А comparatorпредставляет собой электронную схему, которая сравнивает два входа, которые применяются к ней, и выдает выходной сигнал. Выходное значение компаратора указывает, какой из входов больше или меньше. Обратите внимание, что компаратор относится к нелинейным приложениям ИС.
Операционный усилитель состоит из двух входных клемм, и, следовательно, компаратор на основе операционного усилителя сравнивает два входа, которые применяются к нему, и выдает результат сравнения в качестве выхода. В этой главе обсуждаетсяop-amp based comparators.
Типы компараторов
Компараторы бывают двух типов: Inverting и Non-inverting. В этом разделе подробно рассматриваются эти два типа.
An inverting comparatorэто на основе компаратора ОУ, для которого опорное напряжение подается на его неинвертирующий терминал и входное напряжение подается на его инвертирующем терминале. Этот компаратор называетсяinverting компаратор, потому что входное напряжение, которое необходимо сравнить, подается на инвертирующий вывод операционного усилителя.
В circuit diagram инвертирующего компаратора показан на следующем рисунке.
В operationинвертирующего компаратора очень просто. Он производит одно из двух значений, $ + V_ $ и $ -V_ $ на выходе на основе значений его входного напряжения $ V_ $ и опорное напряжение $ V_ $ .
- Выходное значение инвертирующего компаратора будет $ -V_ $, для которых входной сигнал $ V_ $ напряжение больше, чем опорное напряжение $ V_ <> $ реф.
- Выходное значение инвертирующего компаратора будет $ V_ $, для которых входной сигнал $ V_ $ меньше, чем опорное напряжение $ V_ <> $ реф.
Принцип работы
В задачи этого устройства входит сравнивание напряжения на входах. Рассмотрим простейший пример, как это работает.
В том случае, если поданное на инвертирующий вход напряжение окажется выше, чем на неинвертирующем, то выход компаратора замыкается с минусом питания.
Обратите внимание: если напряжение будет выше на неинвертирующем входе, то на выходе компаратора будет замыкание с плюсом питания.
Для чего используется компаратор
Несмотря на свою простоту, компараторы нашли широкое распространение в радиоэлектронике. Можно с уверенностью сказать, что ни «их плечах» держатся все логические схемы, используемые в вычислительной технике.
Как работает компаратор в Майнкрафте
Двухпороговый компаратор
Двухпороговый компаратор (или компаратор «с окном») фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя заданными пороговыми напряжениями или вне этого диапазона. Для реализации такой функции выходные сигналы двух компараторов необходимо подвергнуть операции логического умножения (рис. 7а). Как показано на рис. 7б, на выходе логического элемента единичный уровень сигнала будет иметь место тогда, когда выполняется условие U1 < Uвх < U2, так как в этом случае на выходах обоих компараторов будут единичные логические уровни. Такой компаратор выпускается в виде ИМС m А711 (отечественный аналог — 521СА1).
Рис. 7. Схема двухпорогового компаратора (а) и диаграмма его работы (б)
Параметры компараторов
Параметры, характеризующие качество компараторов, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.
Компаратор характеризуется теми же точностными параметрами, что и ОУ.
Основным динамическим параметром компаратора является время переключения tп. Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение компаратора достигает противоположного логического уровня. Время переключения замеряется при постоянном опорном напряжении, подаваемом на один из входов компаратора и скачке входного напряжения Uвх, подаваемого на другой вход. Это время зависит от величины превышения Uвх над опорным напряжением. На рис. 8 приведены переходные характеристики компаратора mА710 для различных значений дифференциального входного напряжения Uд при общем скачке входного напряжения в 100 мВ. Время переключения компаратора tп можно разбить на две составляющие: время задержки tз и время нарастания до порога срабатывания логической схемы tн. В справочниках обычно приводится время переключения для значения дифференциального напряжения, равного 5 мВ после скачка.
Рис. 8. Переходная характеристика компаратора m А710 при различных превышениях скачка входного напряжения Uд над опорным: 1 — на 2 мВ; 2 — на 5 мВ; 3 — на 10 мВ; 4 — на 20 мВ
| Справочные данные на популярные компораторы |
Аналоговые компараторы
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.
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.
Классификация компараторов
По сочетанию параметров компараторы можно разделить на три большие группы. Это компараторы общего применения, быстродействующие и прецизионные. В любительской практике чаще всего используются первые.
Не обладая какими-то сверхъестественными параметрами по быстродействию и усилению, наличием стробирования и памятью, компараторы широкого применения имеют свои привлекательные свойства и особенности. У них низкая потребляемая мощность, способность работать при низком напряжении питания, а также то, что в одном корпусе можно расположить до четырех компараторов. Такая «семья» позволяет в ряде случаев создавать очень полезные устройства. Одно из таких устройств показано на рисунке 5.
Это простейший преобразователь аналогового сигнала в цифровой унитарный код. Такой код с помощью цифрового преобразования можно переделать в двоичный.
Рисунок 5. Схема преобразователя аналогового сигнала в цифровой унитарный код
Схема содержит четыре компаратора K1…K4. Опорное напряжение подано на инвертирующие входы через резистивный делитель. Если сопротивление резисторов одинаковое, то на инвертирующих входах компараторов напряжение составит n*Uоп/4, где n порядковый номер компаратора. Входное напряжение подано на соединенные вместе неинвертирующие входы. В результате сравнения входного напряжения с опорным на выходах компараторов получится унитарный цифровой код входного напряжения.
Более подробно параметры компараторов общего назначения рассмотрим на примере широко распространенного и достаточно доступного компаратора LM311.
Компараторы серии LM311
Напряжения питания и условия работы
Как написано в Data Sheet эти компараторы имеют входные токи, в тысячу раз меньше, чем компараторы серий LM106 или LM170. Кроме того компараторы серии LM311 имеют более широкий диапазон питающих напряжений: от двухполярного ±15В, как у операционных усилителей, до однополярного +5…15В. Такой широкий диапазон питания позволяет использовать компараторы серии LM311 совместно с операционными усилителями, а также с различными сериями логических микросхем: ТТЛ, КМОП, ДТЛ и другими.
Кроме этого компараторы LM311 могут управлять непосредственно лампами и обмотками реле с рабочими напряжениями до 50В и токами не более 50мА. Кроме LM311 есть еще компараторы LM111 и LM211. Различаются эти микросхемы условиями работы, в основном температурой. Диапазон работы LM311 составляет 0°C…+70°C (коммерческий диапазон) LM211 -25°C…+85°C (промышленный), LM311 -55°C…+125°C (военная приемка).
Полными отечественными аналогами компаратора LM311 являются 521СА3, 554СА3 и некоторые другие. При замене не требуется изменения схемы и даже не придется переделывать печатную плату. Следует лишь обратить внимание на то обстоятельство, что компараторы, как и остальные микросхемы, выпускаются в различных корпусах, поэтому при их покупке на это следует обратить максимум внимания, особенно, если эта покупка будет использоваться для ремонта готового аппарата.
На рисунке 7 показана цоколевка (распиновака) компаратора LM311, выполненного в различных корпусах.
Рисунок 6. Компаратор LM311
Узнайте больше
Если вы хотите больше узнать о специфике использования операционных усилителей в качестве компараторов, обратите внимание на учебные курсы Texas Instruments. Урок 14 [3] посвящен принципам работы компаратора и описанию его ключевых характеристик по постоянному и переменному току. Рассказано, как добавить гистерезис для защиты компаратора от входных шумов, а также приведены аргументы «за» и «против» использования ОУ в качестве компараторов.
- Op Amps used as Comparators – is it okay?
- Comparators – what’s all the chatter?
- TI Precision Labs — Op Amps: Comparator Applications 1
Electronic Design
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман
Принцип работы
В задачи этого устройства входит сравнивание напряжения на входах. Рассмотрим простейший пример, как это работает.
В том случае, если поданное на инвертирующий вход напряжение окажется выше, чем на неинвертирующем, то выход компаратора замыкается с минусом питания.
Обратите внимание: если напряжение будет выше на неинвертирующем входе, то на выходе компаратора будет замыкание с плюсом питания.
Для чего используется компаратор
Несмотря на свою простоту, компараторы нашли широкое распространение в радиоэлектронике. Можно с уверенностью сказать, что ни «их плечах» держатся все логические схемы, используемые в вычислительной технике.
Применение компараторов.
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. 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. 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. Классификация компараторов По сочетанию параметров компараторы можно разделить на три большие группы. Это компараторы
- общего применения,
- быстродействующие и
- прецизионные.
В любительской практике чаще всего используются первые. Не обладая какими-то сверхъестественными параметрами по быстродействию и усилению, наличием стробирования и памятью, компараторы широкого применения имеют свои привлекательные свойства и особенности. У них низкая потребляемая мощность, способность работать при низком напряжении питания, а также то, что в одном корпусе можно расположить до четырех компараторов. Такая «семья» позволяет в ряде случаев создавать очень полезные устройства. Одно из таких устройств показано на рисунке Рис. 6. Схема преобразователя аналогового сигнала в цифровой унитарный код Схема содержит четыре компаратора K1…K4. Опорное напряжение подано на инвертирующие входы через резистивный делитель. Если сопротивление резисторов одинаковое, то на инвертирующих входах компараторов напряжение составит n*Uоп/4, где n порядковый номер компаратора. Входное напряжение подано на соединенные вместе неинвертирующие входы. В результате сравнения входного напряжения с опорным на выходах компараторов получится унитарный цифровой код входного напряжения. Это простейший преобразователь аналогового сигнала в цифровой унитарный код. Такой код с помощью цифрового преобразования можно переделать в двоичный.
| Наименование | Определение | Схема включения | Временные диаграммы |
| Двухпороговый компаратор | ДПКили компаратор «с окном», фиксирует, находится ли входное напряжение между двумя заданными пороговыми напряжениями или вне этого диапазона |  |  на выходе логического элемента единичный уровень сигнала будет иметь место тогда, когда выполняется условие Vl in 2 так как в этом случае на единичные логические уровни. |
| Детектор пересечения нуля |  | ||
| Сравнение напряжений противоположной полярности |  | ||
| Мультивибратор |  |  | |
| Генератор импульсов с переменной скважностью |  |  | |
| Применение компаратора в качестве ОУ |  |  | |
| Логические элементы | Элемент И/И-НЕ |  |
Ограничение
Для продолжения скачивания необходимо пройти капчу:
