При решении различных схемотехнических задач часто возникает необходимость сравнения уровня двух сигналов. Для этих целей применяются специальные электронные узлы – компараторы напряжения (или просто компараторы). Этот термин происходит от английского глагола to compare (сравнивать), который, в свою очередь, восходит к латинскому comparare.
- Описание компараторов и их назначение
- Структура и принцип работы
- Виды компараторов
- Транзисторные компараторы
- Цифровые компараторы
- Выполненные на логических элементах и работающие в цифровых цепях
- Выполненные на логических элементах и работающие в цепях с аналоговыми сигналами
- Компараторы на ОУ
- Ключевые характеристики и обозначение
- Отличие между операционным усилителем и компаратором
- Примеры схем подключения
Описание компараторов и их назначение
Компараторами называются цифровые или аналоговые устройства, состояние выхода которых зависит от соотношения сигналов на входах. При изменении знака разности входных сигналов, состояние выхода меняется на противоположное. Это свойство используется для построения различных электронных узлов.
Структура и принцип работы
Любой компаратор имеет как минимум, два входа (аналоговых или цифровых). На них подаются сигналы, которые надо сравнить по величине. Выходы узла всегда дискретные, и могут, в общем случае, формировать три сигнала:
- Сигнал A больше сигнала B (по амплитуде, значению и т.д.).
- Сигналы равны.
- Сигнал B больше сигнала А.
Напряжения могут изменяться во времени на каждом из входов. А может быть так, что напряжение на одном входе устанавливается постоянным, тогда оно называется опорным.
При практической реализации выход может быть и один, и выдавать один дискретный сигнал (например, равный 1, если A>B, и равный 0, если A<B).
Виды компараторов
Реализовать схему сравнения можно на различной элементной базе. От этого зависит функционал устройства.
Транзисторные компараторы
Простые компараторы можно реализовать на транзисторах. Схема такого устройства приведена на рисунке. Если напряжение на входе 1 превысит уровень на входе 2 примерно на 0,6..0,8 вольт, входной транзистор откроется, и переключит выходной ключ в противоположное состояние.
Цифровые компараторы
Цифровые компараторы можно разделить на две категории.
Выполненные на логических элементах и работающие в цифровых цепях
В подобных системах существует всего два уровня напряжения, соответствующих нулю и единице. В самом простом случае сравниваются две одноразрядные линии. Для этого во многих ситуациях достаточно элемента «Исключающее ИЛИ».
| X1 | X2 | Выход |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Логика работы этого элемента такова, что при одинаковых сигналах на выходе будет ноль, а при разных – единица. Таким образом, схема «Исключающее ИЛИ» при равенстве сигналов выдает ноль, а если один больше другого – единицу.
Различать, на каком именно из входов напряжение выше, такая схема не может.
Чтобы определить, на каком конкретно входе присутствует более высокий уровень, схему придется усложнить. Заодно она сможет генерировать сигнал равенства уровней на входах.
Более сложные схемы сравнивают между собой двух- и более разрядные двоичные числа. Они считаются равными только в том случае, если каждый бит одного числа равен другому биту, а если хоть один бит отличается, то одно из двоичных чисел больше другого. Такие устройства сравнения можно реализовать на «рассыпной» логике или готовых микросхемах, либо их строят на базе микроконтроллеров.
Некоторые микроконтроллеры имеют «на борту» аппаратные цифровые (или аналоговые) компараторы, выдающие во внутреннюю логику готовый результат сравнения. Так экономится память и вычислительный ресурс маломощных контроллеров.
Выполненные на логических элементах и работающие в цепях с аналоговыми сигналами
Если в схеме сигналы аналоговые, они могут принимать любые значения от нуля вольт до напряжения питания (при однополярном питании).
У логических элементов есть порог переключения, при переходе напряжения через эту границу воспринимается, как смена логического уровня. Если аналоговый сигнал усилить, а затем отмасштабировать к порогу переключения, то можно получить схему, срабатывающую при повышении (понижении) напряжения через определенную границу. Пример такой схемы, контролирующей два порога напряжения, приведена на рисунке.
Компараторы на ОУ
Можно построить аналоговое устройство сравнения уровней на операционном усилителе. Принцип работы такого компаратора основан на двух свойствах ОУ:
- Способности усиливать разницу между входами.
- Бесконечным (на практике – не менее 10000) коэффициентом усиления по напряжению в отсутствие отрицательной обратной связи.
Пусть операционный усилитель питается от напряжений +15 вольт и -15 вольт. Напряжение на неинвертирующем входе на 0,01 вольт больше, чем на инвертирующем. По своему принципу действия ОУ должен усилить эту разницу в 10000 (или больше) раз и выдать на выходе 1000 вольт. на самом деле это невозможно, так как положительное напряжение питания составляет всего 15 вольт, и большего уровня просто негде взять. Следовательно, ОУ войдет в режим насыщения и выдаст +15 вольт. Это же напряжение операционный усилитель выдаст и при другом, большем превышении уровня неинвертирующего входа над инвертирующим.
Теперь пусть уровни поменялись – на инвертирующем напряжение выше инвертирующего. ОУ выдаст на выходе -15 вольт. Таким образом получилась схема с двумя устойчивыми состояниями на выходе в зависимости от того, на каком входе напряжение выше. Это и есть компаратор.
При равенстве напряжений ОУ должен выставить на выходе напряжение, равное нулю, а при малой разнице в напряжениях уровень на выходе может принять любое значение от минуса до плюса напряжения питания. На практике этого никогда не бывает. Так, при двухполярном питании 15 вольт и коэффициенте усиления 10000, достаточно превышения напряжения на одном из входов на 0,0015 вольт, чтобы ОУ переключился в состояние нуля или единицы. Так как вход операционного усилителя высокоомный (в идеале с бесконечным сопротивлением), то уровень наводок и помех на практике значительно превышает это «окно». По этой причине можно говорить о том, что схема сравнения на ОУ имеет всего два состояния.
Обе причины (узость «окна» переключения и относительно высокая восприимчивость к помехам) ведут к тому, что в ситуации, когда уровни сигналов примерно одинаковы, компаратор может начать хаотически переключаться из одного состояния в другое. Для борьбы с этим вредным явлением вводят неглубокую положительную обратную связь посредством резистора сопротивлением несколько сотен килоом или нескольких мегаом. В результате достигается гистерезис характеристики переключения – порог отпускания становится несколько ниже порога срабатывания. Таким способом добиваются повышения помехоустойчивости и стабильности компаратора.
Ключевые характеристики и обозначение
На схеме аналоговый компаратор обозначается точно так же, как и операционный усилитель. В минимальном случае у него имеются:
- неинвертирующий («прямой») вход;
- инвертирующий («инверсный) вход;
- выход.
Помимо этого, на схеме обозначаются выводы питания и входы внешнего управления (если есть). Образец УГО показан на схеме.
На обозначение ОУ иногда наносят символ бесконечного усиления. У компаратора такого символа, конечно, нет.
Условно-графическое обозначение цифрового компаратора состоит из общего символа цифровой микросхемы (прямоугольника) с символами «= =». Обозначение цифровых входов и выходов стандартно и легко узнаваемо.
При выборе аналогового компаратора (или ОУ для его построения) надо обращать внимание на максимально допустимое напряжение на входе (обычно оно равно напряжению питания). Если предстоит работать с большими напряжениями, их придется масштабировать (например, с помощью делителей напряжения). Если выбирается готовый компаратор в интегральном исполнении, надо еще смотреть на построение выхода – логический уровень или каскад с открытым коллектором. Также важно бывает количество элементов в корпусе. Если выбирается цифровой компаратор надо смотреть на его разрядность.
Остальные параметры обычны для микросхем – входное сопротивление, нагрузочная способность выхода, ток потребления, температурные характеристики и т.п.
Отличие между операционным усилителем и компаратором
Компараторы на операционных усилителях широко распространены, даже УГО компаратора совпадает с графическим обозначением ОУ. Тем не менее, существуют микросхемы, выполняющие функцию исключительно сравнения уровней напряжения, и не всегда разница между микросхемами ОУ и компаратора очевидна.
Для операционного усилителя работа в качестве устройства сравнения уровней – частный случай. ОУ предназначен для усиления сигналов, поэтому его внутренняя структура содержит дополнительные элементы для линеаризации АЧХ и для частотной коррекции. Все это усложняет схемотехнику, а главное – снижает скорость работы операционного усилителя, в том числе в режиме компаратора. У специализированных микросхем эти элементы отсутствуют, и в целом они более быстродействующие.
Отличие между типами микросхем и в выходных цепях. Выход операционного усилителя рассчитан на выдачу всего диапазона напряжений – от минуса до плюса питания. Выход компаратора может принимать только два значения – нуля или единицы. Для этого может быть организован каскад с открытым коллектором или на выходе может быть установлен логический элемент с заданными уровнями логических 0 и 1. В первом случае уровень единицы может быть задан таким, каким он нужен для последующих элементов схемы.
Большинство операционных усилителей имеют двухполярное питание. Это может вызвать проблему с созданием дополнительного источника (или с выполнением цепей смещения) там, где глобальная схема выполняется с однополярным питанием. Большинство специализированных компараторов имеют однополярное питание (хотя бывают микросхемы, где возможны оба варианта). Выход компараторов, как правило, однополярный в любом случае.
Кроме того, микросхемы компараторов не нуждаются в положительной обратной связи. Большинство микросхем выпускаются с гистерезисом, который создается внутренней схемой (но не обязательно).
Можно сделать дополнительный вывод – операционный усилитель можно использовать в качестве компаратора, но не наоборот.
Примеры схем подключения
Из двух компараторов можно получить двухпороговый компаратор, или компаратор «окна», упоминавшийся выше. Эта схема следит, чтобы входной сигнал оставался между верхним и нижним заданными уровнями, а при выходе генерируется дискретный сигнал. Верхний по схеме компаратор отслеживает выход за верхнюю границу, а нижний – за нижнюю.
Если использовать подключение по указанному принципу, то, объединив несколько компараторов «окна», можно получить аналого-цифровой преобразователь. Он будет выдавать цифровой код, соответствующий уровню входного сигнала.
На компараторе (например, на основе ОУ) можно построить мультивибратор. На схеме приведен пример такой реализации. Частоту колебаний задает RC-цепочка, выполняющая функцию обратной связи. В начальный момент времени конденсатор не заряжен, на неинвертирующем входе операционного усилителя напряжение больше нуля (задается делителем), на инвертирующем – ноль, на выходе – единица (Uпитания). Конденсатор постепенно заряжается, когда напряжение на нем превысит напряжение на «прямом» входе, компаратор переключится в ноль. Сопротивление на неинвертирующем входе будет задаваться цепочкой R1R2R3 (уменьшится), а конденсатор будет разряжаться через резистор R. Как только напряжение на нем будет меньше, чем на «прямом» входе, произойдёт обратное переключение и компаратор вновь переключится, и так далее. Период колебаний мультивибратора зависит от номиналов R1, R3, R, C.
На этом принципе построена работа популярного таймера NE555, основой которого служат два компаратора.
На практике применение компараторов гораздо шире. Они служат основой многих других устройств – электронных реле, срабатывающих на изменение сигнала, промежуточных узлов в электронных схемах, где требуется аналоговый прибор с релейной логикой работы и т.п. Устройства сравнения уровней позволяют решать широкий круг задач – все зависит от фантазии и квалификации разработчика.
