Komparator - Comparator

Ilustracja działania komparatora

W elektronice , A komparatora jest urządzeniem, które porównuje dwa napięcia lub prądu i wyprowadza cyfrowy sygnał wskazujący, która jest większa. Posiada dwa terminale wejściowe analogowe i i jedno cyfrowe wyjście binarne . Wyjście jest idealnie ${\ Displaystyle V_ {+}}$ ${\ Displaystyle V_ {-}}$ $V_{\tekst{o}}$

{\ Displaystyle V_ {\ tekst {o}} = {\ zacząć {przypadki} 1 i {\ tekst {jeśli}} V_ {+}> V_ {-}, \ \ 0 i {\ tekst {jeśli}} V_{+}<V_{-}.\end{przypadki}}}

Komparator składa się ze specjalistycznego wzmacniacza różnicowego o dużym wzmocnieniu . Są powszechnie stosowane w urządzeniach mierzących i digitalizujących sygnały analogowe, takich jak przetworniki ADC z następną aproksymacją , a także oscylatory relaksacyjne .

Napięcie różnicowe

Napięcia różnicowe muszą mieścić się w granicach określonych przez producenta. Wczesne zintegrowane komparatory, takie jak rodzina LM111 i niektóre szybkie komparatory, takie jak rodzina LM119, wymagają zakresów napięć różnicowych znacznie niższych niż napięcia zasilania (±15 V vs. 36 V). Komparatory szyna-szyna dopuszczają dowolne napięcia różnicowe w zakresie zasilania. Przy zasilaniu z dwubiegunowego (dwutorowego) źródła zasilania,

{\ Displaystyle V_ {S-} \ leq V_ {+}, V_ {-} \ leq V_ {S +}}

lub przy zasilaniu z unipolarnego zasilacza TTL / CMOS ,

{\ Displaystyle 0 \ równoważnik V_ {+}, V_ {-} \ równoważnik V_ {\ tekst {cc}}}

.

Specyficzne komparatory szyna-szyna z tranzystorami wejściowymi pnp , takie jak rodzina LM139, pozwalają na spadek potencjału wejściowego o 0,3 V poniżej ujemnej szyny zasilającej, ale nie pozwalają mu wznieść się powyżej szyny dodatniej. Specyficzne ultraszybkie komparatory, takie jak LMH7322, umożliwiają kołysanie sygnału wejściowego poniżej szyny ujemnej i powyżej szyny dodatniej, chociaż z wąskim marginesem zaledwie 0,2 V. Różnicowe napięcie wejściowe (napięcie między dwoma wejściami) nowoczesnej szyny komparator to-rail jest zwykle ograniczony jedynie pełnym kołysaniem zasilania.

Komparator napięcia wzmacniacza operacyjnego

Prosty komparator wzmacniacza operacyjnego

Wzmacniacz operacyjny (op-amp) posiada również symetryczne wejście różnica i bardzo wysoki zysk . Jest to zgodne z charakterystyką komparatorów i może być zastąpione w aplikacjach o niskich wymaganiach wydajnościowych.

Obwód porównawczy porównuje dwa napięcia i wyprowadza albo 1 (napięcie po stronie dodatniej) albo 0 (napięcie po stronie ujemnej), aby wskazać, które jest większe. Komparatory są często używane na przykład do sprawdzania, czy dane wejściowe osiągnęły określoną z góry wartość. W większości przypadków komparator jest implementowany przy użyciu dedykowanego układu scalonego komparatora, ale alternatywą mogą być wzmacniacze operacyjne. Schematy porównawcze i schematy wzmacniacza operacyjnego wykorzystują te same symbole.

Rysunek 1 powyżej pokazuje obwód porównawczy. Zauważ najpierw, że obwód nie wykorzystuje sprzężenia zwrotnego. Obwód wzmacnia różnicę napięć między Vin i VREF i wyprowadza wynik na Vout. Jeśli Vin jest większe niż VREF, napięcie na Vout wzrośnie do dodatniego poziomu nasycenia; to znaczy do napięcia po stronie dodatniej. Jeśli Vin jest niższy niż VREF, wówczas Vout spadnie do ujemnego poziomu nasycenia, równego napięciu po stronie ujemnej.

W praktyce obwód ten można ulepszyć, wprowadzając zakres napięcia histerezy, aby zmniejszyć jego wrażliwość na zakłócenia. Na przykład obwód pokazany na rysunku 1 zapewni stabilną pracę, nawet gdy sygnał Vin jest nieco zaszumiony.

Wynika to z różnicy w charakterystyce wzmacniacza operacyjnego i komparatora, stosowanie wzmacniacza operacyjnego jako komparatora ma kilka wad w porównaniu z zastosowaniem dedykowanego komparatora.

Wzmacniacze operacyjne są zaprojektowane do pracy w trybie liniowym z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. W związku z tym wzmacniacz operacyjny zwykle ma długi czas powrotu do stanu nasycenia. Prawie wszystkie wzmacniacze operacyjne mają wewnętrzny kondensator kompensacyjny, który nakłada ograniczenia szybkości narastania sygnałów o wysokiej częstotliwości. W rezultacie wzmacniacz operacyjny tworzy niechlujny komparator z opóźnieniami propagacji, które mogą wynosić nawet dziesiątki mikrosekund.
Ponieważ wzmacniacze operacyjne nie mają żadnej wewnętrznej histerezy, zewnętrzna sieć histerezy jest zawsze niezbędna dla wolno poruszających się sygnałów wejściowych.
Specyfikacja prądu spoczynkowego wzmacniacza operacyjnego jest ważna tylko wtedy, gdy aktywne jest sprzężenie zwrotne. Niektóre wzmacniacze operacyjne wykazują zwiększony prąd spoczynkowy, gdy wejścia nie są równe.
Komparator jest zaprojektowany do wytwarzania dobrze ograniczonych napięć wyjściowych, które łatwo łączą się z logiką cyfrową. Zgodność z logiką cyfrową należy zweryfikować przy użyciu wzmacniacza operacyjnego jako komparatora.
Niektóre wielosekcyjne wzmacniacze operacyjne mogą wykazywać ekstremalną interakcję kanał-kanał, gdy są używane jako komparatory.
Wiele wzmacniaczy operacyjnych ma diody zwrócone do siebie między wejściami. Wejścia wzmacniacza operacyjnego zwykle następują po sobie, więc jest to w porządku. Ale wejścia komparatora zwykle nie są takie same. Diody mogą powodować nieoczekiwany przepływ prądu przez wejścia.

Pracujący

Dedykowany komparator napięcia będzie generalnie szybszy niż wzmacniacz operacyjny ogólnego przeznaczenia używany jako komparator i może również zawierać dodatkowe funkcje, takie jak dokładne, wewnętrzne napięcie odniesienia, regulowana histereza i wejście bramkowane zegarem.

Dedykowany układ komparatora napięcia, taki jak LM339, jest przeznaczony do współpracy z cyfrowym interfejsem logicznym (do TTL lub CMOS ). Wyjście jest stanem binarnym, często używanym do łączenia sygnałów ze świata rzeczywistego z obwodami cyfrowymi (patrz konwerter analogowo-cyfrowy ). Jeśli w ścieżce sygnału znajduje się stałe źródło napięcia, na przykład z regulowanego urządzenia prądu stałego, komparator jest po prostu odpowiednikiem kaskady wzmacniaczy. Gdy napięcia są prawie równe, napięcie wyjściowe nie spadnie do jednego z poziomów logicznych, dzięki czemu sygnały analogowe wejdą do domeny cyfrowej z nieprzewidywalnymi rezultatami. Aby ten zakres był jak najmniejszy, kaskada wzmacniacza ma duże wzmocnienie. Obwód składa się głównie z tranzystorów bipolarnych . W przypadku bardzo wysokich częstotliwości impedancja wejściowa stopni jest niska. Zmniejsza to nasycenie powolnych tranzystorów bipolarnych o dużym złączu PN , które w przeciwnym razie prowadziłyby do długich czasów odzyskiwania. Szybkie małe diody Schottky'ego , takie jak te stosowane w układach z logiką binarną, znacznie poprawiają wydajność, chociaż wydajność nadal pozostaje w tyle za obwodami ze wzmacniaczami wykorzystującymi sygnały analogowe. Szybkość narastania nie ma znaczenia dla tych urządzeń. W zastosowaniach w przetwornikach ADC typu flash rozproszony sygnał w ośmiu portach dopasowuje się do wzmocnienia napięcia i prądu po każdym wzmacniaczu, a rezystory zachowują się wtedy jak przełączniki poziomu.

LM339 osiąga to dzięki wyjściu otwartego kolektora . Gdy wejście odwracające ma wyższe napięcie niż wejście nieodwracające, wyjście komparatora łączy się z ujemnym zasilaniem. Gdy wejście nieodwracające jest wyższe niż wejście odwracające, wyjście jest „pływające” (ma bardzo wysoką impedancję do masy). Wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego jako komparatora jest podane przez to równanie V(out)=V(in)

Kluczowe specyfikacje

Choć łatwo jest zrozumieć podstawowe zadanie komparatora, czyli porównywanie dwóch napięć lub prądów, to przy wyborze odpowiedniego komparatora należy wziąć pod uwagę kilka parametrów:

Szybkość i moc

Chociaż generalnie komparatory są „szybkie”, ich obwody nie są odporne na klasyczny kompromis między prędkością a mocą. Komparatory o dużej szybkości wykorzystują tranzystory o większych współczynnikach kształtu, a zatem również zużywają więcej energii. W zależności od aplikacji wybierz komparator o dużej prędkości lub taki, który oszczędza energię. Na przykład, komparatory z nano-zasilaniem w zajmujących mało miejsca pakietach chip-scale (UCSP), DFN lub SC70, takich jak MAX9027 , LTC1540 , LPV7215 , MAX9060 i MCP6541 są idealne do zastosowań przenośnych o bardzo niskim poborze mocy. Podobnie, jeśli komparator jest potrzebny do implementacji obwodu oscylatora relaksacyjnego w celu wytworzenia sygnału zegarowego o dużej szybkości, wówczas odpowiednie mogą być komparatory mające kilka nanosekund opóźnienia propagacji. ADCMP572 (wyjście CML), LMH7220 (wyjście LVDS), MAX999 (wyjście CMOS / wyjście TTL), LT1719 (wyjście CMOS / wyjście TTL), MAX9010 (wyjście TTL) i MAX9601 (wyjście PECL) to przykłady dobrych, szybkich komparatorów .

Histereza

Komparator zwykle zmienia stan wyjścia, gdy napięcie między jego wejściami przechodzi przez około zero woltów. Małe wahania napięcia spowodowane szumami, zawsze obecnymi na wejściach, mogą powodować niepożądane szybkie zmiany między dwoma stanami wyjściowymi, gdy różnica napięć wejściowych jest bliska zeru. Aby zapobiec tym oscylacjom wyjściowym, w wielu nowoczesnych komparatorach wbudowana jest niewielka histereza kilku miliwoltów. Na przykład, LTC6702 , MAX9021 i MAX9031 mają wewnętrzną histerezę odczulającą je na szum wejściowy. W miejsce jednego punktu przełączania histereza wprowadza dwa: jeden dla napięć rosnących, a drugi dla napięć spadających. Różnica pomiędzy wartością zadziałania wyższego poziomu (VTRIP+) a wartością zadziałania niższego poziomu (VTRIP-) jest równa napięciu histerezy (VHYST).

Jeżeli komparator nie posiada wewnętrznej histerezy lub jeżeli szum wejściowy jest większy niż wewnętrzna histereza, można zbudować zewnętrzną sieć histerezy wykorzystując dodatnie sprzężenie zwrotne z wyjścia do nieodwracającego wejścia komparatora. Powstały obwód wyzwalający Schmitta zapewnia dodatkową odporność na zakłócenia i czystszy sygnał wyjściowy. Niektóre komparatory, takie jak LMP7300 , LTC1540 , MAX931 , MAX971 i ADCMP341 zapewniają również kontrolę histerezy poprzez oddzielny pin histerezy. Te komparatory umożliwiają dodanie programowalnej histerezy bez sprzężenia zwrotnego lub skomplikowanych równań. Użycie dedykowanego pinu histerezy jest również wygodne, jeśli impedancja źródła jest wysoka, ponieważ wejścia są odizolowane od sieci histerezy. Po dodaniu histerezy komparator nie może rozwiązać sygnałów w paśmie histerezy.

Typ wyjścia

Komparator taktowany CMOS małej mocy

Ponieważ komparatory mają tylko dwa stany wyjściowe, ich wyjścia są albo bliskie zeru, albo bliskie napięcia zasilania. Bipolarne komparatory szyna-szyna mają wyjście wspólnego emitera, który wytwarza niewielki spadek napięcia między wyjściem a każdą szyną. Spadek ten jest równy napięciu kolektor-emiter nasyconego tranzystora. Gdy prądy wyjściowe są niewielkie, napięcia wyjściowe komparatorów CMOS szyna-szyna, które opierają się na nasyconym tranzystorze MOSFET, są bliższe napięciu szyn niż ich dwubiegunowe odpowiedniki.

Na podstawie danych wyjściowych komparatory można również sklasyfikować jako open-drain lub push-pull . Komparatory ze stopniem wyjściowym z otwartym drenem używają zewnętrznego rezystora podciągającego do dodatniego zasilania, które definiuje wysoki poziom logiczny. Komparatory z otwartym drenem są bardziej odpowiednie do projektowania systemów mieszanego napięcia. Ponieważ wyjście ma wysoką impedancję dla wysokiego poziomu logicznego, komparatory z otwartym drenem mogą być również używane do łączenia wielu komparatorów do jednej magistrali. Wyjście push-pull nie wymaga rezystora podciągającego i może również dostarczać prąd, w przeciwieństwie do wyjścia z otwartym drenem.

Odniesienie wewnętrzne

Najczęstszym zastosowaniem komparatorów jest porównanie napięcia ze stabilnym odniesieniem. Większość producentów komparatorów oferuje również komparatory, w których napięcie odniesienia jest zintegrowane z chipem. Połączenie referencji i komparatora w jednym chipie nie tylko oszczędza miejsce, ale także pobiera mniej prądu zasilania niż komparator z zewnętrznym referencją. Dostępne są układy scalone o szerokim zakresie referencji, takie jak MAX9062 (odniesienie 200 mV), LT6700 (odniesienie 400 mV), ADCMP350 (odniesienie 600 mV), MAX9025 (odniesienie 1,236 V), MAX9040 (odniesienie 2,048 V), TLV3012 (odniesienie 1,24 V ) i TSM109 (odniesienie 2,5 V).

Ciągły a taktowany

Komparator ciągły wygeneruje „1” lub „0” za każdym razem, gdy na jego wejście zostanie podany sygnał o wysokim lub niskim poziomie i zmieni się szybko, gdy wejścia zostaną zaktualizowane. Jednak wiele aplikacji wymaga tylko w niektórych przypadkach wyjść komparatora, na przykład w przetwornikach analogowo-cyfrowych i pamięci. Poprzez strobowanie komparatora tylko w określonych odstępach czasu można uzyskać wyższą dokładność i niższą moc dzięki taktowanej (lub dynamicznej) strukturze komparatora, zwanej również zatrzaśniętym komparatorem. Często zatrzaśnięte komparatory wykorzystują silne dodatnie sprzężenie zwrotne dla „fazy regeneracji”, gdy zegar jest wysoki i mają „fazę resetowania”, gdy zegar jest niski. Jest to przeciwieństwo ciągłego komparatora, który może wykorzystywać jedynie słabe dodatnie sprzężenie zwrotne, ponieważ nie ma okresu resetowania.

Aplikacje

Detektory zerowe

Detektor zerowy identyfikuje, kiedy dana wartość wynosi zero. Komparatory są idealne do pomiarów porównawczych z detekcją zerową, ponieważ są odpowiednikiem wzmacniacza o bardzo wysokim wzmocnieniu z dobrze zbalansowanymi wejściami i kontrolowanymi limitami wyjściowymi. Obwód detektora zerowego porównuje dwa napięcia wejściowe: nieznane napięcie i napięcie odniesienia, zwykle określane jako v _u i v _r . Napięcie odniesienia jest zwykle na wejściu nieodwracającym (+), podczas gdy nieznane napięcie jest zwykle na wejściu odwracającym (-). (Schemat obwodu wyświetlałby wejścia zgodnie z ich znakiem w odniesieniu do wyjścia, gdy dane wejście jest większe od drugiego.) O ile wejścia nie są prawie równe (patrz poniżej), wyjście jest albo dodatnie, albo ujemne, na przykład ± 12 V. W przypadku detektora zerowego celem jest wykrycie, kiedy napięcia wejściowe są prawie równe, co daje wartość nieznanego napięcia, ponieważ napięcie odniesienia jest znane.

W przypadku używania komparatora jako detektora wartości zerowej dokładność jest ograniczona; wyjście zero jest podane, gdy wielkość różnicy napięcia pomnożona przez wzmocnienie wzmacniacza znajduje się w granicach napięcia. Na przykład, jeśli wzmocnienie wynosi ¹⁰⁶ , a granice napięcia wynoszą ±6 V, to wyjście będzie równe zero, jeśli różnica napięć jest mniejsza niż 6 μV. Można to nazwać podstawową niepewnością pomiaru.

Detektory przejścia przez zero

W przypadku tego typu detektora komparator wykrywa każdą zmianę polaryzacji impulsu prądu przemiennego . Wyjście komparatora zmienia stan za każdym razem, gdy impuls zmienia swoją polaryzację, tzn. wyjście jest HI (wysoki) dla impulsu dodatniego i LO (niski) dla impulsu ujemnego pod względem kwadratu sygnału wejściowego.

Oscylator relaksacyjny

Komparator może być użyty do zbudowania oscylatora relaksacyjnego . Wykorzystuje zarówno pozytywne, jak i negatywne opinie. Pozytywne sprzężenie zwrotne to konfiguracja wyzwalacza Schmitta . Sam wyzwalacz to bistabilny multiwibrator . Jednak powolne ujemne sprzężenie zwrotne dodawane do wyzwalacza przez obwód RC powoduje, że obwód automatycznie oscyluje. Oznacza to, że dodanie obwodu RC włącza histerezy bistabilny multiwibrator do wiadomości astable multiwibratora .

Przesuwnik poziomu

Narodowy półprzewodnik LM393

Ten obwód wymaga tylko jednego komparatora z wyjściem z otwartym drenem, jak w LM393 , TLV3011 lub MAX9028 . Obwód zapewnia dużą elastyczność w doborze napięć do translacji poprzez zastosowanie odpowiedniego napięcia podciągającego. Umożliwia również translację logiki bipolarnej ±5 V na logikę unipolarną 3 V przy użyciu komparatora takiego jak MAX972 .

Przetworniki analogowo-cyfrowe

Kiedy komparator wykonuje funkcję informowania, czy napięcie wejściowe jest powyżej lub poniżej danego progu, zasadniczo wykonuje kwantyzację 1-bitową . Ta funkcja jest używana w prawie wszystkich przetwornikach analogowo-cyfrowych (takich jak flash , potokowy, sukcesywne przybliżanie , modulacja delta-sigma , składanie, interpolacja, dual-slope i inne) w połączeniu z innymi urządzeniami w celu uzyskania kwantyzacji wielobitowej.

Detektory okienne

Komparatory mogą być również używane jako detektory okien. W detektorze okiennym komparator służy do porównania dwóch napięć i określenia, czy dane napięcie wejściowe jest pod napięciem, czy za wysokie.

Detektory wartości bezwzględnej

Komparatory mogą być używane do tworzenia detektorów wartości bezwzględnych. W detektorze wartości bezwzględnej dwa komparatory i cyfrowa bramka logiczna służą do porównywania wartości bezwzględnych dwóch napięć.

Zobacz też

Bibliografia

Ten artykuł zawiera materiał z domeny publicznej z dokumentu General Services Administration : „Federal Standard 1037C” .

Languages

In other projects