Компараторы напряжений

Компаратор или сравнивающее устройство – это устройство, которое служит для определения момента равенства двух входных напряжений. Компараторы используются в устройствах автоматического контроля параметров изделий, аналого-цифровых преобразователях сигналов, стабилизаторах напряжений.

Компаратор представляет собой операционный усилитель (ОУ) специального назначения, у которого мгновенное значение выходного напряжения изменяется от нижнего предельного значения - до верхнего предельного - при каждом прохождении через нуль разности двух входных напряжений.

Выходное напряжение используется для управления каким-либо электронным устройством.

В качестве компаратора на низких частотах можно использовать обычный ОУ. (рис.1)

- источник сигнала,

- источник опорного напряжения.

Диоды для защиты микросхемы от большого дифф. входного напряжения.

При подаче на неинвертирующий вход синусоидального напряжения, а на инвертирующий – постоянного опорного на выходе устройства вследствие большого коэффициента усиления ОУ получится серия практически прямоугольных импульсов (рис.2).

Положения моментов переключения соответствует моментам равенства .

Если входы ОУ поменять местами, то изменит знак.

При получается так называемый нуль-индикатор.

Для сравнения двух радиополярных напряжений используется схема рис.3.

При устройство срабатывает при . Например, для медленно меняющегося имеет вид (рис.4):

Передаточная характеристика компаратора.

Передаточная характеристика инвертирующего компаратора с симметричным изменением выходного напряжения (т.е. ) имеет вид (рис.5):

Поскольку усиление реального ОУ не бесконечно, вместо резкого спада получается плавный. (реальная отличается от идеальной)

Если плавное срабатывание нежелательно, то на неинвертирующий вход подают напряжение положит. ОС. С помощью резисторного делителя. (рис.6)

При этом переключение происходит скачком (лавинообразно). Кроме того, теперь входное напряжение способно переключить компаратор, если оно достигает некоторого порогового значения .

. (1)

Такая задержка срабатывания называется гистерезисом (рис.7). Она делает схему нечувствительной к шумам.

Компаратор с положит. ОС имеет два устойчивых состояния, т.е. является триггером. Если , то он срабатывает по собственному порогу и называется триггером Шмита.

Он может быть и неинвертирующим (рис.8).

Используется для преобразования переменного входного напряжения в серию прямоугольных импульсов.

Современные интегральные компараторы – специализированные ОУ с двумя входами и выходами, предназначенными для управления цифровыми микросхемами. Предельные значения у них , а равны стандартным значениям логического 0 и логической 1.

Важнейший параметр компаратора – время переключения или задержки срабатывания. Это время между моментом подачи на вход перепада напряжения и моментом достижения выходным напряжением 50% (иногда 90%) его максимального уровня.

Специализированные интегральные компараторы имеют время переключения 6÷300 нс. У обычных ОУ – десятки-сотни мкс.

Другой параметр – выходная мощность. У современных компараторов достаточна для управления входами десяти и более ТТЛ-ключей.

Коэффициент усиления компараторов может достигать 100 тыс.

Разрешающая способность – десятые доли мВ.

Для повышения быстродействия принимают меры по предотвращения насыщения транзисторов в схеме компараторов. Для этого ограничивают уровень напряжения отпирающего транзистора оконечного каскада, а в сверхскоростных компараторах (время переключения менее 10 нс) – и промежуточных каскадов. Используют так же встраивание диодов Шотки параллельно переходам коллектор-база транзисторов (т.к. называемый транзистор Шотки). Порог отпирания этих диодов (~0,3 В) меньше, чем коллекторного перехода. Поэтому переход не открывается, носители в базу не инжектируются, не тратится время на их рассасывание.