Компараторы

Специализированные интегральные схемы

По мере того как требования на специфические функции электроники возрастают настолько, что усилия и материальные затраты на разработку становятся оправданными, эти функции по возможности реализуются с помощью интегральных схем. Очень часто после завершения разработки стоимость таких специализированных интегральных схем падает, и во многих слу­чаях качество функционирования улучшается.

Рассмотрим несколько специализирован­ных интегральных схем, которые удовлетворяют спрос на опре­деленные функции электроники.

Компараторы представляют собой ОУ специального назначения, предназначенные для сравнения по уровню двух входных напряжений и скачкообразного изменения выходного напряже­ния в случае, когда одно из сравниваемых напряжений больше другого. Любой ОУ может быть использован в качестве компа­ратора, однако специально спроектированные компараторы удобнее для применения.

Компаратор должен иметь низкое напряжение сдвига, низ­кий дрейф напряжения сдвига, устойчиво работать без само­возбуждения и иметь низкое значение тока смещения. Многие компараторы могут работать от одного источника питания, что представляет известные преимущества для ряда применений.

Компараторы являются составной частью устройств автоматического контроля, АЦ-преобразования, стабилизации источни­ков питания (в качестве усилителей ошибки), сдвига уровня логических сигналов. Перечень применений компараторов на этом не исчерпывается.

На рис. 44, а показана схема компаратора с одним источ­ником питания. Один вход компаратора соединяется с источни­ком опорного напряжения, а на другой подается входной сиг­нал. Так как U_вхподается на инвертирующий вход, то выходное напряжение будет мало, когда U_вх> U_оп,и велико, когда U_вх< U_оп. Если желательно, чтобы U_выхбыло велико, когда U_вх> U_оп,то следует только поменять порядок присоединения входных напряжений к инвертирующему и неинвертирующему входам компаратора. Когда входной сигнал в процессе изме­нения становится больше опорного, то выход компаратора не­медленно изменяет свое состояние или уровень напряжения, как это показано на рис. 44, б, Если изменение выходного напряжения составляет 5 В и коэффициент усиления компаратора равен 10 000, то разность между U_вх и U_оп, вызывающая изме­нение выходного напряжения, будет

U_вх – U_оп= ΔU_вых /К_р = 5 В/10 000 = 0,5 мВ,

Если опорное напряжение равно, например, 2,5 В, то это соот­ветствует относительной погрешности компаратора

2 (U_вх– U_оп)(100)/ U_оп = 1 мВ/2,5 В = 0,04 %.

Разность U_вх– U_оп здесь удвоена, так как полное изменение выходного напряжения компаратора происходит, когда входной сигнал выше или-ниже U_опна 0,5 мВ. Результат сравнения двух уровней напряжения при этом получается с высокой точностью. Однако у этой схемы имеется важный недостаток, который можно усмотреть из рис. 44, б: если U_вхменяется медленно и находится вблизи U_опто шумы, содержащиеся в U_вх,могут вызвать ложные изменения в выходном напряжении.

а б

Рис. 44. Компаратор: а – схема с одним источником питания ; б – изменение во времени входного и выходного напряжений. Dt₁ – время, в течение которого выходной сигнал изменяется под влиянием нормального изменения U_вх; Dt₂ – время, в течение которого изменение выходного сигнала происходит под влиянием входного сигнала с шумом.

 

Введение гистерезиса в работу компаратора хотя и снижает точность, но делает его невосприимчивым к шумам. Гистерезис достигается включением более высокого опорного напряжения, когда U_вхизменяется от низкого к высокому уровню по срав­нению со значением U_оп,используемым, когда U_вхизменяется от высокого к низкому уровню. Высокое значение опорного на­пряжения называется напряжением верхней точки опрокидыва­ния (верхний порог срабатывания) U_ВТО, а низкое – напряже­нием нижней точки опрокидывания U_НТО(нижний порог сра­батывания).