КОМПОРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики

Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
КОМПОРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Устройство и принцип действия.
Компаратор
микросхемы,
напряжений
предназначенные
для
-
интегральные
сравнения
двух
аналоговых величин напряжений и выдачи результата
сравнения в логической (цифровой) форме: больше или
меньше.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
U вых
1

U
 вых при U вх   U вх  , или U вх  0,
 0

U вых при U вх   U вх  , или U вх  0.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Графическая зависимость выходного напряжения от
разности входных напряжений
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Условное схематическое обозначение компаратора
Замечание. Кроме сигнальных входов компаратор
может
иметь
служебные
входы:
стробирования,
балансировки, согласования уровней и др.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Упрощенная структурная схема компаратора напряжения
балансировка
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Входной каскад:
- формирует и обеспечивает основное усиление
разностного сигнала
- осуществлять балансировку выхода при помощи внешнего
подстроечного резистора
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Входы
стробирования
предназначены
для
фиксации момента времени, когда производится сравнение
входных сигналов и выдача результата сравнения на выход.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Время
разрешения
выборки
-
минимальная
длительность стробирующего сигнала, за время которого
входной сигнал проходит через дифференциальный каскад.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Цепь
смещения
-
обеспечивает
получение
оптимальных уровней токов в элементах дифференциального
каскада и исключает его насыщение при большом уровне
входных сигналов.
Устройство
смещения
устанавливает
также
соответствующие уровни напряжения и тока в выходном
логическом каскаде.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Характеристики аналоговых компараторов
Основные параметры можно разделить на
статические и динамические.
Статические параметры:
-
пороговая чувствительность;
напряжение смещения есм;
входные токи Iвх+ и Iвх-;
разность входных токов Iвх;
напряжение гистерезиса Uг;
коэффициент ослабления синфазного сигнала Косс;
входное сопротивление;
выходные логические уровни;
выходной ток Iвых.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Гистерезис компаратора
Передаточная характеристика
компаратора без гистерезиса
Передаточная характеристика
компаратора с гистерезисом
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Передаточная характеристика компаратора с гистерезисом
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
1. Наличие гистерезиса связано с использованием в
компараторе
положительной
обратной
связи,
которая
позволяет устранить дребезг Uвых при Uвх=0.
2. Наличие гистерезиса приводит к появлению зоны
неопределенности, внутри которой невозможно установить
выходное значение.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Динамические параметры компаратора
- время задержки распространения скачкообразного
входного сигнала (иногда его называют временем
переключения компоратора).
Uвх, В
Переходные
характеристики
компаратора
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Время задержки распространения существенно
зависит от уровня входного дифференциального сигнала
Uвх.
При увеличении напряжения Uвх время задержки
распространения уменьшается.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
График зависимости времени задержки
распространения от уровня входного сигнала
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Дополнительно,
характеризуются
стробируемые
параметрами,
компараторы
обусловленными
использованием импульса строба: временем разрешения
выборки и максимальной частотой стробирования.
Качество стробируемых компараторов тем выше, чем
меньше время разрешения выборки и чем больше допустимая
частота стробирования.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Классификация компараторов
ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
 зд. р .  300 нс , K У  100дБ
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ
 зд. р .  300 нс
ПРЕЦИЗИОННЫЕ
K У  100 дБ , ecм  3 мВ, iвх  10 нА
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Параметр
Тип компаратора
КМ597СА1
КМ597СА2
Выходные логические сигналы
ЭСЛ
ТТЛ
Пороговая чувствительность, мВ
0,25
0,25
Напряжение смещения, мВ
2
2
Температурный коэффициент напряжения смещения,
мкВ/К
10
10
Входной ток, мкА
10
10
Разность входных токов, мкА
1
1
Коэффициент ослабления синфазного сигнала, дБ
80
80
Время задержки распространения, нс
6,5
12
3
6
Максимальная частота стробирования, МГц
125
80
Наличие памяти
нет
есть
Время разрешения выборки, нс
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Применение компараторов напряжения
Основное
применение
компараторы
напряжения
находят в устройствах сопряжения цифровых и аналоговых
сигналов.
Примером такого применения является аналогоцифровой преобразователь (АЦП) параллельного типа.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Аналого-цифровой
преобразователь
параллельного типа
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
В результате сравнения входного напряжения с
опорными
напряжениями
компараторов
на
на
выходах
инвертирующих
компараторов
входах
образуется
унитарный цифровой код входного напряжения. При помощи
цифрового
преобразователя
преобразовать в двоичный.
кода
этот
код
можно
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Напряжения на входах компаратора из-за отсутствия
отрицательной
обратной
связи
могут
существенно
отличаться. Поэтому для ограничения входного напряжения
на входе компаратора часто устанавливают двухсторонний
диодный ограничитель.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Варианты подключения аналоговых компараторов
напряжения к цифровым логическим микросхемам серии ТТЛ
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Выход компаратора непосредственно соединен с
входом цифровой микросхемы ТТЛ
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Компаратор
управляет
коммутирующим
транзистором Т, который в свою очередь управляет
цифровой микросхемой ТТЛ. Диод D в выполняет защиту
базы транзистора от пробоя отрицательным выходным
напряжением компаратора.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Подключение цифровой микросхемы к компаратору К,
через токоограничивающий резистор R0. Такую схему лучше
применять с цифровыми микросхемами серии КМОП.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Кроме токоограничивающего резистора R0 имеется
фиксирующий диод D, который отпирается, если напряжение
на входе цифровой микросхемы поднимается выше 5В.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
В качестве компараторов можно использовать ОУ.
Основными недостатками таких компараторов являются:
• невысокое быстродействие и большое число внешних
дискретных элементов;
• время переключения таких компараторов обычно имеет
значение 0,5...1,0 мкс.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Аналоговые перемножители
напряжений
Аналоговыми
перемножителями
напряжений
называют интегральные микросхемы, предназначенные для
выполнения операции перемножения двух сигналов и выдачи
результата перемножения в форме напряжения.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
U вых 
Ur 
U x U y
Ur
 K П U x U y
1
K П - масштабирующее напряжение.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Особенность операции перемножения:
• полярность
выходного
напряжения
определяется
полярностями двух входных напряжений, каждое из
которых
может
отрицательным.
быть
как
положительным,
так
и
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Если входные и выходные сигналы могут быть как
положительными, так и отрицательными, и полярности их
согласованы,
то
такой
четырехквадрантным.
перемножитель
называется
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Если выходной сигнал изменяет полярность при
изменении полярности только одного входного сигнала, то
умножитель называют двухквадрантным.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Если все сигналы могут быть только однополярными,
то умножитель называют одноквадрантным.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Масштабирующее напряжение
обычно является
постоянным, но в большинстве микросхем перемножителей
значением этого напряжения можно управлять, подавая ток
или напряжение управления дополнительный вход.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
Поскольку в аналоговых перемножителях выходное
напряжение зависит от двух входных напряжений, то его
характеристики могут сложным образом зависеть от этих
напряжений.
Райков Д.В., кафедра экспериментальной физики
В реальном перемножителе выходное напряжение
оказывается пропорциональным не только произведению
входных сигналов, но и самим входным сигналам, поэтому для
его оценки обычно пользуются формулой:
U вых  К П  U x  U y  К x  U x  К y  U y  К0
где КП - постоянный коэффициент передачи умножителя,
Кх, Ку –коэффициенты, определяющие смешение, зависящее
от уровня входных сигналов Uх и Uy, K0=Uсм - смещение
нулевого уровня.