Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Компаратор (значения) .
Рисунок 1. Иллюстрация того, как работает компаратор.

В электронике , A Компаратор представляет собой устройство , которое сравнивает два напряжения или тока и выдает цифровой сигнал , указывающий , что больше. Он имеет два аналоговых входных терминалов и и один двоичный цифровой выход . Выход в идеале

Компаратор состоит из специализированного дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления . Они обычно используются в устройствах, которые измеряют и оцифровывают аналоговые сигналы, например, в АЦП последовательного приближения , а также в генераторах релаксации .

Дифференциальное напряжение [ править ]

Дифференциальные напряжения должны оставаться в пределах, указанных производителем. Ранние интегрированные компараторы, такие как семейство LM111, и некоторые высокоскоростные компараторы, такие как семейство LM119, требуют диапазонов дифференциальных напряжений, существенно меньших, чем напряжения источника питания (± 15 В против 36 В). [1] Компараторы Rail-to-Rail допускают любые дифференциальные напряжения в пределах диапазона источника питания. При питании от биполярного (двухканального) источника питания

или при питании от униполярного источника питания TTL / CMOS :

Специальные компараторы типа «rail-to-rail» с входными pnp- транзисторами, такие как семейство LM139, позволяют входному потенциалу упасть на 0,3 В ниже отрицательной шины питания, но не позволяют ему подниматься выше положительной шины. [2] Специальные сверхбыстрые компараторы, такие как LMH7322, позволяют входному сигналу колебаться ниже отрицательной шины и выше положительной шины, хотя и с небольшим запасом всего 0,2 В. [3] Дифференциальное входное напряжение (напряжение между двумя входами ) современного компаратора rail-to-rail обычно ограничивается только полным размахом подачи питания.

Компаратор напряжения операционного усилителя [ править ]

Простой компаратор операционного усилителя

Операционный усилитель (ОУ) имеет хорошо сбалансированный разностный вход и очень высокий коэффициент усиления . Это соответствует характеристикам компараторов и может быть заменено в приложениях с низкими требованиями к производительности. [4]

Схема компаратора сравнивает два напряжения и выдает либо 1 (напряжение на положительной стороне), либо 0 (напряжение на отрицательной стороне), чтобы указать, какое из них больше. Компараторы часто используются, например, для проверки того, достиг ли вход некоторого заранее определенного значения. В большинстве случаев компаратор реализуется с использованием специальной микросхемы компаратора, но в качестве альтернативы можно использовать операционные усилители. На схемах компараторов и схемах операционных усилителей используются одни и те же символы.

На рисунке 1 выше показана схема компаратора. Прежде всего обратите внимание, что схема не использует обратную связь. Схема усиливает разницу напряжений между Vin и VREF и выводит результат на Vout. Если Vin больше, чем VREF, то напряжение на Vout поднимется до положительного уровня насыщения; то есть к напряжению на положительной стороне. Если Vin ниже VREF, то Vout упадет до своего отрицательного уровня насыщения, равного напряжению на отрицательной стороне.

На практике эту схему можно улучшить, включив диапазон напряжения гистерезиса, чтобы снизить ее чувствительность к шумам. Например, схема, показанная на Рисунке 1, будет обеспечивать стабильную работу, даже когда сигнал Vin несколько зашумлен.

Это происходит из-за разницы в характеристиках операционного усилителя и компаратора, использование операционного усилителя в качестве компаратора имеет ряд недостатков по сравнению с использованием специального компаратора. [5]

  1. Операционные усилители предназначены для работы в линейном режиме с отрицательной обратной связью. Следовательно, операционный усилитель обычно имеет длительное время восстановления после насыщения. Почти все операционные усилители имеют внутренний конденсатор компенсации, который накладывает ограничения на скорость нарастания для высокочастотных сигналов. Следовательно, операционный усилитель создает неаккуратный компаратор с задержками распространения, которые могут достигать десятков микросекунд.
  2. Поскольку операционные усилители не имеют внутреннего гистерезиса, для медленных входных сигналов всегда необходима внешняя сеть гистерезиса.
  3. Спецификация тока покоя операционного усилителя действительна только при активной обратной связи. Некоторые операционные усилители показывают повышенный ток покоя, когда входы не равны.
  4. Компаратор предназначен для создания хорошо ограниченных выходных напряжений, которые легко взаимодействуют с цифровой логикой. Совместимость с цифровой логикой должна быть проверена при использовании операционного усилителя в качестве компаратора.
  5. Некоторые многосекционные операционные усилители могут демонстрировать экстремальное взаимодействие канал-канал при использовании в качестве компараторов.
  6. Многие операционные усилители имеют встречные диоды между входами. Входы операционного усилителя обычно следуют друг за другом, так что это нормально. Но входы компаратора обычно не совпадают. Диоды могут вызвать неожиданный ток через входы.

Работает [ править ]

Выделенный компаратор напряжения обычно будет быстрее , чем операционный усилитель общего назначения , используемый в качестве компаратора, и может также содержать дополнительные функции , такие как точное, внутреннее опорное напряжение, регулируемый гистерезис , и тактовый закрытый вход.

Специальная микросхема компаратора напряжения, такая как LM339, предназначена для взаимодействия с цифровым логическим интерфейсом ( TTL или CMOS ). Выход представляет собой двоичное состояние, которое часто используется для передачи сигналов реального мира в цифровые схемы (см. Аналого-цифровой преобразователь ). Если на пути прохождения сигнала присутствует источник постоянного напряжения, например, от регулируемого по постоянному току устройства, компаратор является просто эквивалентом каскада усилителей. Когда напряжения почти равны, выходное напряжение не будет попадать на один из логических уровней, поэтому аналоговые сигналы попадут в цифровую область с непредсказуемыми результатами. Чтобы сделать этот диапазон как можно меньшим, каскад усилителей имеет высокий коэффициент усиления. Схема состоит в основном из биполярных транзисторов.. Для очень высоких частот входное сопротивление каскадов низкое. Это снижает насыщение медленных биполярных транзисторов с большим PN переходом , что в противном случае привело бы к длительному времени восстановления. Небольшие быстрые диоды Шоттки , подобные тем, которые используются в схемах с двоичной логикой, значительно улучшают производительность, хотя производительность по-прежнему отстает от схем с усилителями, использующими аналоговые сигналы. Скорость нарастания не имеет значения для этих устройств. Для приложений во флэш-АЦП сигнал, распределенный по восьми портам, соответствует усилению по напряжению и току после каждого усилителя, а резисторы в этом случае действуют как устройства сдвига уровня.

LM339 выполняет это с помощью выхода с открытым коллектором . Когда инвертирующий вход находится под более высоким напряжением, чем неинвертирующий вход, выход компаратора подключается к отрицательному источнику питания. Когда неинвертирующий вход выше, чем инвертирующий вход, выход «плавающий» (имеет очень высокое сопротивление относительно земли). Коэффициент усиления операционного усилителя в качестве компаратора определяется этим уравнением V (выход) = V (вход)

Основные характеристики [ править ]

Хотя базовую задачу компаратора понять легко, то есть сравнение двух напряжений или токов, при выборе подходящего компаратора необходимо учитывать несколько параметров:

Скорость и мощность [ править ]

Хотя в целом компараторы «быстрые», их схемы не защищены от классического компромисса между скоростью и мощностью. В высокоскоростных компараторах используются транзисторы с большим соотношением сторон экрана и, следовательно, они потребляют больше энергии. [6] В зависимости от приложения выберите либо высокоскоростной компаратор, либо энергосберегающий. Например, компараторы с нано-питанием в компактных корпусах с масштабированием микросхемы (UCSP), корпусах DFN или SC70, таких как MAX9027 , LTC1540 , LPV7215 , MAX9060 и MCP6541идеально подходят для портативных приложений со сверхнизким энергопотреблением. Аналогичным образом, если компаратор необходим для реализации схемы релаксационного генератора для создания высокоскоростного тактового сигнала, тогда могут оказаться подходящими компараторы, имеющие задержку распространения в несколько наносекунд. ADCMP572 (выход CML), LMH7220 (выход LVDS), MAX999 (выход CMOS / выход TTL), LT1719 (выход CMOS / выход TTL), MAX9010 (выход TTL) и MAX9601 (выход PECL) являются примерами некоторых хороших высокоскоростных компараторов. .

Гистерезис [ править ]

Компаратор обычно меняет свое выходное состояние, когда напряжение между его входами пересекает примерно ноль вольт. Небольшие колебания напряжения из-за шума, всегда присутствующего на входах, могут вызвать нежелательные быстрые изменения между двумя состояниями выхода, когда разница входного напряжения близка к нулю. Чтобы предотвратить такие колебания на выходе, во многие современные компараторы встроен небольшой гистерезис в несколько милливольт. [7] Например, LTC6702 , MAX9021 и MAX9031имеют внутренний гистерезис, снижающий чувствительность к входному шуму. Вместо одной точки переключения гистерезис вводит две: одна для повышающихся напряжений и одна для падающих напряжений. Разница между значением отключения верхнего уровня (VTRIP +) и значением отключения нижнего уровня (VTRIP-) равна напряжению гистерезиса (VHYST).

Если компаратор не имеет внутреннего гистерезиса или если входной шум превышает внутренний гистерезис, тогда можно построить внешнюю сеть гистерезиса, используя положительную обратную связь от выхода к неинвертирующему входу компаратора. Результирующая схема триггера Шмитта обеспечивает дополнительную помехоустойчивость и более чистый выходной сигнал. Некоторые компараторы, такие как LMP7300 , LTC1540 , MAX931 , MAX971 и ADCMP341также обеспечивает управление гистерезисом через отдельный штифт гистерезиса. Эти компараторы позволяют добавлять программируемый гистерезис без обратной связи или сложных уравнений. Использование специального вывода гистерезиса также удобно при высоком импедансе источника, поскольку входы изолированы от цепи гистерезиса. [8] При добавлении гистерезиса компаратор не может разрешить сигналы в пределах диапазона гистерезиса.

Тип вывода [ править ]

Компаратор с КМОП-синхронизацией с низким энергопотреблением

Поскольку компараторы имеют только два выходных состояния, их выходы либо близки к нулю, либо близки к напряжению питания. Биполярные компараторы Rail-to-Rail имеют выход с общим эмиттером, который создает небольшое падение напряжения между выходом и каждой шиной. Это падение равно напряжению между коллектором и эмиттером насыщенного транзистора. Когда выходные токи малы, выходные напряжения КМОП компараторов Rail-to-Rail, которые основаны на насыщенном МОП-транзисторе, находятся в диапазоне ближе к напряжениям шины, чем их биполярные аналоги. [9]

По выходным сигналам компараторы можно также классифицировать как с открытым стоком или как двухтактные . В компараторах с выходным каскадом с открытым стоком используется внешний подтягивающий резистор к положительному источнику питания, который определяет высокий логический уровень. Компараторы с открытым стоком больше подходят для проектирования систем смешанного напряжения. Поскольку выход имеет высокий импеданс для высокого логического уровня, компараторы с открытым стоком также можно использовать для подключения нескольких компараторов к одной шине. Двухтактный выход не требует подтягивающего резистора и может также истощать ток, в отличие от выхода с открытым стоком.

Внутренняя ссылка [ править ]

Наиболее частое применение для компараторов является сравнением между напряжением и ссылкой стабильной. Большинство производители компаратора также предлагают компараторы , в котором опорное напряжение интегрировано на чип. Сочетание ссылки и компаратора в одном чипе не только экономит пространство, но и потребляет меньше , чем ток питания компаратора с внешней ссылкой. [9] ИС с широким диапазоном ссылок имеются такие , как MAX9062 (200 мВ ссылки), LT6700 (400 мВ опорного), ADCMP350 (600 мВ опорного), MAX9025 (1,236 опорного напряжения), MAX9040 (2,048 опорного напряжения), TLV3012 ( ссылка 1,24 В) и TSM109 (2.5 опорного напряжения).

Непрерывный против синхронизированного [ править ]

Непрерывный компаратор будет выводить либо «1», либо «0» каждый раз, когда на его вход подается высокий или низкий сигнал, и будет быстро меняться при обновлении входов. Однако во многих приложениях выходы компаратора требуются только в определенных случаях, например, в аналого-цифровых преобразователях и памяти. Путем стробирования компаратора только через определенные интервалы можно достичь более высокой точности и меньшей мощности с тактовой (или динамической) структурой компаратора, также называемой компаратором с фиксацией. Часто компараторы с фиксацией используют сильную положительную обратную связь для «фазы регенерации», когда тактовый сигнал высокий, и имеют «фазу сброса», когда тактовый сигнал низкий. [10] В этом отличие от компаратора непрерывного действия, который может использовать только слабую положительную обратную связь, поскольку период сброса отсутствует.

Приложения [ править ]

Основная статья: Приложения компаратора

Нулевые детекторы [ править ]

Детектор нуля определяет, когда заданное значение равно нулю. Компараторы идеально подходят для сравнительных измерений с обнаружением нуля, поскольку они эквивалентны усилителю с очень высоким коэффициентом усиления с хорошо сбалансированными входами и контролируемыми пределами выхода. Схема детектора нуля сравнивает два входных напряжения: неизвестное напряжение и опорное напряжение, как правило , называют V U и V. г. Опорное напряжение, как правило, на неинвертирующий вход (+), в то время как неизвестно напряжение, как правило, на инвертирующий входе (-). (На принципиальной схеме входы будут отображаться в соответствии с их знаком по отношению к выходу, когда один вход больше другого.) Если входы почти не равны (см. Ниже), выход будет либо положительным, либо отрицательным, например ± 12 В. в случае нуль-детектора целью является обнаружение, когда входные напряжения почти равны, что дает значение неизвестного напряжения, поскольку опорное напряжение известно.

При использовании компаратора в качестве детектора нуля точность ограничена; выходной сигнал равен нулю, когда величина разности напряжений, умноженная на коэффициент усиления усилителя, находится в пределах напряжения. Например, если коэффициент усиления равен 10 6 , а пределы напряжения составляют ± 6 В, то выходной сигнал будет равен нулю, если разность напряжений меньше 6 мкВ. Это можно назвать фундаментальной погрешностью измерения. [11]

Детекторы перехода через ноль [ править ]

Для этого типа детектора компаратор обнаруживает каждый раз, когда импульс переменного тока меняет полярность. Выход компаратора изменяет состояние каждый раз, когда импульс меняет свою полярность, то есть выход HI (высокий) для положительного импульса и LO (низкий) для отрицательного импульса возводит в квадрат входной сигнал. [12]

Осциллятор релаксации [ править ]

Компаратор может быть использован для создания релаксационного генератора . Он использует как положительные, так и отрицательные отзывы. Положительная обратная связь представляет собой конфигурацию триггера Шмитта . Сам по себе триггер - это бистабильный мультивибратор . Однако медленная отрицательная обратная связь, добавляемая к триггеру RC-цепью, заставляет цепь автоматически колебаться. То есть добавление RC-цепи превращает гистерезисный бистабильный мультивибратор в нестабильный мультивибратор . [13]

Сдвиг уровня [ править ]

National Semiconductor LM393

Для этой схемы требуется только один компаратор с выходом с открытым стоком, как в LM393 , TLV3011 или MAX9028 . Схема обеспечивает большую гибкость в выборе напряжения для преобразования с использованием подходящего напряжения подтягивания. Он также позволяет преобразовывать биполярную логику ± 5 В в униполярную логику 3 В с помощью компаратора, такого как MAX972 . [9]

Аналого-цифровые преобразователи [ править ]

Когда компаратор выполняет функцию определения того, находится ли входное напряжение выше или ниже заданного порога, он, по сути, выполняет 1-битное квантование . Эта функция используется почти во всех аналого-цифровых преобразователях (таких как флэш , конвейер, последовательное приближение , дельта-сигма модуляция , сворачивание, интерполяция, двойной наклон и другие) в сочетании с другими устройствами для достижения многобитового квантования. [14]

Детекторы окон [ править ]

Компараторы также могут использоваться как детекторы окон. В оконном детекторе компаратор используется для сравнения двух напряжений и определения, находится ли данное входное напряжение ниже или выше напряжения.

Детекторы абсолютного значения [ править ]

Компараторы могут использоваться для создания детекторов абсолютных значений. В детекторе абсолютного значения два компаратора и цифровой логический вентиль используются для сравнения абсолютных значений двух напряжений. [15]

См. Также [ править ]

  • Дискриминатор постоянной дроби
  • Цифровой компаратор
  • Флэш-АЦП
  • Список интегральных схем серии LM
  • Сортировочная сеть
  • Детектор нулевого порога пересечения

Ссылки [ править ]

  1. ^ Лист данных LM111 / LM211 / LM311 . Инструменты Техаса. Август 2003. Проверено 2 июля 2014.
  2. ^ Лист данных LM139 / LM239 / LM339 / LM2901 / LM3302 . Инструменты Техаса. Август 2012. Проверено 2 июля 2014.
  3. ^ Лист данных LMH7322 . Инструменты Техаса. Март 2013. Проверено 2 июля 2014.
  4. ^ Malmstadt, Энке и Крауч, электроника и приборы для ученых, The Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc., 1981, ISBN  0-8053-6917-1 , Глава 5.
  5. ↑ Рон Манчини, « Проектирование с помощью компараторов », EDN, 29 марта 2001 г.
  6. ^ Rogenmoser, R .; Кэслин, Х., "Влияние размера транзистора на КПД в схемах субмикронной КМОП", Solid-State Circuits, IEEE Journal of Volume 32, Issue 7, Jul 1997 Page (s): 1142–1145.
  7. ↑ Рон Манчини, « Добавление гистерезиса к компараторам. Архивировано 21февраля 2005 г.в Wayback Machine », EDN, 3 мая 2001 г.
  8. ^ AN3616, Maxim Integrated Products, Добавление дополнительного гистерезиса к компараторам .
  9. ^ a b c AN886, Maxim Integrated Products, Выбор подходящего компаратора .
  10. Перейти ↑ Pedro M. Figueiredo, João C. Vital (2009). Методы уменьшения смещения в высокоскоростных аналого-цифровых преобразователях: анализ, проектирование и компромиссы . Springer. С. 54–62. ISBN 978-1-4020-9715-7.
  11. ^ Мальмштадт, Говард V .; Энке, Кристи Дж .; Крауч, Стэнли Р. (январь 1981 г.), Электроника и приборы для ученых , The Benjamin / Cummings Publishing Co, стр.  108–110 , ISBN 978-0-8053-6917-5
  12. ^ Электроника и приборы для ученых. Мальмштадт, Энке и Крауч, The Benjamin / Cummings Publishing Co., In., 1981, p.230.
  13. ↑ Пол Хоровиц и Уинфилд Хилл: Искусство электроники , Cambridge University Press, второе издание, Кембридж, 1989, стр. 284–285.
  14. ↑ Филлип Аллен и Дуглас Холберг: Разработка аналоговой схемы КМОП , Oxford University Press, второе издание, Оксфорд, 2002.
  15. ^ "Иранманеш, С., Родригес-Виллегас, Э. (2016). КМОП-реализация схемы компаратора абсолютного значения малой мощности. IEEE NEWCAS, июнь 2016". DOI : 10.1109 / NEWCAS.2016.7604807 . S2CID 10810576 .  Cite journal requires |journal= (help)
  •  Эта статья включает  материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .

Внешние ссылки [ править ]

  • Справочная страница IC Comparator на http://circuitous.ca
  • Инструмент поиска значения резистора на основе Java для анализа схемы инвертирующего компаратора с гистерезисом