Компаратор напряжения

Компаратор напряжения – это устройство, выполняющее сравнение имеющегося уровня напряжения с опорным сигналом. Ответом, как правило, является двоичная величина – да или нет, нуль или единица.

Благодарности

Без братьев Кузнецовых нельзя было бы представить читателям столь замечательный обзор. Нельзя никак оставить без внимания труд научного коллектива Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского, а именно, его участников, меж которыми:

  • Сдобняков В.В.
  • Карзанов В.В.
  • Шабанов В.Н.
  • Рецензенты: Дорохин М.В. И Здоровейщев А.В.

Общая информация

Компаратор сравнивает два напряжения, откуда и происходит его название. При необходимости формируется либо условный сигнал в виде двоичного кода, либо знак разницы выдаётся каким-либо другим способом:

  1. Крутой перепад напряжения (фронт или спад).
  2. Импульс с заданными характеристиками.
  3. Сменой полярности выходного напряжения.
  4. Двоичным кодом в системе логики данного набора микросхем.

Компаратор территориально входит в аналого-цифровой преобразователь, хотя может применяться и отдельно. От этого элемента напрямую зависит точность, так же, как и от разрядности. К характеристикам компаратора относят:

  • Чувствительность.
  • Быстродействие.
  • Стоимость.
  • Долговечность.
  • Стабильность.
  • Нагрузочная способность.
  • Входное сопротивление и пр.

Большинство компараторов реализуется на базе операционных усилителей, и даже данные в справочниках приводятся совместные. Это достигается за счёт введения обратной связи, что было придумано ещё в 30-е годы XX века.

Характеристики компараторов

Под чувствительностью компаратора понимается минимальное напряжение, которое он способен воспринять. Дифференциальные пары транзисторов, применяемые в операционных усилителях, повышают температурную стабильность, по этой причине и служат для создания компараторов. Параметр тесно связан с разрешающей способностью или точностью. Чувствительность сильно зависит от схемного решения, собственно, это очевидный факт, который прослеживается в сказанном ранее.

Помимо температурной стабильности и архитектуры на этот параметр влияют помехоустойчивость и надёжность. На практике оптимальной считают чувствительность, равную половине разряда аналого-цифрового преобразователя. Это значит, что из-за компаратора не будет снижена точность замера. На современном этапе развития технологии это могут быть очень разные значения.

Быстродействие цифровой технике достаточно велико, но учитывая тот факт, что преобразователю нужно успеть сделать выборку, тактовая частота процессора должна быть в сотни, если не тысячи раз выше, нежели дискретность отсчётов. И главным ограничивающим фактором являются скоростные характеристики именно компаратора. На его втором входе в момент измерения опорное напряжение постепенно растёт до достижения совпадения. И тогда вырабатывается цифровой код результата.

Частота дискретизации определяется скоростными качествами исследуемого процесса. Если это звуковой диапазон, то значения начинаются где-то от 45 кГц и могут составлять вчетверо больше для студийной записи. На каждом интервале времени компаратор должен успеть сравнить напряжение, так что минимальная частота процессора для получения точности порядка 0,5% лежит уже в области 10 МГц. На практике наблюдаются на два порядка большие величины, но не нужно забывать, что главная шина материнской платы является самым быстродействующим участком системного блока (персонального компьютера).

Быстродействие компаратора может выражаться временем между соседними измерениями. Оно складывается из интервала повышения сравниваемого напряжения до нужного уровня и скорости работы электронных компонентов. К последним цифрам можно отнести период от принятия решения компаратором на выдачу сигнального импульса до его реального появления на выводах. Вторым параметром можно считать крутизну фронта этого импульса, поскольку логика микросхем настроена на пороги срабатывания. Важным также является время восстановления, за которое компаратор возвращается в первоначальное состояние.

Читайте также:  Токоизмерительные клещи

Указанные параметры в сумме и определяют тактовую частоту самого компаратора. Под нагрузочной способностью понимается способность выдать сигнал, достаточно мощный для срабатывания зависимых схем. Кроме того, различают так называемую перегрузочную способность, которая показывает, как велика может быть разница в напряжении на соседних отсчётах. Дело в том, что для сокращения интервалов измерения, начиная со второго, компаратор может вести два параллельных процесса измерения:

  1. Увеличение напряжения в сравнении с предыдущим отсчётом.
  2. Уменьшение напряжения в сравнении с предыдущим отсчётом.

Так можно быстрее найти результат, не перебирая весь диапазон с самого начала. Хотя для этого и потребуется целых два параллельно включённых компаратора. Но экономия времени стоит того, чтобы за неё бороться. Однако на успех подобного мероприятия напрямую и влияет перегрузочная способность.

Входное сопротивление образует с источником сигнала резистивный делитель, и чем оно меньше, тем выше точность, поскольку большая часть напряжения падает именно здесь. Но с повышением этого параметра снижается и потребляемый ток. У многих компараторов входное сопротивление подстраивается под конкретно взятые нужды, для отдельных схем.

Разновидности компараторов

Большинство компараторов строится на схемах операционных усилителей, охваченных цепью положительной обратной связи. За счёт большого коэффициента усиления удаётся добиться практически отвесной передаточной функции каскада.

Характеристика операционного усилителя на каком-то участке линейна. График практически симметричен относительно нуля. Однако при некотором значении Uогр происходит насыщение и выходное напряжение дальше не растёт. Это наблюдается как в положительной области входных значений, так и в отрицательной. Именно это свойство используется для построения компараторов.

Операционный усилитель охватывается положительной связью, и при коэффициенте её передачи обратно пропорциональном коэффициенту передачи операционного усилителя, формула уходит в область бесконечности. А поскольку именно от этого параметра зависит и крутизна графика, то он становится вертикальным. Что и нужно на практике для сравнения напряжений.

Эталон может иметь любое значение. Так например, возможна реализация схемы перехода напряжения через нуль. Но в составе аналого-цифрового преобразователя измеряемая величина в рамках интервала считается постоянной, а опорное напряжение растёт, пока не сравняется. И в этот момент вырабатывается импульс совпадения.

Пороговый компаратор

Пороговый компаратор напряжения – это то, о чем обычно идёт речь в литературе. Передаточная характеристика его совершенно однозначна – когда разница на входах операционного усилителя становится равной нулю, возникает отклик на выходе. Обратное движение вдоль передаточной характеристики идёт по той же траектории.

Он организован именно так, как рассказано выше: операционный усилитель охвачен петлёй обратной связи для получения крутой, отвесной передаточной характеристики. Но  все-таки остаётся некая малая погрешность. Эталонное напряжение принято подавать на неинвертирующий вход.

Гистерезисный компаратор

Гистерезисный компаратор получил своё название за то, что коэффициент передачи его цепи обратной связи меняется. И не только по абсолютному значению, но и по знаку. В результате можно получить семейство передаточных характеристик, позволяющее создать компаратор, включающийся по одному значению напряжения, а выключающийся по другому.

Такое устройство оказывается полезным в случае наличия на линии высокочастотной помехи. И когда на заданном интервале измерения величина много раз изменяется, обычному компаратору напряжения легко промахнуться. В то же время гистерезисный верно оценит с точностью до помехи и может продержать сигнал на выходе до тех пор, пока исследуемый процесс близок к эталону.

Читайте также:  Термоэлектрический генератор

 

Любой реальный компаратор является гистерезисным из-за наличия ошибки, но некоторые виды специально имеют расширенную петлю в связи с описанными выше нюансами. Ярко выраженной прямоугольной характеристикой обладает триггер Шмитта. Его гистерезисная передаточная функция может служить для построения компаратора. Из-за наличия положительной обратной связи характеристика триггера Шмитта также обладает значительной крутизной.

 

Уже для аналоговых схем порог чувствительности достигал 5-10 мВ, чего вполне достаточно для большинства случаев. Поскольку время срабатывания триггера Шмитта может быть уменьшено до 0,1 мкс, то становится возможным процесс оценки сигналов частотой в сотни кГц (гораздо выше ультразвука). Представленный на рисунке триггер характеризуется большим температурным дрейфом и малым диапазоном измерения.

Ввиду простоты очень популярны балансные регенеративные схемы с диодами. Обратная связь здесь осуществлена через трансформатор. За счёт использования средней рабочей точки становится возможным одновременно осуществить и положительную, и отрицательную обратную связь. Сравниваемые напряжения подаются на катоды диодов (n-область, в районе которой нарисована перпендикулярная черта). Рабочая точка транзистора выбрана в самом начале вольт-амперной характеристики, ток базы рассчитывается так, чтобы не произошло насыщения.

Конденсатор осуществляет гальваническую развязку базы и входной цепи. Если диод Д1 заперт, а Д2 — открыт, то работает отрицательная обратная связь. В результате генерации не происходит. В обратном случае блокинг-генератор производит первый импульс. Его положительный фронт свидетельствует о том, что эталон сравнялся с оцениваемой величиной. Чувствительность балансной регенеративной схемы может достигать 1 мВ.

Компараторы на туннельных диодах хорошим своими малыми габаритами, отличным быстродействием, низким уровнем шумов, низкими переключающими порогами по мощности. Механическая прочность и стойкость полупроводников общеизвестны. Туннельные диоды являются одними из немногих приборов, которые не боятся радиации, что делает их весьма популярными в некоторых специальных применениях. Помимо этого сопротивление таких компараторов очень мало, что снижает чувствительность.

Характеристика туннельного диода имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что и позволяет реализовать нужную передаточную функцию. Очевидным недостатком схемы является низкая точность. Вольт-амперная характеристика туннельного диода слишком пологая. Зато по простоте этот компаратор нельзя сравнить с любым другим типом устройств. Его пока нельзя назвать гистерезисным, потому что для получения этого типа характеристики нужно иметь, как минимум, два туннельных диода.

Самый простой компаратор

При помощи двух туннельных диодов можно построить самый простой компаратор, включая их по схеме твин. Предполагается, что элементы совершенно идентичны. Передаточная характеристика системы сильно зависит от напряжения питания схемы. Характеристики легко изменяются, что обусловливает большую гибкость применения. Чувствительность измеряются по току, и экспериментально полученные значения лежат в области 8 мкА при частоте тактирования 200 МГц, 3 мкА – при 50 МГц.

Деление по принципу действия

Помимо чисто функциональных особенностей, рассмотренных выше, компараторы могут делиться по принципу действия на:

  1. Регенеративные.
  2. Генераторные.
  3. Амплитудно-импульсные.
  4. Модуляторные.

Речь здесь идёт о формируемых устройствами выходных сигналах. Обычно в работе компаратора напряжения можно выделить два процесса: сравнение величин и формирование выходного сигнала. Статическая ошибка обусловлена всего лишь двумя причинами:

  1. Шумами.
  2. Температурным дрейфом и старением.