Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

К О М П А Р А Т О Р Ы


ЛЕКЦИЯ 13

Класс схем со специализированными точными преобразованиями входных переменных – КОМПАРАТОРЫ. Из названия следует, что они выполняют сравнение мгновенных значений входных напряжений между собой или напряжения входного сигнала с эталонным (опорным), вырабатывая при этом выходное напряжение «1» или «0» при соответствующем условии Uвх> или < Uоп.

Компараторы – основные элементы импульсной техники, выполняющие функции усиления и ограничения сигналов.

Области применения компараторов:

1) детекторы с переменным порогом;

2) детекторы перехода через 0;

3) дискриминаторы импульсов;

4) генераторы пилообразных и меандровых сигналов;

5) приемники цифровых сигналов с высокой помехоустойчивостью;

6) сравнение уровней напряжения (преобразование типа аналог – код), АЦП и т.д.

Для схем компараторов используют устройства с дифференциальным входом и большим коэффициентом усиления АU. Выходной уровень должен быть согласован с логическим перепадом заданной элементной базы. Чаще всего используют схемы ДУ и ОУ, но у компараторов ниже требования к параметрам, чем у ОУ.

Коэффициент усиления должен быть достаточно велик, чтобы снижать перепад входных напряжений (для ЦИС он может быть в диапазоне 0 – 5 В), но вполне достаточен АU = 1000. В отличие от ОУ не требуется большая скорость нарастания, но необходима большая скорость переключения выходных транзисторов из режима в режим, сопоставимая со скоростями в ЦИС. В этих схемах используется параметр задержкараспространения сигнала от входа к выходу. Быстродействие компараторов может быть очень большим, поскольку обычно в них нет цепей ОС. Времена срабатывания могут быть порядка 1 мкс – 10 нс.

Основные особенности схем компараторов:

- в компараторах нет цепей ООС;

- компараторы работают в ключевом режиме, на выходе формируется цифровой сигнал;

- напряжения на входах компаратора разные, перепад входных напряжений может быть порядка величины напряжения источника питания.

Последняя особенность схем компараторов означает, что в предыдущих правилах для анализа идеальных ОУ не выполняется правило №1: напряжения на входах неодинаковы! В связи с отсутствием ООС входной импеданс для дифференциального сигнала может быть гораздо меньше, чем в схемах ОУ, поэтому могут быть ограничения на размах входного сигнала, например, только ± 5 В.



Перед использованием схем стандартных компараторов необходимо точно знать их спецификации!

Схемотехника компараторов похожа на схемотехнику ОУ, только выходные каскады отличаются.

 

На рисунках ниже показаны условное обозначение компараторов в схемах и их типовая передаточная характеристика. Наклон передаточной характеристики равен коэффициенту усиления А0U.

 
 


Uвых

U2 - Uвых UH

C

U1 +

UL (U1-U2)

 

Компараторы можно охарактеризовать следующими основными параметрами:

- опорное напряжение Uоп - эталонное напряжение однопороговой схемы сравнения,

- амплитуда выходного напряжения высокого уровня UH,

- амплитуда выходного напряжения низкого уровня UL,

- входное напряжение переключения из низкого в высокий уровень U вхLH для схем регенеративного типа, с гистерезисом,

- входное напряжение переключения из высокого в низкий уровень U вхHL .

Высоким и низким ограничивающими уровнями выходного напряжения можно управлять внешними навесными элементами или при помощи специальных выходных каскадов цепей ограничения. На основе схем ограничителей можно построить схемы компараторов.

Очень часто для ограничения используют стабилитроны (диоды Б-Э). Стабилитрон можно охарактеризовать двумя параметрами: прямое падение напряжения UДнас и напряжение лавинного пробоя стабилитрона, смещенного в обратном направлении Uпроб.

Типовые схемы и их передаточные характеристики:

Ограничители.

►Ограничение снизу

 
 

 

 


R1 - Д Uвых Uвых

Uвх +

Uоп диод открыт Uоп

0 Uоп Uвх

 

При Uвх < Uоп Uвых = Uоп диод открыт,

Uвх ≥ Uоп Uвых = AUUвх, диод закрыт.

►Ограничение сверху

 

R1 - Д Uвых Uоп Uвых диод открыт

Uвх

Uоп +

0 Uоп Uвх

 
 


при Uвх < Uоп Uвых = AUUвх, диод закрыт.

Uвх ≥ Uоп Uвых = Uоп диод открыт,

 

 

►Ограничение снизу и сверху.

           
 
   
   
 
 


Д1 Д2 Uвых

R2 UДнас+Uпроб

Uвх

R - Uвых 0 Uвх


+

-(Uпроб+UДнас)

 

АU = -R2/R1.

Uвых = - R2/R1Uвх в диапазоне

-(Uпроб+UДнас)R1/R2 £ Uвх £ (Uпроб+UДнас)R1/R2.

 

►ОУ в компараторном включении.

 

Uвх R1 - R3 Uвых Uвых

U02

 

+ Д2

0 Uвх

R2 Д1


U01

U02 = Uпроб1 + UДнас2 ,

U01 = - (Uпроб2 + UДнас1).

На этой схеме можно сделать детектор уровня напряжения. Получили схему с выраженными значениями высокого и низкого напряжения на выходе, типичную характеристику компаратора.

►Схема детектора уровня. Схема сравнения уровней между собой. И эпюры выходных напряжений. Схема переключается при равенстве входных напряжений.

Uвх

 

U1 U1

               
   
       
 

C Uвых t

           
     
 
 
 


U2 Uвых U2

               
       

 

 


t

 

 

 

Компараторы регенеративного типа (с положительной обратной связью).

Компараторы используются как ключевые устройства, в них можно применять положительную обратную связь (ПОС) для увеличения коэффициента усиления и получения гистерезиса в передаточной характеристике. В схемах таких модификаций входной сигнал может быть очень мал.

Uвых UH

Uвх -

Uвых

+ Uon Uвх



R2 R1 UL

       
   
 


UопR1/(R1+R2)- UопR1/(R1+R2)+

-ULR2/(R1+R2) +UHR2/(R1+R2)

Uоп

 

Запишем уравнения для передаточной характеристики компаратора с ПОС:

Входное напряжение, при котором схема переключается из низкого в высокий UL®UH и наоборот, отстоит от опорной точки на величину:

 

а необходимое входное напряжение для переключения выхода из высокого в низкий уровень UH® UL:

Ширина петли гистерезиса передаточной характеристики

 

Гистерезисная характеристика может быть необходима для предотвращения «дребезга» выходного сигнала. Ниже показаны эпюры изменения выходного сигнала в компараторах без ПОС и с гистерезисом, с ПОС.

 

 


Эпюры (временные характеристики) компараторов в схеме без ПОС, без гистерезиса.

 
 

 


Uол

Uвх

Uвх время

 

 

UH

Uвых

UL

 

Эпюры в схеме с ПОС

 
 


Uвх(H®L)

 

Uоп

 
 


Uвх(L®H)

 

 
 


Время UH

 
 


Uвых

       
   


UL

Присоединив к резистору R2 небольшую емкость, получим схему триггера Шмитта.

Триггер Шмитта – очень распространенная схема с гистерезисной характеристикой, чаще используют вариант на транзисторах (см. ниже).

Т1 и Т2 – эмиттерно-связанная пара. Коллекторный резистор R1 должен быть обязательно больше R2, тогда пороговый уровень включения Т1 (UБЭ1>0) снижается, так как эмиттерный ток больше, если проводит транзистор Т2. Характеристика переключения будет иметь гистерезис.

Пример: R1 =1.5 кОм, R2 = 1.0 кОм, R3 = 10 кОм , R0 = 100 Ом.

       
   
 
 

 

 


R1 R2 Uвых

выход

R3

       
 
   
 

 

 


Вход Т1 Т2 Uвх

 
 


R0

 
 


 

 

Схема компаратора на КМДП- транзисторах

+U

             
   
   
 
     
 
 
 

 

 


T5 T6 T8

                   
   
         
 
 
 


I0 T10 T12

Вход+ Uon

выход

T1 T2 T9 T11

Вход-

                               
       
             
 
 
     
 
 
 


Iсм

                   
   
       
     
 
 
 
 

 

 


Rсм T7

T3 T4

-U

 

Представленный компаратор состоит из двухкаскадного ОУ (практическая схема 3) и двух инверторов, формирующих цифровой сигнал (один ключ сформирует инвертированный сигнал). Каждый КМДП- ключ, кроме формирования цифрового сигнала, выполняет и усиление сигнала.

1) ДУ на транзисторах р- канальных Т1,Т2, активной нагрузкой является схема токового зеркала на транзисторах Т3,Т4. Смещение задается токовым зеркалом на транзисторах Т5,Т6 током I0 » Iсм » (U+ - U- - 1 B)/Rсм;

2) усилителя с общим истоком на транзисторе Т7 с активной нагрузкой (ИТ на Т8);

3) КМДП – ключевого каскада на Т9,Т10;

4) аналогичного каскада на Т11,Т12.

При токе I0 = 50 мкА коэффициент усиления A0U (0) = 96 дБ, время задержки сигнала tзд » 1 мкс. Срабатывание схемы происходит при (U0п - DUвх) и (U0п +DUвх).

Uвых

 
 

 


Uвх=Uоп

       
 
   
 

 

 


Uon

 

<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
Расчет корректирующей емкости | Коэффициент усиления КМДП инвертора

Дата добавления: 2014-01-04; Просмотров: 239; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



ПОИСК ПО САЙТУ:


Рекомендуемые страницы:

studopedia.su - Студопедия (2013 - 2021) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление
Генерация страницы за: 0.053 сек.