Компаратор - Comparator

Для использования в других целях см. Компаратор (значения).

Рисунок 1. Иллюстрация того, как работает компаратор.

В электроника, а компаратор это устройство, которое сравнивает два напряжения или же токи и выводит цифровой сигнал, указывающий, какой из них больше. Имеет два аналоговых входа ${displaystyle V_{+},}$ и ${displaystyle V_{-},}$ и один двоичный цифровой выход ${displaystyle V_{m {o}},}$. Выход в идеале

${displaystyle V_{m {o}}={egin{cases}1,&{mbox{if }}V_{+}>V_{-}�,&{mbox{if }}V_{+}<V_{-}end{cases}}}$

Компаратор состоит из специализированного высоко-прирост дифференциальный усилитель. Они обычно используются в устройствах, которые измеряют и оцифровывают аналоговые сигналы, такие как АЦП последовательного приближения, а также релаксационные осцилляторы.

Дифференциальное напряжение

Дифференциальные напряжения должны оставаться в пределах, указанных производителем. Ранние интегрированные компараторы, такие как семейство LM111, и некоторые высокоскоростные компараторы, такие как семейство LM119, требуют диапазонов дифференциальных напряжений, существенно меньших, чем напряжения источника питания (± 15 В против 36 В).^[1] Железнодорожный транспорт компараторы допускают любые дифференциальные напряжения в пределах диапазона питания. При питании от биполярного (двухканального) источника питания

${displaystyle V_{S-}leq V_{+},V_{-}leq V_{S+}}$

или при питании от униполярного TTL /CMOS источник питания:

${displaystyle 0leq V_{+},V_{-}leq V_{m {cc}}}$

Специальные компараторы Rail-to-Rail с п-п-п входные транзисторы, как и семейство LM139, позволяют входному потенциалу упасть на 0,3 вольт ниже отрицательной питающей шине, но не позволяйте ей подниматься над положительной.^[2] Специальные сверхбыстрые компараторы, такие как LMH7322, позволяют входному сигналу опускаться ниже отрицательной шины и выше положительной шины, хотя и с небольшим запасом всего 0,2 В.^[3] Дифференциальное входное напряжение (напряжение между двумя входами) современного компаратора Rail-to-Rail обычно ограничивается только полным размахом подачи питания.

Компаратор напряжения операционного усилителя

Простой компаратор операционного усилителя

An операционный усилитель (операционный усилитель) имеет хорошо сбалансированный дифференциальный вход и очень высокий прирост. Это соответствует характеристикам компараторов и может быть заменено в приложениях с низкими требованиями к производительности.^[4]

Схема компаратора сравнивает два напряжения и выдает либо 1 (напряжение на положительной стороне), либо 0 (напряжение на отрицательной стороне), чтобы указать, какое из них больше. Компараторы часто используются, например, для проверки того, достиг ли вход некоторого заранее определенного значения. В большинстве случаев компаратор реализован с использованием специальной ИС компаратора, но в качестве альтернативы можно использовать операционные усилители. На схемах компараторов и схемах операционных усилителей используются одни и те же символы.

На рисунке 1 выше показана схема компаратора. Во-первых, обратите внимание, что схема не использует обратную связь. Схема усиливает разницу напряжений между Vin и VREF и выводит результат на Vout. Если Vin больше, чем VREF, то напряжение на Vout повысится до положительного уровня насыщения; то есть к напряжению на положительной стороне. Если Vin ниже VREF, то Vout упадет до своего отрицательного уровня насыщения, равного напряжению на отрицательной стороне.

На практике эту схему можно улучшить, включив диапазон напряжения гистерезиса, чтобы снизить ее чувствительность к шуму. Например, схема, показанная на Рисунке 1, будет обеспечивать стабильную работу, даже если сигнал Vin несколько зашумлен.

Это из-за разницы в характеристиках операционного усилителя и компаратора,^[5] используя операционный усилитель в качестве компаратора имеет несколько недостатков по сравнению с использованием специального компаратора:^[6].

1. Операционные усилители предназначены для работы в линейном режиме с отрицательной обратной связью. Следовательно, операционный усилитель обычно имеет длительное время восстановления после насыщения. Почти все операционные усилители имеют внутренний компенсационный конденсатор, который скорость нарастания ограничения для высокочастотных сигналов. Следовательно, операционный усилитель делает неаккуратный компаратор с задержки распространения это может длиться до десятков микросекунд.
2. Поскольку операционные усилители не имеют внутреннего гистерезиса, внешняя сеть гистерезиса всегда необходима для медленных входных сигналов.
3. Характеристики тока покоя операционного усилителя действительны только при активной обратной связи. Некоторые операционные усилители показывают повышенный ток покоя, когда входы не равны.
4. Компаратор предназначен для создания хорошо ограниченных выходных напряжений, которые легко взаимодействуют с цифровой логикой. Совместимость с цифровой логикой должна быть проверена при использовании операционного усилителя в качестве компаратора.
5. Некоторые многосекционные операционные усилители могут демонстрировать экстремальное взаимодействие канал-канал при использовании в качестве компараторов.
6. Многие операционные усилители имеют встречные диоды между входами. Входы операционных усилителей обычно следуют друг за другом, так что это нормально. Но входы компаратора обычно не совпадают. Диоды могут вызвать неожиданный ток через входы.

Работающий

Выделенный компаратор напряжения обычно будет быстрее, чем операционный усилитель общего назначения, используемый в качестве компаратора, и может также содержать дополнительные функции, такие как точное, внутреннее опорное напряжение, регулируемое гистерезис, и вход с синхронизацией.

Специальная микросхема компаратора напряжения, такая как LM339, предназначена для взаимодействия с цифровым логическим интерфейсом (к TTL или CMOS ). Выход представляет собой двоичное состояние, которое часто используется для передачи сигналов реального мира в цифровые схемы (см. аналого-цифровой преобразователь ). Если на пути прохождения сигнала присутствует источник постоянного напряжения, например, от регулируемого по постоянному току устройства, компаратор является просто эквивалентом каскада усилителей. Когда напряжения почти равны, выходное напряжение не попадет на один из логических уровней, поэтому аналоговые сигналы попадут в цифровую область с непредсказуемыми результатами. Чтобы сделать этот диапазон как можно меньше, каскад усилителей имеет высокое усиление. Схема состоит в основном из Биполярные транзисторы. Для очень высоких частот вход сопротивление ступеней низкий. Это снижает насыщенность медленных, больших Соединение P-N биполярные транзисторы, которые в противном случае привели бы к длительному времени восстановления. Быстрый маленький Диоды Шоттки, как и в схемах с двоичной логикой, значительно улучшают производительность, хотя производительность по-прежнему отстает от схем с усилителями, использующими аналоговые сигналы. Скорость нарастания не имеет значения для этих устройств. Для приложений в флэш-АЦП сигнал, распределенный по восьми портам, соответствует усилению по напряжению и току после каждого усилителя, а резисторы в этом случае действуют как регуляторы уровня.

LM339 выполняет это с помощью открытый коллектор выход. Когда на инвертирующем входе напряжение выше, чем на неинвертирующем входе, выход компаратора подключается к отрицательному источнику питания. Когда неинвертирующий вход выше, чем инвертирующий вход, выход является «плавающим» (имеет очень высокий импеданс относительно земли). Коэффициент усиления ОУ в качестве компаратора определяется этим уравнением V (выход) = V (вход)

Основные характеристики

Хотя основную задачу компаратора понять легко, то есть сравнение двух напряжений или токов, при выборе подходящего компаратора необходимо учитывать несколько параметров:

Скорость и мощность

Хотя в целом компараторы "быстрые", их схемы не защищены от классического компромисса между скоростью и мощностью. В высокоскоростных компараторах используются транзисторы с большим соотношением сторон экрана и, следовательно, они потребляют больше энергии.^[7] В зависимости от приложения выберите либо высокоскоростной компаратор, либо энергосберегающий. Например, компараторы с нано-питанием в компактных корпусах в масштабе микросхемы (UCSP), корпусах DFN или SC70, таких как MAX9027, LTC1540, LPV7215, MAX9060 и MCP6541 идеально подходят для портативных приложений со сверхнизким энергопотреблением. Аналогичным образом, если компаратор необходим для реализации схемы релаксационного генератора для создания высокоскоростного тактового сигнала, тогда могут быть подходящими компараторы, имеющие задержку распространения в несколько наносекунд. ADCMP572 (Вывод CML), LMH7220 (Выход LVDS), MAX999 (Выход CMOS / выход TTL), LT1719 (Выход CMOS / выход TTL), MAX9010 (Выход TTL) и MAX9601 (Вывод PECL) являются примерами некоторых хороших высокоскоростных компараторов.

Гистерезис

Компаратор обычно меняет свое выходное состояние, когда напряжение между его входами пересекает примерно ноль вольт. Небольшие колебания напряжения из-за шума, всегда присутствующего на входах, могут вызвать нежелательные быстрые изменения между двумя состояниями выхода, когда разница входного напряжения близка к нулю. Чтобы предотвратить такие колебания на выходе, небольшой гистерезис несколько милливольт встроен во многие современные компараторы.^[8] Например, LTC6702, MAX9021 и MAX9031 имеют внутренний гистерезис, снижающий их чувствительность к входному шуму. Вместо одной точки переключения гистерезис вводит две: одну для повышающихся напряжений и одну для падающих напряжений. Разница между значением отключения верхнего уровня (VTRIP +) и значением отключения нижнего уровня (VTRIP-) равна напряжению гистерезиса (VHYST).

Если компаратор не имеет внутреннего гистерезиса или если входной шум превышает внутренний гистерезис, тогда можно построить внешнюю сеть гистерезиса, используя положительную обратную связь от выхода к неинвертирующему входу компаратора. Результирующий Триггер Шмитта Схема обеспечивает дополнительную помехоустойчивость и более чистый выходной сигнал. Некоторые компараторы, такие как LMP7300, LTC1540, MAX931, MAX971 и ADCMP341 также обеспечивает контроль гистерезиса через отдельный штифт гистерезиса. Эти компараторы позволяют добавлять программируемый гистерезис без обратной связи или сложных уравнений. Использование специального вывода гистерезиса также удобно при высоком импедансе источника, поскольку входы изолированы от цепи гистерезиса.^[9] Когда добавляется гистерезис, компаратор не может разрешить сигналы в пределах диапазона гистерезиса.

Тип выхода

Компаратор с КМОП-синхронизацией малой мощности

Поскольку компараторы имеют только два выходных состояния, их выходы либо близки к нулю, либо близки к напряжению питания. Биполярные компараторы Rail-to-Rail имеют выход с общим эмиттером, который создает небольшое падение напряжения между выходом и каждой шиной. Это падение равно напряжению между коллектором и эмиттером насыщенного транзистора. Когда выходные токи малы, выходные напряжения КМОП-компараторов Rail-to-Rail, которые основаны на насыщенном MOSFET, находятся в диапазоне ближе к напряжениям шины, чем их биполярные аналоги.^[10]

По выходам компараторы также можно классифицировать как открытый сток или же тяни-Толкай. В компараторах с выходным каскадом с открытым стоком используется внешний подтягивающий резистор к положительному источнику питания, который определяет высокий логический уровень. Компараторы с открытым стоком больше подходят для проектирования систем смешанного напряжения. Поскольку выход имеет высокий импеданс для высокого логического уровня, компараторы с открытым стоком также могут использоваться для подключения нескольких компараторов к одной шине. Двухтактный выход не требует подтягивающего резистора и может также истощать ток, в отличие от выхода с открытым стоком.

Внутренняя ссылка

Наиболее частое применение компараторов - это сравнение напряжения и стабильного задания. Большинство производители компаратора также предлагают компараторы, в котором опорное напряжение интегрировано на чип. Сочетание ссылки и компаратора в одном чипе не только экономит пространство, но и потребляет меньше, чем ток питания компаратора с внешней ссылкой.^[10] Доступны микросхемы с широким диапазоном ссылок, такие как MAX9062 (Эталонное значение 200 мВ), LT6700 (Эталонное напряжение 400 мВ), ADCMP350 (600 мВ ссылка), MAX9025 (Ссылка 1,236 В), MAX9040 (Ссылка 2,048 В), TLV3012 (1,24 опорного напряжения) и TSM109 (Ссылка 2,5 В).

Непрерывный против тактового

Непрерывный компаратор будет выводить либо «1», либо «0» каждый раз, когда на его вход подается высокий или низкий сигнал, и будет быстро меняться при обновлении входов. Однако во многих приложениях выходы компаратора требуются только в определенных случаях, например, в аналого-цифровых преобразователях и памяти. Путем стробирования компаратора только через определенные интервалы можно достичь более высокой точности и меньшей мощности с тактовой (или динамической) структурой компаратора, также называемой компаратором с фиксацией. Часто компараторы с фиксацией используют сильную положительную обратную связь для «фазы регенерации», когда тактовый сигнал высокий, и имеют «фазу сброса», когда тактовый сигнал низкий.^[11] В этом отличие от компаратора непрерывного действия, который может использовать только слабую положительную обратную связь, поскольку период сброса отсутствует.

Приложения

Основная статья: Приложения-компараторы

Нулевые детекторы

Детектор нуля определяет, когда заданное значение равно нулю. Компараторы идеально подходят для сравнительных измерений с обнаружением нуля, поскольку они эквивалентны усилителю с очень высоким коэффициентом усиления с хорошо сбалансированными входами и контролируемыми пределами выхода. Схема детектора нуля сравнивает два входных напряжения: неизвестное напряжение и опорное напряжение, обычно упоминаются как об_ты и v_р. Опорное напряжение, как правило, на неинвертирующий вход (+), в то время как неизвестно напряжение, как правило, на инвертирующий входе (-). (На принципиальной схеме входы будут отображаться в соответствии с их знаком относительно выхода, когда один вход больше другого.) Если входы почти не равны (см. Ниже), выход будет либо положительным, либо отрицательным, например ± 12 В. в случае нуль-детектора целью является обнаружение, когда входные напряжения почти равны, что дает значение неизвестного напряжения, поскольку опорное напряжение известно.

При использовании компаратора в качестве детектора нуля точность ограничена; выходной сигнал равен нулю, когда величина разности напряжений, умноженная на коэффициент усиления усилителя, находится в пределах напряжения. Например, если коэффициент усиления 10⁶, а пределы напряжения составляют ± 6 В, то выходной сигнал будет равен нулю, если разница напряжений меньше 6 мкВ. Это можно назвать фундаментальной погрешностью измерения.^[12]

Детекторы перехода через ноль

Для этого типа детектора компаратор обнаруживает каждый раз ac импульс меняет полярность. Выход компаратора изменяет состояние каждый раз, когда импульс меняет свою полярность, то есть выход HI (высокий) для положительного импульса и LO (низкий) для отрицательного импульса квадратирует входной сигнал.^[13]

Осциллятор релаксации

Компаратор можно использовать для построения релаксационный осциллятор. Он использует как положительные, так и отрицательные отзывы. Положительный отзыв - это Триггер Шмитта конфигурация. В одиночку спусковой крючок - это бистабильный мультивибратор. Однако медленный негативный отзыв добавленный к триггеру цепью RC, заставляет цепь автоматически колебаться. То есть добавление RC-цепи превращает гистерезисный бистабильный мультивибратор в нестабильный мультивибратор.^[14]

Переключатель уровня

National Semiconductor LM393

Для этой схемы требуется только один компаратор с выходом с открытым стоком, как в LM393, TLV3011 или же MAX9028. Схема обеспечивает большую гибкость в выборе напряжения для преобразования с использованием подходящего напряжения подтяжки. Он также позволяет преобразовывать биполярную логику ± 5 В в униполярную логику 3 В с помощью компаратора, такого как MAX972.^[10]

Аналого-цифровые преобразователи

Когда компаратор выполняет функцию определения того, находится ли входное напряжение выше или ниже заданного порога, он, по сути, выполняет 1-битную квантование. Эта функция используется почти во всех аналого-цифровых преобразователях (например, вспышка, трубопровод, последовательное приближение, дельта-сигма модуляция, складывание, интерполяция, двускатный и другие) в сочетании с другими устройствами для достижения многобитового квантования.^[15]

Детекторы окон

Компараторы также могут использоваться как детекторы окон. В оконный детектор, компаратор используется для сравнения двух напряжений и определения того, находится ли данное входное напряжение ниже или выше напряжения.

Детекторы абсолютного значения

Компараторы могут использоваться для создания детекторов абсолютных значений. В детекторе абсолютного значения два компаратора и цифровой логический вентиль используются для сравнения абсолютных значений двух напряжений.^[16]

Смотрите также

• Дискриминатор постоянной дроби
• Цифровой компаратор
• Флэш-АЦП
• Список интегральных схем серии LM
• Сортировочная сеть
• Детектор нулевого порога перехода

Рекомендации

1. LM111 / LM211 / LM311 лист данных. Инструменты Техаса. Август 2003. Проверено 2 июля 2014.
2. LM139 / LM239 / LM339 / LM2901 / LM3302 лист данных. Инструменты Техаса. Август 2012. Проверено 2 июля 2014.
3. LMH7322 лист данных. Инструменты Техаса. Март 2013. Проверено 2 июля 2014.
4. Мальмштадт, Энке и Крауч, Электроника и приборы для ученых, The Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc., 1981, ISBN  0-8053-6917-1, Глава 5.
5. Операционный усилитель против компаратора
6. Рон Манчини "Проектирование с компараторами, "EDN, 29 марта 2001 г."
7. Rogenmoser, R .; Кэслин, Х., «Влияние размера транзистора на КПД в субмикронных КМОП схемах», Solid-State Circuits, IEEE Journal of Volume 32, Issue 7, Jul 1997 Page (s): 1142–1145.
8. Рон Манчини "Добавление гистерезиса к компараторам В архиве 2005-02-21 в Wayback Machine, "EDN, 3 мая 2001 г."
9. AN3616, Maxim Integrated Products, Добавление дополнительного гистерезиса к компараторам.
10. AN886, Maxim Integrated Products, Выбор подходящего компаратора.
11. Педро М. Фигейредо, Жоао К. Виталь (2009). Методы уменьшения смещения в высокоскоростных аналого-цифровых преобразователях: анализ, конструкция и компромиссы. Springer. С. 54–62. ISBN  978-1-4020-9715-7.
12. Malmstadt, Howard V .; Энке, Кристи Дж .; Крауч, Стэнли Р. (январь 1981 г.), Электроника и приборы для ученых, Бенджамин / Каммингс Паблишинг Ко, стр.108–110, ISBN  978-0-8053-6917-5
13. Электроника и приборостроение для ученых. Мальмштадт, Энке и Крауч, The Benjamin / Cummings Publishing Co., In., 1981, p.230.
14. Пол Горовиц и Уинфилд Хилл: Искусство электроники, Издательство Кембриджского университета, второе издание, Кембридж, 1989, стр.284–285.
15. Филипп Аллен и Дуглас Холберг: КМОП аналоговая схема, Oxford University Press, второе издание, Oxford 2002.
16. "Иранманеш, С., Родригес-Виллегас, Э. (2016). КМОП-реализация схемы компаратора абсолютных значений малой мощности. IEEE NEWCAS, июнь 2016". Дои:10.1109 / NEWCAS.2016.7604807. S2CID  10810576.

• Эта статья включаетматериалы общественного достояния от Администрация общих служб документ: «Федеральный стандарт 1037С».

внешняя ссылка

• Справочная страница IC Comparator на http://circuitous.ca
• Инструмент поиска значения резистора на основе Java для анализа схемы инвертирующего компаратора с гистерезисом