Аналоговые компараторы

Название компараторы произошло от латинского compare – сравнивать. На этом принципе работают приборы, в которых измерение производится методом сравнения с эталоном. Например, равноплечие весы или потенциометры электроизмерительные.

По принципу действия различают электрические, пневматические, оптические и даже механические компараторы. Последние применяются для поверки концевых мер длины. Впервые компаратор для проверки концевых мер был применен в Париже Ленуаром в 1792 году, о чем есть статья в энциклопедии Брокгауза и Эфрона.

Этот механический компаратор использовался для проверки эталона в 1м при образовании французской метрической системы. Точность измерения таким компаратором при помощи системы подвижных рычагов достигала 0,0005мм. Для того времени это было очень точно. Но в этой статье мы не будем подробно рассматривать механические и иные компараторы, поскольку наша задача, - компараторы напряжения.

Интегральные компараторы. Принцип действия и разновидности

В настоящее время компараторы используются в основном в интегральном исполнении. Мало кому придет в голову собирать компаратор из дискретных транзисторов. Более того, компараторы используются как составная часть некоторых микросхем.

Например, интегральный таймер NE555 содержит целых два компаратора на входах, чем, собственно, и достигается вся прелесть его работы. Кроме того, многие современные микроконтроллеры также имеют встроенные компараторы. Но, независимо от исполнения, принципы работы компараторов совершенно одинаковы.

Современные компараторы по схеме очень напоминают ОУ. По сути, это тот же операционный усилитель, только без обратной связи и с очень высоким коэффициентом усиления. Компаратор также имеет два входа, - прямой и инверсный (отмечается кружочком или знаком «минус»).

Основная функция компаратора это сравнение двух напряжений, одно из которых образцовое или опорное, а другое собственно измеряемое. Выходной сигнал компаратора может принимать лишь два значения: логический ноль, и логическая же единица, но не может изменяться линейно, как у операционного усилителя.

На выходе компараторов, как правило, имеется выходной транзистор с открытым коллектором и эмиттером. Поэтому его можно подключить либо по схеме с ОЭ, либо эмиттерным повторителем, в зависимости от требований конкретной схемы, что и показано на рисунке 1.

На рисунке 1а показано включение выходного транзистора по схеме с общим эмиттером. В этом случае к выходу каскада возможно подключение ТТЛ и КМОП – логики с напряжением питания +5В. Если же КМОП – логика питается от напряжения 15В, то верхний по схеме вывод резистора 1КОм следует подключить к шине питания +15В.

Когда выходной транзистор подключен по схеме эмиттерного повторителя, как показано на рисунке 1б, напряжение на выходе компаратора будет меняться в пределах +15В…-15В. Однако при таком включении существенно падает быстродействие компаратора, а кроме того входы «меняются» местами, - происходит инверсия входов.

Рисунок 1.

Как проверить компаратор, жив или не жив?

Если в схему показанную на рисунке 1а последовательно с резистором R запаять светодиод, подключив его анодом к источнику питания +5В, а на входы с помощью резисторов подать напряжения, то изменяя эти напряжения хотя бы с помощью переменных резисторов, можно заставить мигать светодиод. В какой последовательности подавать опорное и входное напряжения можно узнать дальше. Пусть такая схема для проверки будет маленьким практическим заданием.

Логика работы компаратора

Функциональная схема компаратора показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Функциональная схема компаратора

При таком количестве входов и входных сигналов возможны два варианта. В первом случае, показанном в левой части рисунка, опорное напряжение подается на инвертирующий вход, а входное на неинвертирующий. Если при этом входное напряжение превысит опорное, то на выходе компаратора появится высокий уровень (лог. 1). В противном случае будем иметь логический ноль.

Во втором варианте, показанном в правой части рисунка, опорное напряжение подается на прямой вход, а входное на инвертирующий. В этом случае если входное напряжение больше, чем опорное на выходе компаратора логический ноль, в противном случае единица. На рисунке 2 все эти умозаключения показаны в виде математических формул.

Но тут у внимательного читателя может возникнуть справедливый вопрос: «Посмотрите на рисунок 1, сколько там выходов! Так о каком же из них идет речь, какой тут ноль и где здесь единица?» В этом случае речь идет о базе выходного транзистора, считается, что это выход операционного усилителя, на который подаются входные сигналы. А уж выходной транзистор, как было указано в комментарии к рисунку 1, можно включить любым способом.

Некоторые характеристики аналоговых компараторов

При использовании компараторов нужно учитывать их характеристики, которые можно разделить на статические и динамические. Статические параметры компаратора это те, которые определяются в установившемся режиме.

Прежде всего, это пороговая чувствительность компаратора. Она определяется как минимальная разность входных сигналов, при которой на выходе появляется логический сигнал.

Кроме входных и выходных многие компараторы имеют выводы для подачи напряжения смещения Uсм. С помощью этого напряжения осуществляется необходимое смещение передаточной характеристики относительно идеального положения.

Одним из основных параметров компаратора является гистерезис. Объяснить это явление проще всего, используя пример с обычным реле. Пусть рабочее напряжение катушки, например, 12В, тогда именно при нем произойдет срабатывание реле. Если после этого постепенно убавлять напряжение питания катушки, то отпускание реле произойдет, например, при напряжении 7В. Вот эта разница в целых 5В для данного реле и есть гистерезис. Но повторного включения реле, если напряжение так и останется на уровне 7В, не произойдет. Для этого надо напряжение поднять снова до 12В. И вот тогда…

То же самое наблюдается и у компараторов. Предположим, что входное напряжение плавно возрастает относительно опорного (сигналы поданы, как показано в левой части рисунка 2). Как только входное напряжение станет выше опорного (не менее, чем на величину пороговой чувствительности) на выходе компаратора появится логическая единица.

Если входное напряжение теперь станет плавно уменьшаться, то переход из логической единицы в логический ноль произойдет при напряжении на входе несколько ниже опорного. Разница входных напряжений при этих «выше опорного» и «ниже опорного» называется гистерезисом компаратора. Гистерезис компаратора обусловлен наличием в нем положительной обратной связи, которая призвана обеспечить подавление «дребезга» выходного сигнала при переключении компаратора.

Как устроен компаратор

Принципиальная схема на уровне транзисторов достаточно сложна, велика, не очень понятна, да практически и не нужна. Таковы особенности конструкции интегральной схемотехники, кажется, что транзисторы торчат везде, даже, где и не надо. Поэтому лучше рассмотреть упрощенную функциональную схему компаратора, которая показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Упрощенная функциональная схема компаратора

На схеме показаны входной дифференциальный каскад (ДК), выходная логика и схема смещения уровней.

Входной ДК осуществляет основное усиление разностного сигнала, а также с помощью устройства смещения позволяет осуществить предпочтительное состояние на выходе, что позволяет выбрать тип логики (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП), с которым предстоит работать. Данная настройка осуществляется при помощи подстроечного резистора, подключенного к выводам «балансировка».

Компараторы со стробированием и памятью

Некоторые современные компараторы имеют стробирующий вход: сравнение входных сигналов происходит только в момент подачи соответствующего импульса. Это позволяет сравнивать входные сигналы в тот момент времени, когда это потребуется. Ну, прямо, что душеньке угодно! Упрощенная структурная схема компаратора со стробированием показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Упрощенная структурная схема компаратора

Компараторы, показанные на этом рисунке, имеют парафазный выход, как у триггера, - верхний выход прямой, а нижний, отмеченный кружком, естественно, инверсный. Кроме этого здесь также показан стробирующий вход C.

На рисунке 4а стробирование входных сигналов производится по высокому уровню на входе C. При стробировании по низкому уровню, на графическом обозначении у входа C должен быть маленький кружочек (знак инверсии).

На рисунке 4б стробирующий вход C имеет черточку /, что говорит о том, что стробирование происходит по восходящему фронту импульса. В случае стробирования по падающему фронту черточка имеет вот такое направление .

Таким образом, сигнал стробирования есть не что иное, как разрешение сравнения. Результат сравнения может появляться на выходе только во время действия стробирующего импульса. Но некоторые модели компараторов обладают памятью (для этого достаточно всего одного триггера) и запоминают результат сравнения до прихода следующего импульса стробирования.

Длительность импульса стробирования (его фронта) должна быть достаточной для того, чтобы входной сигнал успел пройти через ДК до того, как успеет сработать ячейка памяти. Применение стробирования увеличивает помехозащищенность компаратора, поскольку помеха может изменить состояние компаратора лишь в короткое время стробирующего импульса. Часто компаратор называют одноразрядным АЦП.

Классификация компараторов

По сочетанию параметров компараторы можно разделить на три большие группы. Это компараторы общего применения, быстродействующие и прецизионные. В любительской практике чаще всего используются первые.

Не обладая какими-то сверхъестественными параметрами по быстродействию и усилению, наличием стробирования и памятью, компараторы широкого применения имеют свои привлекательные свойства и особенности. У них низкая потребляемая мощность, способность работать при низком напряжении питания, а также то, что в одном корпусе можно расположить до четырех компараторов. Такая «семья» позволяет в ряде случаев создавать очень полезные устройства. Одно из таких устройств показано на рисунке 5.

Это простейший преобразователь аналогового сигнала в цифровой унитарный код. Такой код с помощью цифрового преобразования можно переделать в двоичный.

Рисунок 5. Схема преобразователя аналогового сигнала в цифровой унитарный код

Схема содержит четыре компаратора K1…K4. Опорное напряжение подано на инвертирующие входы через резистивный делитель. Если сопротивление резисторов одинаковое, то на инвертирующих входах компараторов напряжение составит n*Uоп/4, где n порядковый номер компаратора. Входное напряжение подано на соединенные вместе неинвертирующие входы. В результате сравнения входного напряжения с опорным на выходах компараторов получится унитарный цифровой код входного напряжения.

Более подробно параметры компараторов общего назначения рассмотрим на примере широко распространенного и достаточно доступного компаратора LM311.

Компараторы серии LM311

Напряжения питания и условия работы

Как написано в Data Sheet эти компараторы имеют входные токи, в тысячу раз меньше, чем компараторы серий LM106 или LM170. Кроме того компараторы серии LM311 имеют более широкий диапазон питающих напряжений: от двухполярного ±15В, как у операционных усилителей, до однополярного +5…15В. Такой широкий диапазон питания позволяет использовать компараторы серии LM311 совместно с операционными усилителями, а также с различными сериями логических микросхем: ТТЛ, КМОП, ДТЛ и другими.

Кроме этого компараторы LM311 могут управлять непосредственно лампами и обмотками реле с рабочими напряжениями до 50В и токами не более 50мА. Кроме LM311 есть еще компараторы LM111 и LM211. Различаются эти микросхемы условиями работы, в основном температурой. Диапазон работы LM311 составляет 0°C…+70°C (коммерческий диапазон) LM211 -25°C…+85°C (промышленный), LM311 -55°C…+125°C (военная приемка).

Полными отечественными аналогами компаратора LM311 являются 521СА3, 554СА3 и некоторые другие. При замене не требуется изменения схемы и даже не придется переделывать печатную плату. Следует лишь обратить внимание на то обстоятельство, что компараторы, как и остальные микросхемы, выпускаются в различных корпусах, поэтому при их покупке на это следует обратить максимум внимания, особенно, если эта покупка будет использоваться для ремонта готового аппарата.

На рисунке 7 показана цоколевка (распиновака) компаратора LM311, выполненного в различных корпусах.

Рисунок 6. Компаратор LM311

Рисунок 7. Цоколевка (распиновака) компаратора LM311, выполненного в различных корпусах.

Собственно о компараторах можно написать еще немало. C их помощью можно сделать фотореле, термореле, индикатор электрического поля, емкостное реле и еще множество других полезных устройств.

Несколько интересных и полезных схем можно найти в «даташит» компаратора LM311, где они приводятся в качестве типовых схем включения. Именно в этом виде компараторы используются достаточно часто. Вот только описания типовых схем даны на «типовом», английском языке. Но, даже не особо зная чужой язык, разобраться можно, хотя бы с помощью онлайн-переводчика Гугл.

Продолжение статье: Несколько простых схем на компараторах

Борис Аладышкин