Лабораторная работа №10

Изучение компаратора напряжения

1. Принцип действия компаратора

Компараторы занимают промежуточное положение между аналоговыми и цифровыми микросхемами и являются простейшими АЦП. По массовости применения в микроэлектронной аппаратуре и номенклатуре компараторы уступают среди аналоговых микросхем только ОУ. Компараторы можно отнести к специализированным ОУ, в которых нормальным является нелинейный режим работы каскадов. Компараторы предназначены для сравнения входного сигнала с опорным. При этом в зависимости от того, больше входной сигнал опорного или меньше (на доли милливольта), на выходе компаратора за минимальное время должно установиться высокое выходное напряжение (логическая 1) или низкое входное напряжение (логический 0). Приемниками выходных сигналов компараторов обычно являются логические схемы. Поэтому выходные напряжения каждого компаратора согласуются с ТТЛ, ТЛЭС или КМОП схемами.

Точность измерения компаратора характеризуется напряжением, на которое необходимо превысить уровень опорного, чтобы выходное напряжение достигло порога срабатывания логической схемы. Точностные параметры компараторов аналогичны параметрам ОУ.

Быстродействие компараторов принято характеризовать временем переключения t_п. Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение достигает порога срабатывания логической схемы. При использовании стандартной методики измерения, когда на один вход подается напряжение перегрузки, равное 100мВ, а на другой - перепад напряжения той же полярности, но большей амплитуды, время t_п отсчитывается с момента, когда величины перегрузки и импульсного напряжения сравниваются.

Рис.1. Переходной процесс в компараторе.

Разница между амплитудами перепада напряжения и сигнала перегрузки называется напряжением восстановления. Обычно время переключения приводится для напряжения восстановления U₁=5мВ.

Время переключения компараторов можно разбить на две составляющие: время задержки t_з и время нарастания t_н до порога срабатывания логической схемы. Используя для построения компаратора обычные ОУ без ОС, независимо от быстродействия последних трудно получить время переключения меньше 1мкс, причем основной его составляющей будет задержка. Объясняется это тем, что в режиме перегрузки, нормальном для компаратора, как правило, насыщаются транзисторы усилительных каскадов ОУ. Поэтому после снятия перегрузки требуется значительное время для рассасывания накопленного в базах транзисторов заряда. Это является основной причиной разработки специализированных интегральных компараторов напряжения со временем переключения менее 100нс.

Подобно ОУ в компараторе обычно три каскада (рис.2): входной дифференциальный усилитель (ДУ1), промежуточный усилитель ДУ2 и выходной формирователь ВФ.

Рис.2. Внутренняя структура компаратора напряжения

В полупроводниковых компараторах, предназначенных для точного (с относительной погрешностью меньше 10^-3) сравнения быстроменяющихся сигналов большой амплитуды, ДУ работают в нелинейном режиме в течение переключения выходного напряжения.

Основным узлом современных компараторов являются ДУ с резисторной нагрузкой. Особенно противоречивы требования к параметрам элементов и режиму работы входного ДУ, который определяет входные параметры компаратора (входные токи, напряжение смещения нуля, их температурные дрейфы и т. д.) и должен за минимальное время при минимальной потребляемой мощности обеспечить максимальный сигнал для переключения промежуточного усилителя.

Если при сравнении низкочастотных сигналов с высокой точностью (десятки микровольт) требуется минимальная потребляемая мощность, использование ОУ оказывается часто предпочтительнее применения полупроводниковых компараторов. В этом случае время восстановления будет существенно зависеть от полосы пропускания и скорости нарастания выходного напряжения ОУ. Поэтому, применяя ОУ с внешней коррекцией, необходимо помнить, что при разомкнутой ОС допустима минимизация емкости цепи корректирующей АЧХ ОУ в период переключения U_вых.

2. Однопороговые компараторы на ОУ.

Реакция компаратора на превышение входным сигналом заданного уровня называется амплитудной дискриминацией или детектированием уровня. В компараторах, приведенных ниже, цепь ОС формирует на выходе ОУ сигнал, совместимый с входными уровнями ТТЛ схем.

а

Рис.3. Простой компаратор положительных напряжений

При U_вх=U_oп напряжение U_вых»0 (предполагается, что напряжение смещения нуля скомпенсировано), стабилитрон и диод закрыты, а ОС разомкнута. Если входной сигнал изменится на несколько десятков микровольт в ту или иную сторону, то изменение выходного напряжения будет составлять единицы вольт благодаря большому коэффициенту усиления ОУ и прекратится, как только откроется диод или стабилитрон и коэффициент передачи по цепи ОС станет равным единице. Если U_вх>U_оп, то U_вых=-U_д и при U_вх<U_оп, то U_вых=U_ст,

где U_ст и U_д - падение напряжения соответственно на стабилитроне и диоде.

Для сравнения отрицательного входного напряжения с опорным используется схема, приведенная на рис.4.

б

Рис.4. Схема компаратора для отрицательного входного напряжения.

В этой схеме, входное и опорное напряжения подаются на инвертирующий вход. При достижении входным сигналом уровня опорного напряжения открывается стабилитрон и компаратор переключается: на выходе появляется высокий уровень напряжения.

Заменив один или оба резистора в схеме на рис.4. конденсаторами, можно сравнить скорость нарастания U_вх с постоянным сигналом или скорости изменения двух сигналов. На рис.5. приведена схема для сравнения скорости нарастания переменного входного сигнала с постоянным опорным напряжением.

г

Рис.5. Схема компаратора для сравнения скорости нарастания входного сигналов с постоянным сигналом.

В этой схеме срабатывание компаратора происходит только при определенной скорости нарастания входного сигнала, а именно при соотношении .

Точность сравнения компараторов ограничивает в первую очередь напряжение смешения нуля U_см и входные токи I_вх и I_р, а в некоторых случаях конечный коэффициент ослабления синфазного сигнала.

3. Регенераторные компараторы

При очень медленных изменениях или малых амплитудах входного сигнала время переключения однопороговой схемы сравнения зависит от скорости изменения входного напряжения, частоты единичного усиления и коэффициента усиления ОУ. Для уменьшения времени сравнения таких сигналов используют схемы сравнения с положительной ОС - регенераторные компараторы. Отличительной особенностью таких компараторов является гистерезис передаточной характеристики.

В простейшем регенераторном компараторе (рис.6) при отрицательном и близком к нулю входном напряжении выходное напряжение положительно, а напряжение на неинвертируюшем входе определяет верхний порог переключения U_в=U_cтR2(R₂+R₃). Как только входное напряжение достигает величины U_в, ток в цепи стабилитрона становится равным нулю, а затем меняет направление и выходное напряжение ОУ переключается. После этого на неинвертирующем входе ОУ устанавливается напряжение, соответствующее нижнему порогу переключения и равное U_н=-U_в.

Рис.6. Схема регенеративного компаратора.

Чтобы теперь переключить компаратор в обратное состояние, амплитуда входного напряжения должна измениться от U_н до U_в, т. е. на напряжение, равное 2U_в, которое и определяет величину гистерезиса.

Для получения симметричной петли гистерезиса относительно опорного напряжения уровни выходного напряжения должны быть равны по величине. Изменение по каким-либо причинам одного из этих уровней вызывает смешение гистерезиса и, следовательно, расчетной точки срабатывания компаратора, что приводит к увеличению погрешности сравнения. Этот недостаток в значительной степени устраняется включением в схему управляемого выходным напряжением ключа (полевой транзистор VT1).

Рис.7. Схема регенеративного компаратора с полевым транзистором.

Если сопротивление транзистора VT1 в открытом состояниям меньше 100Ом, то погрешность установления порогов срабатывания при использовании 1%-ных резисторов будет меньше 0,01U_оп. Для увеличения скорости переключения транзистора VTl диод шунтируют конденсатором С, ускоряющим разряд паразитной емкости исток-затвор VT1.

Регенераторный компаратор с постоянным напряжением нижнего порога переключения при регулируемой величине гистерезиса показан на схеме. Благодаря включению в схему диода VD1 цепь положительной ОС размыкается при U_вх>U_оп и на выходе ОУ устанавливается близкое к нулю напряжение, определяемое токами утечки через диод VD2 и резистор R4. Если затем входное напряжение уменьшить до величины U_оп, выходное напряжение компаратора переключится в противоположное состояние.

Выходной сигнал можно снимать как с выхода ОУ, так и со стабилитрона. Преимущество этого компаратора в том, что напряжение лог.0 приблизительно равно нулю, а не -U_д, как в других схемах, что упрощает согласование выходных напряжений с ТТЛ схемами. Резистор R3 включен для ограничения тока диодов при высоком уровне выходного напряжения, а резистор R4 обеспечивает ток разряда емкости диода VD2 и увеличивает нагрузочную способность компаратора.

4. Двухпороговый компаратор

Компаратор, состояние выхода которого изменяется два раза при увеличении входного сигнала в некотором диапазоне, называют двухпороговым. Наиболее простыми и благодаря этому наиболее распространенными являются мостовые двухпороговые компараторы (рис.8.).

Рис.8. Двухпороговый компаратор напряжения.

Диодный мост включен в цепь ОС ОУ, а изменение U_вых происходит, как только входной ток I₁ превысит или станет меньше тока I_з, отдаваемого в мост по цепи резисторов R2. При изменении U_вых переключаются диоды и коэффициент передачи по цепи ОС. Точность уровней дискриминации и минимальная ширина окна ограничиваются десятками милливольт из-за разброса падений напряжений на открытых диодах. Схема имеет температурный дрейф уровней дискриминации порядка единиц милливольт на °С.

Особый интерес представляет схема двухпорогового компаратора на одном ОУ или полупроводниковом компараторе.

Рис.9. Схема двухпорогового напряжения с однополярным выходным напряжением.

Ширина окна дискриминации в этом компараторе может изменяться независимо от пороговых напряжений регулировкой соотношений сопротивлений резисторов. Основными элементами схемы являются стабилитрон, выполняющий функцию источника опорного напряжения, и компаратор. При расчете компаратора пренебрежем действием его входных токов и предположим равными напряжения U_д диодов VD1, VD2. Когда входное напряжение U_вх£U_ст+2U_д, то U₁=U_вх-U_д. В то же время, когда U_вх>U₂+2U_д, то U_l=U_ст+U_д. Стабилитрон VD3 будет закрыт, пока напряжение на входе U_вх£U_ст. Когда U_вх>U_ст, то U₂=(U_стR₂+U_вхR₁)/(R_l+R₂).

В исходном состоянии при U_вх<U_ст установлен низкий уровень напряжения на выходе компаратора. При увеличении U_вх, когда. U_вх=U_ст+U_д(1+R₁/R₂), устанавливается высокий уровень напряжения на выходе компаратора, а затем при U_вх=U_ст+U_д(1+R₂/R₁) напряжение на его выходе достигает своего исходного значения. Таким образом, ширина окна дискриминации будет равна U_д(R₂²-R_l²)/R_lR₂. Недостатком этой схемы является возможность третьего переключения уровня выходного напряжения компаратора, если установить большим отношение R₃/R₅.

Третье переключение выходного напряжения компаратора происходит при U_вх=[U_стR₂(R₃+R₅)+U_дR₅(R_l+R₂)]/(R₂R₅-R_lR₃).

Следовательно, при расчете сопротивлений необходимо выбирать возможно меньшее значение отношения R₂/R₅ и R₂R₅=R_lR₃.

Задание к работе.

1. Рассчитать и собрать схему однопорогового компаратора на ОУ по заданным преподавателем данным для сравнения положительных или отрицательных напряжений по схеме рис.3 (рис.4).

2. Подать опорное напряжение от источника постоянного напряжения (1,5В), а на сигнальный вход - от генератора звуковой частоты Г3-102.

3. К выходу компаратора подключить осциллограф: оценить время переключения и выходное напряжение. Оценить точность компаратора, путем сравнения опорного и выходного напряжений.

Контрольные вопросы:

1. Приведите внутреннюю схему компаратора напряжения.

2. Объясните принцип работы однопорогового компаратора на ОУ.

3. Объясните принцип работы двухпорогового компаратора на ОУ.

4. Приведите схему компаратора при питании от однополярного источника питания.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: