Регенеративный компаратор

ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ КОМПАРАТОРОВ

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Компаратор является устройством сравнения двух сигналов. Если в процессе изменения входных сигналов один превышает другой – компаратор изменяет свое состояние на противоположное. Чаще всего из двух входных сигналов один имеет фиксированное значение, это опорный сигнал – U_оп. Другой сигнал U_вх может непрерывно меняться. Выходной сигнал компаратора, в зависимости от его состояния, принимает значение логического нуля или логической единицы. Таким образом аналоговый компаратор преобразует непрерывный входной сигнал в дискретный (цифровой) 0 или 1. В процессе работы компаратор может перестраиваться на различные уровни срабатывания путем изменения опорного напряжения U_оп.

Аналоговые компараторы широко применяются в измерительных, преобразовательных и регулирующих устройствах. Например, в аналогово-цифровых преобразователях для дискретизации уровня входного сигнала, преобразователях напряжение-частота, сигнализаторах и позиционных регуляторах технологических параметров (температура, давление, положение), в устройствах сортировки деталей по размерным группам, в системах импульсно-фазового управления (СИФУ).

Аналоговые компараторы строятся на основе операционного усилителя (ОУ) с дифференциальным входом.Разработаны специализированные быстродействующие компараторы в видеинтегральных микросхем, например, типа K52ICA2, К554САЗ, K597СA1.

Применяется три основные разновидности компараторов: однопороговые, регенеративные и двухпороговые.

2. Выходной сигнал компаратора должен быть нормирован в соответствии с уровнем логического нуля и единицы для типовых логических элементов, подключаемых к выходу компаратора.

У однопорогового и регенеративного компаратора величина выходного напряжения определяется напряжением стабилизации стабилитрона (U_ст = 4,7 В для КС147А).

У двухпорогового компаратора его выходное напряжение U_вых определяется максимальным выходным напряжением ОУ U_Оумакс, которое зависит от напряжения питания U_вых = U_ОУмакс » (U_П – 1,5) В.

3. Зона переключения у регенеративного компаратора зависит от величины R₂, R₅, U_оп. (Формулы 2.1 – 2.3), причем с увеличением U_оп DU уменьшается.

У двухпорогового – от величины R₁, R₅. (Формулы 2.4 - 2.6) и не зависит от U_оп.

4.  Точность сравнения компаратора характеризуется порогом чувствительности U₀, то есть напряжением, на которое необходимо превысить уровень опорного напряжения, чтобы компаратор изменил свое состояние на противоположное. Порог чувствительности зависит от коэффициента усиления ОУ, напряжения смещения нуля ОУ, а также температурного и временного дрейфа этого напряжения.

5.  Быстродействие компаратора характеризуется "временем восстановления" t_в. Это промежуток времени от момента подачи ступенчатого нормированного перепада входных напряжений, до момента, когда выходное напряжение достигнет уровня порога срабатывания U_пор  логического элемента (для ТТЛ - элементов U_пор » 1,5 В). Нормированный перепад между опорным и входным напряжениями при определении t_всоставляет 5 мВ. Время восстановления компаратора можно разбить на две составляющие: время задержки t_зи время нарастания t_н выходного напряжения до порога срабатывания U_пор логического элемента (рисунок 2.1).

6.  Используя для построения компаратора обычные ОУ, трудно получить t_вменьше 1 мкс, причем основной его составляющей будет время задержки t_з. Это объясняется тем, что в режиме перегрузки, обычном для компаратора, насыщаются транзисторы усилительных каскадов ОУ. Поэтому после снятия перегрузки требует­ся значительное время для рассасывания накопленного в базах тра­нзисторов заряда. В специализированных интегральных компарато­рах за счет дополнительных мер время восстановления составляет менее 10 нс.

Однако использование ОУ с навесными элементами вместо ин­тегральных компараторов оказывается предпочтительным, когда тре­буется высокая точность сравнения сигналов (десятки микровольт), малое потребление мощности и широкие функциональные возможности схемы.

Однопороговый компаратор

Назначение элементов в схеме

Схема компаратора (К) содержит ОУ на интегральной микросхеме DA1 и внешние дополнительные резисторы и диоды (рисунок 2.2). Входное напряжение U_вхиопорное напряжение U_опподается на разные входы ОУ через резисторы R1 и R3, которые предназначены для выравнивания входных токов ОУ и уменьшения смещения нулевого уро­вня ОУ. Диод VD1 исключает отрицательное напряжение на выхо­де К, а стабилитрон VD2 нормирует единичный уровень U¹_выхвыходного напряжения. Резистор R4 ограничивает ток стабилитрона VD2, a R5 обеспечивает согласование К по сопротивлению с логи­ческими элементами ТТЛ при нулевом уровне  U⁰_вых. Изменение заданного значения опорного напряжения обеспечивается потенциометром R2.

Принцип действия

В исходном состоянии при U_вх= 0 на выходе ОУ создается максимальное положительное напряжение U_ОУ = + U_max за счет опорного напряжения U_оп = + U_зад, поданного на неинвертирующий вход ОУ. На выходе К в этом случае единичный уровень U¹_вых = U_ст.

При увеличении U_вх до значения U_вх ³ U_оп происходит переключение К, напряжение на выходе ОУ меняет знак U_ОУ = - U_max, напряжение на выходе К становится близким к нулю U⁰_вых » 0. Статическая характеристика компаратора U_вых = f ( U_вх) приведена на рисунке 2.3.

В общем случае переключение К происходит при входном напряжении переключения U_п, отличающемся от опорного U_п = U_оп ± U₀, где U₀ – порог чувствительности К.

Точность срабатывания

 Для повышения точности срабатывания К необходимо увеличить коэффициент усиления k_u ОУ и уменьшить напряжение смещения нуля U_см ОУ, например, путем предварительной настройки ОУ. Практически U₀ = 10 ¸ 30 мВ.

Быстродействие

Так как переключение компаратора происходит в линейной зоне ОУ, то время переключения будет зависеть от скорости изменения входного напряжения.

Регенеративный компаратор