1 Компараторы. 1.Общие определения. Компараторы в измерительной технике выполняют функцию высокоскоростного точного сравнения двух напряжений или токов. Компараторы выполняют на базе высокоскоростных дифференциальных усилителей с высоким коэффициентом усиления К 0, малым смещением нуля, незначительным дрейфом и логическим сигналом на выходе, реагирующим на знак разности входных сигналов.

2 Функциональная блок-схема компаратора: (U x -U 0 )>0 U вых (1) (U x -U 0 )

3 Компараторы в схемотехнике условно обозначаются так:

4 Классификация компараторов. - двухвходовые компараторы сравнения напряжений; - одновходовые компараторы сравнения токов; - регенеративные компараторы; - трансформаторные компараторы; - многопороговые компараторы. По типу формирующих устройств различают: - компараторы с диодными формирователями; - компараторы с формирующими нелинейными обратными связями.

5 Статические параметры компаратора. Статические параметры компаратора определяются амплитудной характеристикой: 2.1 δU x - статическая чувствительность. δU x =(U 0 -U x ) min – минимальное значение разности входных напряжений, достаточное для перехода компаратора из одного состояния в другое 10. ; где К с – сквозной коэффициент усиления компаратора Статическая точность - ±ΔU п. По причине дрейфа параметров схемы, смещения нуля дифференциального усилителя величина значения напряжения срабатывания компаратора U п (пороговое напряжение) не равно точно U 0, а находится в интервале U 0 ±ΔU п. Это отклонение ±ΔU п определяет статическую точность компаратора.

Сквозной коэффициент усиления К с. Определяется коэффициентом передачи вычитающего устройства К в и коэффициентом усиления дифференциального усилителя К 0. Типовое значение 1 К с 300 В/мВ 2.4. Входное сопротивление. Этот параметр определяется входным током, типовое значение которого составляет (0,05÷300нА).

7 Динамические параметры компараторов. Основным динамическим параметром компаратора является время переключения tп. Это интервал времени от начала сравнения до момента полного опрокидывания и определяется переходной характеристикой. t з – время рассасывания зарядов в насыщенных переходах транзисторов компаратора; t н – определяется скоростью нарастания напряжения переходной характеристики дифференциального усилителя - ρ. Типовое значение: 597СА1 – ρ =6,5В/нс; К140УД8 - ρ =10В/μс. Время переключения зависит от превышения дифференциального напряжения U д =U 0 -U x над опорным напряжением U 0. Стандартное напряжение U д =5мВ. Переходные характеристики приведены для значений U д : 1 – 15мВ; 2 – 5мВ; 3 – 2мВ. Типовой параметр для интегральных компараторов; t п =t з +t н 521СА2 – 90нс; 521СА3 – 200нс; 597СА3 – 6,5нс; МАХ ,2нс.

8 Принципы построения и схемотехника компараторов. Двухвходовой компаратор сравнения напряжений. На входном сопротивлении диф- ференциального усилителя R вх образуется напряжение: R 1 =R 2 =R Коэффициент передачи входного вычитающего устройства: т.к. R

9 Одновходовой компаратор сравнения разнополярных напряжений. Опрокидывание происходит, когда |U x |=|U 0 | при равенстве R 1 = R 2 и токов I 0 = I x в контуре. Следовательно, потенциал U п =0. Временные диаграммы иллюстрируют процесс опрокидывания. Определим коэффициент передачи: Рассмотрим эквивалентную схему замещения по входу.

10 Эквивалентная схема замещения по входу R 1 =R 2 =R На основании принципа суперпозиции токи, протекающие на вход дифференциального усилителя: Статическая чувствительность: Входное сопротивление компаратора (R вх ) к = R 1 = R 2

11 Регенеративные компараторы. Для повышения чувствительности компаратора, дифференциальный усилитель охватывают положительной обратной связью, при этом амплитудная характеристика имеет гистерезис. Коэффициент усиления увеличивается: За счет гистерезиса появляются два порога U п1 и U п2. Определим пороги:,, Пусть,,, тогда U п1 =0,98·2+10·0,02=2,16В, U п2 =0,98·2–10·0,02=1,76В, U г =2,16–1,76=0,4В

12 Компараторы трансформаторного типа. Чувствительность значительно повышается, за счет использования на входе в качестве вычитающего устройства трансформатора. Признак сравнения – отсутствие импульсов рассогласования на выходе. Помехоустойчивость обеспечивается за счет: - использования дифференциального усилителя со стробированием; - использования экранов, как от электрических, так и от магнитных полей. Трансформаторные компараторы применяются для исследования и измерения слабых магнитных и электрических полей в космосе, земных гравитационных аномалий. В качестве формирователей применяется нелинейная обратная связь через стабилитрон VD 2, формирующий уровень U(1), и диод VD 1, устанавливающий уровень U(0).

13 Временные диаграммы работы компаратора трансформаторного типа. 1.В момент сравнения импульсы ΔU* меняют фазу на 180 0, а операция стробирования, запрещает выход импульсов на выход схемы сравнения. 2. Признак сравнения – наличие или отсутствие импульса на выходе.

14 7. Двухуровневый компаратор. Компаратор фиксирует, находится ли входное напряжение Uх в интервале между заданными опорными напряжениями U 02UxU 01 Из временных диаграмм работы компараторов следует, что на выходе логического элемента & единичный уровень будет тогда, когда U 1 =U 2 =U(1). Пример: интегральная микросхема 1401СА1 – двухпороговый компаратор, Кс=200В/мВ, Iвх25мА, tп=500нс

15 Цифровые компараторы. Два n – разрядных числа будут равны, когда в каждом разряде соблюдается равенство кодовых коэффициентов, то есть выполняется равенство: Для n – разрядных чисел это условие примет вид: или Цифровая реализация: Используют для поиска заданного числа в массиве чисел, определяют зоны возможных переборов и т. д.