданными
опорными напряжениями
U02≤Ux≤U01
U2
U02
Из временных диаграмм работы компараторов
следует, что на выходе логического элемента
& единичный уровень будет тогда, когда
-Eп
U1
1
U01
Uх
0
U1=U2=U(1).
U2
1
U02
Uх
0
Пример: интегральная микросхема
1401СА1 – двухпороговый компаратор,
Кс=200В/мВ, Iвх≈25мА, tп=500нс
Uвых
1
Uх
0
14

15. Цифровые компараторы.

Два n – разрядных числа будут равны, когда в каждом разряде
соблюдается равенство кодовых коэффициентов, то есть
n 1
n 1
выполняется равенство:
i
i
A
2
a
B
2
bi
n
i
n
F (a b ai bi ) 1
i 0
i 0
i
i i
Для n – разрядных чисел это условие примет вид:
Fn (a0b0 a0 b0 ) (a1b1 a1b1 ) ... (an 1bn 1 an 1bn 1 ) 1
или
Fn F0 F1 F2 ... Fn 1 1
A
a5 a4 a3 a2 a1 a0
a5a5
a0a0
Цифровая реализация:
a
&
F
компаратор
1
b
F
b5b5
b0b0
a
B
&
b5 b4 b3 b2 b1 b0
b
1
0
0
0
0
0
&
an-1
bn-1
an-1
bn-1
&
&
1
Fn-1
Используют для поиска
заданного числа в массиве
чисел, определяют зоны
возможных переборов и т. д.
15