Презентация на тему Компараторы напряжения

место режим ограничения выходного напряжения, т.е: Uвых =

U1вых ≈ Еп+ sign Uвх+, при Uвх+ > Uвх-, (1.1)
U0 вых ≈ Еп¯ sign Uвх+, при Uвх+ < Uвх-,
Итак, благодаря большому коэффициенту усиления ОУ имеют амплитудную характеристику аналогичную характеристике компаратора.
Недостатком ОУ при использовании их в качестве компараторов является невысокое быстродействие переключения (из-за сложности схемы и большого числа активных элементов).
В тех случаях, когда требуется высокое быстродействие применяют специализированные схемы компараторов.
По структуре они аналогичны ОУ, но имеют более простую схему с меньшим числом активных элементов.
Основные параметры компаратора аналогичны параметрам ОУ, но имеются и специфические: зона неопределенности 2ΔЕ=Еп/Коу - это такое изменение исследуемого напряжения вблизи порога срабатывания, при котором компаратор не принимает ни одного из своих стационарных состояний.
Параметры, характеризующие качество компараторов, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.
Компаратор характеризуется теми же точностными параметрами, что и ОУ.

Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда

выходное напряжение компаратора достигает противоположного логического уровня. Время переключения замеряется при постоянном опорном напряжении, подаваемом на один из входов компаратора и скачке входного напряжения Uвх, подаваемого на другой вход. Это время зависит от величины превышения Uвх над опорным напряжением. На рис. 8 приведены переходные характеристики компаратора mА710 для различных значений дифференциального входного напряжения Uд при общем скачке входного напряжения в 100 мВ. Время переключения компаратора tп можно разбить на две составляющие: время задержки tз и время нарастания до порога срабатывания логической схемы tн. В справочниках обычно приводится время переключения для значения дифференциального напряжения, равного 5 мВ после скачка.
Рис. 8. Переходная характеристика компаратора mА710 при различных превышениях скачка входного напряжения Uд над опорным: 1 - на 2 мВ; 2 - на 5 мВ; 3 - на 10 мВ; 4 - на 20 мВ.
Выходные каскады компараторов обычно обладают большей гибкостью, чем выходные каскады операционных усилителей. В обычном ОУ используют двухтактный выходной каскад, который обеспечивает размах напряжения в пределах между значениями напряжения питания (например, +/-13 В для ОУ типа 140УД7, работающего от источников +/-15 В). В выходном каскаде компаратора эмиттер, как правило, заземлен, и выходной сигнал снимается с "открытого коллектора". Выходные транзисторы некоторых типов компараторов, например, 521СА3 или LM311 имеют открытые, т.е. неподключенные, и коллектор и эмиттер. Две основные схемы включения компараторов такого типа приведены на рис. 5.На рис. 5а выходной транзистор компаратора включен по схеме с общим эмиттером. При потенциале на верхнем выводе резистора равном +5 В к выходу можно подключать входы ТТL, nМОП- и КМОП-логику с питанием от источника 5 В. Для управления КМОП-логикой с более высоким напряжением питания следует верхний вывод резистора подключить к источнику питания данной цифровой микросхемы.

от U+пит до U-пит, выходной каскад включается по схеме

эмиттерного повторителя (рис. 5б). При этом заметно снижается быстродействие компаратора и происходит инверсия его входов.
Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор - это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.
Разновидности схем компараторов
1.Компараторы без положительной обратной связи двухвходовые (для сравнения однополярных входных сигналов) одновходовые (для сравнения разнополярных входных сигналов)
2.Компараторы с положительной обратной связью
Двухвходовый инвертирующий компаратор
Схема двухвходового компаратора приведена на рис. .
Определим величину порогового напряжения Uпор. Компаратор срабатывает, когда Uх= Uвх- = Uвх+=Uоп. Отсюда следует, что Uпор=Uоп. На рис. приведена амплитудная характеристика, а на рис. временные диаграммы работы схемы, когда входной сигнал гармонический.

рис. .

Определим величину порогового напряжения Uпор. Компаратор срабатывает, когда Uх= Uвх+ = Uвх- =Uоп. Отсюда следует, что Uпор=Uоп. На рис. приведена амплитудная характеристика, а на рис. временные диаграммы работы схемы, когда входной сигнал гармонический.
Одновходовый инвертирующий компаратор. Схема двухвходового компаратора приведена на рис. . Определим величину порогового напряжения Uпор. Компаратор срабатывает, когда Uвх- = Uвх+=0. Для узла «а» по первому закону Кирхгофа запишем соотношение для токов: I1+I2=Iоу. Каждый из токов запишем по закону Ома и


учитывая, что Uвх- = Uвх+=0, получим


Так как напряжения Uпор и Uоп имеют разные знаки, то компаратор называют инвертирующим.
На рис. приведена амплитудная характеристика, а на рис. временные диаграммы работы схемы, когда входной сигнал гармонический.

. Резисторы R1, R2 – образуют цепь положительной обратной

связи. За счет нее часть выходного сигнала поступает на неинвертирующий вход, что приводит в таких компараторах к двум порогам срабатывания, каждый из которых связан с выходным сигналом. Одно из пороговых напряжений называется верхним UПВ, а другое нижним UПН. Они равны следующим величинам UПВ =Е+пR1/(R1+R2), UПН= Е+пR1/(R1+R2). Считаем, что Uоп=0. Схема работает следующим образом.
1.Пусть , следовательно U+вх =Е-пR1/(R1+R2), компаратор срабатывает когда



2.Пусть , следовательно U+вх =Е+пR1/(R1+R2), компаратор срабатывает когда



Амплитудная характеристика компаратора приведена на рис.
Она имеет гистерезисный характер. Напряжение равное разности UПВ-UПН= Uгист называется напряжением гистерезиса.

Одновходовый неинвертирующий компаратор.

Компараторы с положительной обратной связью
Благодаря положительной обратной связи такие компараторы имеют:
1.лучшее быстродействие
2.высокую помехоустойчивость
Их называют триггерами Шмидта.
Инвертирующий компаратор с положительной обратной связью

входных сигналов, т.е. от времени пребывания входного сигнала в

зоне неопределенности, а потому переключение компаратора происходит с задержкой.В компараторе с положительной обратной связью переключающий сигнал состоит из двух составляющих:
1).Входного (исследуемого) сигнала;
2). Сигнала поступающего с выхода по цепи ПОС.
Сигнал на выходе компаратора усилен в Kоу раз, во столько же раз увеличивается его скорость изменения. За счет этого переключение компаратора с ПОС происходит значительно быстрее, чем без нее.
«Дребезг» компараторов
Под «дребезгом» компараторов понимают многократное изменение входного сигнала, когда исследуемый сигнал Ux находится вблизи порогового Ux ~ Uпор. «Дребезг» компараторов возникает из-за шумов и электромагнитных наводок, которые накладываются на исследуемый сигнал Ux или опорное напряжение Uоп.
Рассмотрим работу неинвертирующего компаратора с нулевым опорным напряжением Uоп=0. Из рис. следует, что если при работе компаратора наводка отсутствует то компаратор срабатывает однократно. Если на исследуемый сигнал в компараторе без ПОС накладывается помеха, то наблюдается многократное срабатывание компаратора – дребезг. Если компаратор имеет ПОС, и два порога срабатывания, то при правильном выборе напряжения гистерезиса Uгист дребезг будет отсутствовать. Для устранения дребезга должно выполняться условие Uгист≥2Um.пом, где Um.пом – амплитуда помехи.

входной сигнал, что на их выходе появляется импульсы требуемой

формы.
Благодаря свойствам компаратора, он широко используется в качестве формирователя прямоугольных импульсов, а дополнение его времязадающими элементами позволяет расширить число схем формирователей импульсов. В качестве времязадающих цепей обычно используют RC-цепи первого порядка.
Свойства цепей первого порядка. При анализе многих импульсных устройств, приходится иметь дело с переходными процессами, протекающими в цепях первого порядка. Такие процессы описываются дифференциальным уравнением первого порядка τdy/dt + y = x, где y(t) – отклик цепи (ток или напряжение); τ – постоянная времени; х – входной сигнал цепи (ток или напряжение). Общее решение, такого уравнения, зависит от характера входного сигнала. Если входной сигнал – ступенчатое воздействие (х=Е 1(t)), то общее решение записывается в виде y(t) = y(∞) + [y(0) – y(∞)]e-t/τ (1.2)
Оно подчиняется ехр-закону и его график приведен на рис.(1.3), где y(0) – выходной сигнал при t=0; y(∞) - выходной сигнал при t=∞
Определим интервал времени ∆t=t11 – t1, в течении которого экспоненциально изменяющаяся функция y(t) возрастает (убывает) от уровня y(t1) до y(t11) (рис. 1.3.).
Согласно (1.2) y(t1) = y(∞) + [y(0) – y(∞)]e-t1/τ, откуда t1= τ ln[(y(∞)–y(0))/ (y(∞)–y(t1))]; аналогично t11= τ ln[(y(∞)–y(0))/ (y(∞)–y(t11))].
Следовательно, ∆t=t11 – t1= τ ln[(y(∞)–y(t1))/ (y(∞)–y(t11))]. 1.3)
Этой формулой широко пользуются при расчете длительностей импульсов, фронтов и различных временных интервалов.
Рассмотрим типовые устройства для формирования задержанного импульса, импульса заданной длительности.

Формирователь импульсов на основе компараторов

схемы приведенной на рис. .
Схема состоит из интегрирующей

RC- цепи и компаратора. Временные диаграммы сигналов в характерных точках схемы приведенны на рис. . Регулируя величину порогового напряжения Uпор, или τ=RC можно изменить значение времени задержки tз.
формирователь задержанного прямоугольного импульса положительной полярности по положительному перепаду. Принципиальная схема приведена на рис. . Компаратор включен по схеме неинвертирующего компаратора. В схеме питания компаратора принято, что Е+ =+10 В и Е¯=0 В. Поскольку для данной схемы τ =RC; y(∞)=Е; y(0)=0; y (t1)=0; y(t11)=Uпор, то величина времени задержки, согласно (1.3) определяется
соотношением


формирователь задержанного прямоугольного импульса отрицательной полярности по положительному перепаду.
Принципиальная схема приведена на рис. . В схеме питания компаратора принято, что
Е+ =0 В, а Е¯= -10 В. Компаратор включен по схеме инвертирующего компаратора. Поскольку для данной схемы τ =RC; y(∞)=Е; y(0)=0; y (t1)=0; y(t11)=Uпор,
то величина времени задержки определяется аналогично ( ).

Формирователи задержанного
прямоугольного импульса

входного более длинного импульса, обычно производится с помощью функциональной

схемы приведенной на рис. . Схема со стоит из дифференцирующей RC- цепи и компаратора. Временные диаграммы сигналов в характерных точках схемы приведены на рис. . Регулируя величину порогового напряжения Uпор, или τ=RC можно изменить значение времени задержки tз. Формирователь импульса положительной полярности заданной длительности по положительному перепаду. Принципиальная схема приведена на рис. . Компаратор включен по схеме неинвертирующего компаратора. В схеме питания компаратора принято, что Е+ =+10 В и Е¯=0 В. Поскольку для данной схемы: τ =RC; y(∞)=0; y(0)=Е; y (t1)=0; y(t11)=Uпор, то величина времени задержки, согласно (1.3) определяется соотношением
tи= RC ln(E/Uпор), (|E|>|Uпор|). ()

Формирователи укороченных импульсов

по отрицательному перепаду. Принципиальная схема приведена на рис. .

Компаратор включен по схеме неинвертирующего компаратора.
В схеме питания компаратора принято, что Е+ =10 В, а Е¯= 0 В. Поскольку для данной схемы: τ =RC; y(∞)=Е; y(0)=0;
y (t1)=0; y(t11)=Uпор, то величина времени задержки определяется аналогично ( ).