Liniowe układy scalone Komparatory napięcia i ich zastosowanie
Komparator Zadaniem komparatora jest wytworzenie sygnału logicznego 0 lub 1 na wyjściu w zależności od znaku różnicy napięć wejściowych Jest elementarnym przetwornikiem A/C jednobitowym Ogniwo pośrednie między układami analogowymi a cyfrowymi Komparatory analogowe (w odróżnieniu od cyfrowych)
Komparator Zastosowanie: W układach formujących, Przetwornikach A/C Dyskryminatorach amplitudy Generatorach Wzmacniaczach odczytu
Komparator a wzmacniacz operacyjny Komparator jest szczególnym rodzajem wzmacniacza operacyjnego o bardzo dużym wzmocnieniu Przeznaczony do pracy z otwartą pętlą W zasadzie każdy wzmacniacz operacyjny może pracować jako komparator
Różnice pomiędzy komparatorem a wzmacniaczem operacyjnym Komparatory są układami o wiele szybszymi niż wzmacniacze Komparator jako układ pracujący z otwartą pętlą może być tak zaprojektowany aby otrzymać max. szerokość pasma i minimalny czas narastania napięcia wyjściowego bez uwzględniania przesunięć fazowych i kompensacji częstotliwości Czas wyjścia ze stanu nasycenia w komparatorze jest krótszy niż we wzmacniaczu (który pracuje tylko w zakresie liniowym)
Różnice pomiędzy komparatorem a wzmacniaczem operacyjnym Poziomy napięcia na wyjściu komparatora są dostosowane do wymagań typowych układów cyfrowych (TTL, CMOS) Wzmacniacze dysponują szerokim zakresem napięcia wyjściowego Stosując wzmacniacz operacyjny zamiast komparatora należy dodać układ dostosowujący poziomy napięć na wyjściu wzmacniacza do odpowiedniego poziomu sygnału cyfrowego
Różnice pomiędzy komparatorem a wzmacniaczem operacyjnym Komparatory mają zwykle szerszy niż wzmacniacze zakres napięcia wejściowego Wejściowe napięcie niezrównoważenia oraz jego współczynnik cieplny są na ogół większe w komparatorach niż we wzmacniaczach Komparatory (zwłaszcza te o dużej szybkości) mają mniejsze rezystancje wejściowe i większe wejściowe prądy polaryzujące niż wzmacniacze
Parametry komparatorów Zbliżone do parametrów wzmacniacza operacyjnego różnice wynikają z cyfrowego charakteru napięcia wyjściowego Przy wyborze komparatora należy brać pod uwagę dwie cechy: Szybkość dokładność
Czułość komparatora Określa dokładność komparatora Najmniejsza wartość napięcia wejściowego różnicowego prawidłowo wykrywana przez układ
Wejściowe napięcie niezrównoważenia Wartość wejściowego napięcia różnicowego wytwarzająca określone napięcie na wyjściu We wzm.op. przy U O =0, dla komparatorów przy pewnym umownym napięciu (najczęściej progu logicznego) Dla komparatora μa710 napięcie progu wynosi dla remp. 0 st.c 1,5 V, dla +25 st.c 1,4 V, dla +70 st.c 1,2 V
Współczynnik cieplny wejściowego napięcia niezrównoważenia Zmiana wejściowego napięcia niezrównoważenia przy zmianie temperatury o 1 st. C (podobnie jak dla wzm. op.) Napięcie niezrównoważenia można wyzerować za pomocą dodatkowych obwodów (jak we wzm. op.), ale osiągnięta korzyść nie jest duża komparatory o większym napięciu niezrównoważenia mają większy współczynnik cieplny a wyzerowanie napięcia niezrównoważenia nie powoduje kompensacji jego zmian cieplnych
Wejściowe prądy polaryzujące Wejściowy prąd niezrównoważenia Wejściowy prąd polaryzujący średnia wartość prądów polaryzujących oba wejścia Wejściowy prąd niezrównoważenia różnica wejściowych prądów polaryzujących zmierzona przy napięciu wyjściowym rożnym napięciu progu logicznego Współczynnik cieplny wejściowego prądu niezrównoważenia zmiana prądu przy zmianie temperatury o 1 st.c (na / st.c)
Wzmocnienie napięciowe Stosunek zmiany napięcia wyjściowego do zmiany różnicowego napięcia wejściowego zmierzony przy napięciu na wyjściu bliskim napięciu progu logicznego Zależy od temperatury i wartości napięć zasilających
Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego CMRR takie samo znaczenie jak we wzm. op. Stosunek zmiany współbieżnego napięcia wejściowego do zmiany wejściowego napięcia niezrównoważenia, jaka następuje w tym zakresie [db] Zależny od temperatury
Czas odpowiedzi Czas upływający od chwili podania na wejście komparatora określonego skoku napięcia, do chwili gdy napięcie wyjściowe osiągnie poziom progu logicznego Czas odpowiedzi na sygnał sinusoidalny (najczęściej przy amplitudzie 30mV i częstotliwości 30 MHz)
Inne parametry Maksymalne dopuszczalne napięcie wejściowe Maksymalne dopuszczalne różnicowe napięcie wejściowe Zakres zmian napięcia wejściowego Zakres zmian różnicowego napięcia wejściowego Poziomy napięcia wyjściowego (odpowiadające 0 i 1) Maksymalne prądy wyjściowe - max. prąd jaki może wpływać do zacisku wyjściowego oraz max. prą jaki można pobrać z wyjścia komparatora Obciążalność wyjściowa (fan out) liczba bramek logicznych określonego rodzaju którymi można obciążyć komparator Rezystancja wyjściowa Pobór mocy
Budowa komparatora Część analogowa i cyfrowa Trudny do zaprojektowania - ze względu na przeciwstawne wymagania problemem jest pogodzenie
Budowa komparatora Układ wejściowy wzmacniacz różnicowy o bardzo dużym wzmocnieniu zasilany przez odpowiednie układy polaryzacji Układy polaryzacji zapewniają odseparowanie od zasilania części cyfrowej Wzmacniacz powinien mieć szerokie pasmo częstotliwości i dużą szybkość zmian napięcia wyjściowego Część cyfrowa jest układem do przesuwania poziomów, dającym na wyjściu standardowe poziomy logiczne (np. TTL) Niektóre komparatory mają możliwość konfiguracji z różnymi poziomami cyfrowymi na wyjściu (LM111) w zależności od dołączenia dodatkowych obwodów zewnętrznych
Zastosowanie komparatorów i wzmacniaczy operacyjnych w układach porównujących Zadanie: porównywanie analogowych sygnałów wejściowych (napięciowych lub prądowych) z sygnałami odniesienia, sygnał cyfrowy na wyjściu stwierdza, czy czy sygnał wejściowy jest większy od sygnału odniesienia lub czy mieści się w określonym przedziale napięć Typy układów porównujących (dyskryminatorów): Detektor przejścia przez zero Dyskryminator progowy Dyskryminator okienkowy
Detektor przejścia przez zero Wytwarza sygnał wyjściowy zmieniający stan za każdym razem, gdy wartość analogowego sygnału wejściowego przekracza poziom zerowy Przydatny przy analizie widma częstotliwościowego zamienia sygnał w ciąg impulsów prostokątnych o szerokościach zależnych od częstotliwości redukcja szumów i zniekształceń dalsza obróbka metodami cyfrowymi) Zastosowanie: w systemach przetwarzania i obróbki danych analogowych, układy pamięci analogowych, badanie korelacji sygnałów
Detektor przejścia przez zero (1) Poziom na wyjściu - TTL Wyjście jest w stanie 1 gdy sygnał wejściowy jest dodatni, 0 gdy ujemny Na wejściu filtr wybierający żądany zakres częstotliwości Układ strobujący Poziomu napięcia strobującego powinny być poziomami TTL
Detektor przejścia przez zero (2) Komparator LM111 Poziomy napięcia wyjściowego zgodne z poziomami układów logicznych MOS Przy napięciach zasilania +5V i -10V uzyskuje się wartość napięcia wyjściowego 4,5V dla stanu logicznego 1 i -9,5 V dla 0
Detektor przejścia przez zero ze wzmacniaczem operacyjnym (1) Dioda Zenera ogranicznik napięcia Poziom napięcia zależy od kierunku prądu I 2 i jest równy albo napięciu zenera U Z albo napięciu na diodzie Zenera U F spolaryzowanej w kier. przewodzenia Zmiana stanu napięcia następuje przy I 2 = 0, ponieważ I 1 =I 2 +I B w chwili zmiany stanu I 1 =I B i następuje zrównanie prądu polaryzującego z prądem wejściowym
Detektor przejścia przez zero ze wzmacniaczem operacyjnym (1) c.d. Dla zmniejszenia błędu spowodowanego prądem polaryzującym włącza się rezystor R między wejścia nieodwracające i masę Zmiana stanu napięcia wyjściowego w układzie idealnym powinna następować przy napięciu wejściowym równym 0 W rzeczywistości z powodu wejściowego napięcia niezrównoważenia i prądu niezrównoważenia zmiana następuje przy wartości U I =U IO +I IO R Napięcie niezrównowążenia można skompensować znanymi metodami
Detektor przejścia przez zero ze wzmacniaczem operacyjnym (2) Napięcie wyjściowe jest równe napięciu Zenera jeśli U I <0. Jeżeli U I >0 napięcie wyjściowe =0,7V Dobierając diodę o odpowiednim napięciu Zenera można stosować ten układ do współpracy z układami logicznymi różnych typów Potencjometr do kompensacji napięcia niezrównoważenia
Dyskryminator progowy Wytwarza na swym wyjściu sygnał logiczny, będący rezultatem porównania wartości napięci (prądu) sygnału wejściowego z napięciem (prądem) odniesienia Napięcie wyjściowe przyjmuje 2 warości U Omax lub U Omin zależnie od znaku różnicy napięć U I i napięcia odniesienia U R Wartości wyjściowe napięć zależą od komparatora Minimalizacja napięcia niezrównoważenia wywołanego przez prądy polaryzujące dobrać R 1 = R 2, przy czym wartości rezystorów nie powinny być duże (< 200 Ohm)
Wady prostego dyskryminatora progowego W przypadku bardzo wolno zmiennego sygnału wejściowego napięcie wyjściowe może na pewien czas przyjąc wartość pośrednią między U Omax i U Omin gdy punkt pracy komparatora znajduje się w liniowym obszarze charakterystyki U O =f(u I ), odpowiadającym małej różnicy U I i U R Powstaje niebezpieczeństwo oscylacji komparator jest równy wówczas wzmacniaczowi operacyjnemu o dużym wzmocnieniu bez kompensacji częstotliwościowej Na wejściu często występują szumy nakładające się na przebieg sygnału i powodujące przypadkowe zmiany stanu na wyjściu, gdy wartość U I jest bliska U R
Dyskryminator progowy z histerezą Dzielnik rezystorowy R 2, R 3 powoduje powstanie dodatniego sprzężenia zwrotnego Napięcia progowe: U p1 =U R R 3 R 2 R 3 U Omin R 2 R 2 R 3 U p2 =U R R 3 R 2 R 3 U Omax R 2 R 2 R 3 Napięcie histerezy U H =U p2 U p1 = R 2 U Omax U Omin R 2 R 3
Dyskryminator progowy z histerezą c.d. W celu minimalizacji błędów powodowanych przez wejściowe prądy polaryzujące należy dobrać R 1 i R 2 możliwie małe i R 1 = R 2 R 3 Stosunek rezystorów w sprzężeniu dodatnim powinien być mniejszy od wzmocnienia napięciowego komparatora. Jeśli ten warunek nie jest spełniony mogą powstać oscylacje w układzie stąd wynika minimalna wartość napięcia histerezy Dyskryminator napięcia z histerezą zwany jest tez układem Schmitta
Dyskryminator progowy z regulowaną histerezą (1-stronnie) Dioda D 1 powoduje przerwanie obwodu dodatniego sprzężenia zwrotnego, gdy napięcie wyjściowe jest równe dolnemu poziomowi logicznemu. Dolny próg dyskryminacji jest zawsze równy napięciu odniesienia U R, górny można zmieniać przez zmianę wartości R 2 U Z > U R R 3 słuzy do ograniczania prądu diody Zenera R 4 do rozładowywania pojemności pasożytniczej D 2
Dyskryminator napięcia ze wzmacniaczem operacyjnym - sumujący Zawiera 2 rezystory sumujące Jako napięcia odniesienia dodatnie lub ujemne napięcie zasilające (jeśli są stabilizowane) Próg dyskryminacji reguluje się stosunkiem R 1 /R 2 Poziom napięcia wyjściowego zalezy od kierunku prądu I 3 Porównanie następuje przy: U I = R 1 R 2 U R U IO 1 R 1 R 2 I IO R 1 2-gi składnik błąd spowodowany napięciem niezrównoważenia R 3 zmiejsza błąd spowodowany prądami polaryzującymi
Dyskryminator napięcia ze wzmacniaczem operacyjnym - różnicowy Potrzebny jest tylko jeden rezystor sumujący Napięcie U R musi być równe żądanemu progowi dyskryminacji Źródłami błędu w układzie są : napięcie niezrównoważenia wzmacniacza oraz CMRR Wprowadzając słabe sprzężenie zwrotne dodatnie otrzymuje się dyskryminator z histerezą
Dyskryminatory okienkowe Dyskryminator okienkowy powinien wytwarzać na swym wyjściu sygnał logiczny stwierdzający czy wartość napięcia wejściowego zawiera się w określonym przedziale napięć odniesienia Zastosowanie: technika pomiarowa, układy sygnalizacyjne Stosuje się 2 komparatory lub jeden podwójny
Dyskryminator okienkowy na CA 3290 Progi dyskryminacji wyznacza dzielnik rezystorowy R 1, R 2, R 3. Dioda świeci się gdy napięcie wejściowe jest większe od napięcia U p1 na wejściu (-) K2 i nie przekracza wartości U p2 na wejściu (+) K1 Duża impedancja wejściowa wynikająca z właściwości komparatora CA 3290 stopień wejściowy z tranzystorów MOS
Dyskryminator okienkowy ze wzmacniaczem operacyjnym Gdy U I +U R <0 dioda D 2 przewodzi a D 1 zablokowana Napięcie w punkcie A jest równe 0 i przez rezystor R/4 nie płynie prąd Ogranicznik napięcia współpracujący z W2 powoduje zmiane znaku napięcia wyjściowego w chwili gdy I d zmienia znak: U I R U R R U R =I d=0 Czyli przy napięciu wejściowym: U I = U R U
Dyskryminator okienkowy ze wzmacniaczem operacyjnym c.d. Gdy U I +U R <0 D 1 przewodzi i napięcie na wyjściu W1 równe jest -1/2 (U I +U R ) Górna granica okna : U I R U R R U R 1/2 U 1 U R =I R/4 d =0 a więc: U I = U R U Środek okna dyskryminacji jest równy napięciu odniesienia U R z odwrotnym znakiem,a szerokość okna wynosi 2ΔU Zmieniając U R można przesuwać okno bez zmiany jego szerokości