Войти
Рисунок 1. Иллюстрация того, как работает компаратор В электронике, компаратор - это устройство, которое сравнивает два напряжения или тока и выводит цифровой сигнал, указывающий, какой из них больше. Он имеет два аналоговых входа: 
Компаратор состоит из специализированного высокого усиления дифференциального усилителя. Они обычно используются в устройствах, которые измеряют и оцифровывают аналоговые сигналы, такие как АЦП последовательного приближения, а также релаксационные генераторы.
Дифференциальные напряжения должны оставаться в пределах, установленных 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). Компараторы Rail-to-Rail допускают любые дифференциальные напряжения в пределах диапазона источника питания. При питании от биполярного источника (с двумя шинами)
или при питании от однополярного источника питания TTL / CMOS :
Специальные компараторы rail-to-rail с входными транзисторами pnp, такие как семейство LM139, позволяют падать входному потенциалу На 0,3 В ниже отрицательной шины питания, но не позволяйте ей подниматься выше положительной шины. Специальные сверхбыстрые компараторы, такие как LMH7322, позволяют входному сигналу колебаться ниже отрицательной шины и выше положительной шины, хотя и с узким запасом всего 0,2 В. Дифференциальное входное напряжение (напряжение между двумя входами) современной шины. to-rail компаратор обычно ограничивается только полным размахом подачи питания.
Простой компаратор операционного усилителя Операционный усилитель (операционный усилитель) имеет хорошо сбалансированный разностный вход и очень высокий усиление. Это соответствует характеристикам компараторов и может быть заменено в приложениях с низкими требованиями к производительности.
Схема компаратора сравнивает два напряжения и выдает либо 1 (напряжение на плюсовой стороне), либо 0 (напряжение на отрицательная сторона), чтобы указать, какая из них больше. Компараторы часто используются, например, для проверки того, достиг ли вход некоторого заранее определенного значения. В большинстве случаев компаратор реализован с использованием специальной ИС 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. Во-первых, обратите внимание, что в схеме не используется обратная связь. Схема усиливает разницу напряжений между Vin и VREF, и выводит результат на Vout. Если Vin больше VREF, тогда напряжение на Vout повысится 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 если сигнал Vin несколько зашумлен.
На практике использование операционного усилителя в качестве компаратора имеет ряд недостатков по сравнению с использованием специального компаратора:
Специальный компаратор напряжения обычно будет быстрее, чем операционный усилитель общего назначения, используемый в качестве компаратора, и может также содержать дополнительные функции, такие как точный, внутреннее опорное напряжение, регулируемое гистерезис, и часы закрытого входа.
Специальная микросхема компаратора напряжения, такая как LM339, предназначена для взаимодействия с цифровым логическим интерфейсом (для TTL или CMOS ). Выход представляет собой двоичное состояние, которое часто используется для сопряжения реальных сигналов с цифровыми схемами (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 попадет на один из логических уровней, поэтому аналоговые сигналы попадут в цифровую область с непредсказуемыми результатами. Чтобы сделать этот диапазон как можно меньше, каскад усилителей имеет высокий коэффициент усиления. Схема состоит в основном из биполярных транзисторов. Для очень высоких частот входной импеданс каскадов низкий. Это снижает насыщение медленных, больших биполярных транзисторов P-N-переход, что в противном случае привело бы к длительному времени восстановления. Быстрые маленькие 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 в флэш-АЦП распределенный сигнал по восьми портам соответствует усилению по напряжению и току после каждого усилителя, а резисторы в этом случае действуют как регуляторы уровня.
LM339 выполняет это с помощью выхода с открытым коллектором. Когда на инвертирующем входе напряжение выше, чем на неинвертирующем входе, 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 следующим уравнением: V (выход) = V (вход)
Хотя базовую задачу компаратора легко понять, а именно: При сравнении двух напряжений или токов при выборе подходящего компаратора необходимо учитывать несколько параметров:
Хотя в целом компараторы «быстрые», их схемы не защищены от классических компромисс между скоростью и мощностью. В высокоскоростных компараторах используются транзисторы с большим соотношением сторон экрана и, следовательно, они потребляют больше энергии. В зависимости от приложения выберите либо высокоскоростной компаратор, либо энергосберегающий. Например, компараторы с нано-питанием в компактных корпусах для масштабирования микросхем (UCSP), DFN или SC70, таких как MAX9027, LTC1540, LPV7215, MAX9060 и MCP6541 идеально подходят для портативных приложений со сверхнизким энергопотреблением. Аналогичным образом, если компаратор необходим для реализации схемы релаксационного генератора для создания высокоскоростного тактового сигнала, тогда могут быть подходящими компараторы, имеющие задержку распространения в несколько наносекунд. ADCMP572 (выход CML), LMH7220 (выход LVDS), MAX999 (выход CMOS / выход TTL), LT1719 (выход CMOS / TTL-выход), MAX9010 (TTL-выход) и MAX9601 (выход PECL) являются примерами некоторых хороших высокоскоростных компараторов.
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 выходного сигнала, во многие современные компараторы встроен небольшой гистерезис в несколько милливольт. Например, LTC6702, MAX9021 и MAX9031 имеют внутренний гистерезис, снижающий их чувствительность к входному шуму. Вместо одной точки переключения гистерезис вводит две: одну для повышающихся напряжений и одну 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 больше внутреннего гистерезиса, то можно построить внешнюю гистерезисную сеть, 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 ADCMP341, также обеспечивают 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. Когда добавляется гистерезис, компаратор не может разрешить сигналы в пределах диапазона гистерезиса.
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 MOSFET, находятся в диапазоне, более близком к напряжению шины, чем их биполярные аналоги.
На основе выходов компараторы также могут классифицироваться как открытый сток или двухтактный. 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 систем смешанного напряжения. Поскольку выход имеет высокий импеданс для высокого логического уровня, компараторы с открытым стоком также могут использоваться 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.
Наиболее частым применением компараторов является сравнение напряжения и стабильного задания. 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. Доступны ИС с широким диапазоном эталонов, таких как MAX9062 (эталон 200 мВ), LT6700 (эталон 400 мВ), ADCMP350 (эталон 600 мВ), MAX9025 (1,236 опорного напряжения), MAX9040 (2,048 опорного напряжения), TLV3012 (1,24 опорного напряжения) и TSM109 (опорного напряжения 2.5).
Непрерывный компаратор будет выводить либо «1», либо «0» каждый раз, когда на его вход подается высокий или низкий сигнал, и будет быстро меняться, когда входы обновлено. 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. В этом отличие от компаратора непрерывного действия, который может использовать только слабую положительную обратную связь, поскольку период сброса отсутствует.
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 напряжение: неизвестное напряжение и опорное напряжение, как правило, называют V и и V т. 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 относительно выхода, 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, а пределы напряжения составляют ± 6 В, то выходной сигнал будет равен нулю, если разница напряжений меньше 6 мкВ. Это можно назвать фундаментальной погрешностью измерения.
Для этого типа детекторов компаратор обнаруживает каждый раз, когда изменяется импульс ac 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 квадратирует входной сигнал.
Компаратор может использоваться для создания генератора релаксации. 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.
National Semiconductor LM393 Для этой схемы требуется только один компаратор с выход с открытым стоком, как в LM393, TLV3011 или MAX9028. Схема обеспечивает большую гибкость в выборе напряжения для преобразования с использованием подходящего напряжения подтяжки. Он также позволяет преобразовывать биполярную логику ± 5 В в униполярную логику 3 В с помощью компаратора, такого как MAX972.
Когда компаратор выполняет функцию определения того, входное напряжение выше или ниже заданного порога, по сути, выполняется 1-битное квантование. Эта функция используется почти во всех аналого-цифровых преобразователях (таких как flash, pipeline, последовательное приближение, дельта-сигма модуляция, сворачивание, интерполяция, dual-slope и другие) в сочетании с другими устройствами для достижения многобитового квантования.
Компараторы также могут использоваться в качестве детекторов окна. В оконном детекторе компаратор используется для сравнения двух напряжений и определения того, находится ли данное входное напряжение под напряжением или повышенным напряжением.
Компараторы могут использоваться для создания детекторов абсолютного значения. В детекторе абсолютных значений два компаратора и цифровой логический вентиль используются для сравнения абсолютных значений двух напряжений.
В этой статье используется общедоступный материал из документа Администрации общих служб : "Федеральный стандарт 1037C".
 | Найдите comparator в Wiktionary, бесплатном словаре. |
