Екі кернеуді немесе ток күшін салыстыратын құрылғы

Кіріспе

Екі кернеуді немесе токтарды салыстыратын құрылғы. Электроникада салыстырғыш – екі кернеуді немесе токтарды салыстырып, қайсысы үлкен екенін көрсететін цифрлық сигнал шығаратын құрылғы. Оның екі аналогтық кіріс терминалы және бір бинарлық цифрлық шығысы бар. Шығысы идеалды түрде...

Салыстырғыш – арнайы жоғары күшейтуге ие дифференциалдық күшейткіштен тұрады. Олар аналогтық сигналдарды өлшеу және цифрлық түрге айналдыру үшін, мысалы аналогты-цифрлық түрлендіргіштерде (АЦТ) және релаксациялық осцилляторларда жиі қолданылады.

Опциялық-көшейткіш кернеуді салыстырғыш

Операциялық күшейткіштің (операциялық күшейткіштің) айырмалық кірісі жақсы теңдестірілген және өте жоғары күшейту коэффициентіне ие. Бұл салыстырғыштардың сипаттамаларына ұқсас және төмен өнімділік талаптары бар қолдануларда оларды алмастыруға болады. Салыстырғыш схемасы екі кернеуді салыстырады және қайсысы үлкен екенін көрсету үшін 1 (оң жақтан кернеу) немесе 0 (теріс жақтан кернеу) шығарады. Салыстырғыштар, мысалы, кіріс алдын ала белгіленген мәнге жеткен-жетпегенін тексеру үшін жиі қолданылады. Көп жағдайда салыстырғыш арнайы салыстырғыш микросхемасымен (IC) іске асырылады, бірақ операциялық күшейткіштерді балама ретінде пайдалануға болады. Салыстырғыш схемалары мен операциялық күшейткіш схемалары бірдей символдарды қолданады. Қайталамасыз байланыссыз операциялық күшейткішпен жасалған қарапайым салыстырғыш схемасы Vin мен VREF арасындағы кернеу айырмасын күшейтеді және нәтижені Vout ретінде шығарады. Егер Vin VREF-тен үлкен болса, Vout кернеуі оң қанығу деңгейіне жетеді, яғни оң жақтан кернеуге дейін. Егер Vin VREF-тен төмен болса, Vout теріс қанығу деңгейіне түседі, ол теріс жақтан кернеуге тең болады. Іс жүзінде, бұл схеманы шуға сезімталдығын азайту үшін гистерезис кернеу диапазонын қосу арқылы жақсартуға болады. Операциялық күшейткіш пен салыстырғыш сипаттамаларының айырмашылығына байланысты операциялық күшейткішті салыстырғыш ретінде пайдалану арнайы салыстырғышпен салыстырғанда бірнеше кемшіліктерге әкеледі. Операциялық күшейткіштер теріс кері байланыспен сызықтық режимде жұмыс істеуге арналған. Сондықтан, операциялық күшейткіш қанығудан қалпына келу үшін көбінесе ұзақ уақыт қажет. Көптеген операциялық күшейткіштердің ішінде жоғары жиілікті сигналдар үшін жылдамдық шектеуін енгізетін өтемақы конденсаторы бар. Нәтижесінде, операциялық күшейткіш ондаған микросекундқа дейін созылатын таралу кешіктірімімен нашар салыстырғыш құрады. Операциялық күшейткіштерде ішкі гистерезис болмағандықтан, баяу өзгеретін кіріс сигналдары үшін сыртқы гистерезис тізбегі әрқашан қажет. Операциялық күшейткіштің тыныш ток сипаттамасы тек кері байланыс белсенді болған кезде ғана жарамды. Кейбір операциялық күшейткіштер кіріс кернеулері тең болмағанда тыныш токтың өсуін көрсетеді. Салыстырғыш цифрлық логикамен оңай байланысатын шектеулі шығыс кернеуін шығару үшін жасалған. Операциялық күшейткішті салыстырғыш ретінде пайдаланғанда цифрлық логикамен үйлесімділігін тексеру қажет. Кейбір көп секциялы операциялық күшейткіштер салыстырғыштар ретінде пайдаланылғанда арналар арасындағы күшті өзара әрекеттесуді көрсетуі мүмкін. Көптеген операциялық күшейткіштердің кірістері арасында кері диодтар бар. Операциялық күшейткіш кірістері әдетте бір-бірінен кейін өзгереді, сондықтан бұл қалыпты жағдай. Бірақ салыстырғыш кірістері әдетте бірдей болмайды. Диодтар кіріс арқылы күтпеген ток тудыруы мүмкін.

An operational amplifier (op amp) has a well balanced difference input and a very high gain. This parallels the characteristics of comparators and can be substituted in applications with low performance requirements. A comparator circuit compares two voltages and outputs either a 1 (the voltage at the plus side) or a 0 (the voltage at the negative side) to indicate which is larger. Comparators are often used, for example, to check whether an input has reached some predetermined value. In most cases a comparator is implemented using a dedicated comparator IC, but op amps may be used as an alternative. Comparator diagrams and op amp diagrams use the same symbols. A simple comparator circuit made using an op amp without feedback simply heavily amplifies the voltage difference between Vin and VREF and outputs the result as Vout. If Vin is greater than VREF, then voltage at Vout will rise to its positive saturation level; that is, to the voltage at the positive side. If Vin is lower than VREF, then Vout will fall to its negative saturation level, equal to the voltage at the negative side. In practice, this circuit can be improved by incorporating a hysteresis voltage range to reduce its sensitivity to noise. Because of the difference in characteristics of an operational amplifier and comparator, using an operational amplifier as a comparator presents several disadvantages as compared to using a dedicated comparator. Op amps are designed to operate in the linear mode with negative feedback. Hence, an op amp typically has a lengthy recovery time from saturation. Almost all op amps have an internal compensation capacitor which imposes slew rate limitations for high frequency signals. Consequently, an op amp makes a sloppy comparator with propagation delays that can be as long as tens of microseconds. Since op amps do not have any internal hysteresis, an external hysteresis network is always necessary for slow moving input signals. The quiescent current specification of an op amp is valid only when the feedback is active. Some op amps show an increased quiescent current when the inputs are not equal. A comparator is designed to produce well limited output voltages that easily interface with digital logic. Compatibility with digital logic must be verified while using an op amp as a comparator. Some multiple section op amps may exhibit extreme channel channel interaction when used as comparators. Many op amps have back to back diodes between their inputs. Op amp inputs usually follow each other so this is fine. But comparator inputs are not usually the same. The diodes can cause unexpected current through inputs.

Дизайн

Салыстырғыш – жоғары күшейтуге ие дифференциалдық күшейткіш, оның шығысы цифрлық схемада қолданылатын логикалық қақпалармен үйлесімді. Күшейту кіріс кернеулері арасындағы өте шағын айырмашылықты анықтауға жеткілікті, нәтижесінде шығыс қанықтырылып, кернеу қақпа кіреберісінің төменгі немесе жоғары логикалық деңгейлерінің біріне тең болады. Аналогтық операциялық күшейткіштер салыстырғыш ретінде қолданылған, бірақ арнайы салыстырғыш чипі, салыстырғыш ретінде қолданылатын жалпы мақсаттағы операциялық күшейткіштен әдетте жылдамырақ болады және дәл ішкі сілтемелік кернеу, реттелетін гистерезис және сағаттық басқарылатын кіріс сияқты қосымша мүмкіндіктерге ие болуы мүмкін. LM339 сияқты арнайы кернеу салыстырғыш чипі цифрлық логикалық интерфейспен (TTL немесе CMOS) байланысу үшін жасалған. Шығысы – нақты әлем сигналдарын цифрлық схемалармен байланыстыру үшін жиі қолданылатын бинарлық күй (аналогты-цифрлық түрлендіргішті қараңыз). Егер сигнал жолында, мысалы, DC реттегіші сияқты тұрақты кернеу көзі болса, салыстырғыш күшейткіштердің каскадына тең келеді. Кернеулер шамалы айырмашылықты көрсеткенде, шығыс кернеуі логикалық деңгейлердің біріне түспейді, сондықтан аналогтық сигналдар болжамсыз нәтижелермен цифрлық салаға еніп кетеді. Бұл диапазонды ең кішкентай ету үшін күшейткіш каскады жоғары күшейтуге ие болуы керек. Сұлба негізінен биполярлық транзисторлардан тұрады. Өте жоғары жиіліктерде сатылардың кіріс кедерісі төмендейді. Бұл, әйтпесе ұзақ қалпына келтіру уақытына әкелетін, баяу, үлкен p-n торапты биполярлық транзисторлардың қанығуын азайтады. Бинарлық логикалық схемаларда кездесетіндей, жылдам шағын Шоттки диодтары өнімділікті айтарлықтай жақсартады, бірақ өнімділік аналогтық сигналдарды пайдаланатын күшейткіштермен схемалардан кейін қалады. Бұл құрылғылар үшін айқындық жылдамдығы маңызды емес. Флэш АҚТ-да қолданылатын сегіз портқа бөлінген сигнал әрбір күшейткіштен кейінгі кернеу және ток күшейтуіне сәйкес келеді, ал резисторлар деңгей ауыстырғыштар ретінде жұмыс істейді.

A comparator consists of a high gain differential amplifier whose output is compatible with the logic gates used in the digital circuit. The gain is high enough that a very small difference between the input voltages will saturate the output, the output voltage will be in either the low logic voltage band or the high logic voltage band of the gate input. Analogue op amps have been used as comparators, however a dedicated comparator chip will generally be faster than a general purpose operational amplifier used as a comparator, and may also contain additional features such as an accurate, internal reference voltage, adjustable hysteresis, and a clock gated input. A dedicated voltage comparator chip such as LM339 is designed to interface with a digital logic interface (to a TTL or a CMOS). The output is a binary state often used to interface real world signals to digital circuitry (see analog to digital converter). If there is a fixed voltage source from, for example, a DC adjustable device in the signal path, a comparator is just the equivalent of a cascade of amplifiers. When the voltages are nearly equal, the output voltage will not fall into one of the logic levels, thus analog signals will enter the digital domain with unpredictable results. To make this range as small as possible, the amplifier cascade is high gain. The circuit consists of mainly bipolar transistors. For very high frequencies, the input impedance of the stages is low. This reduces the saturation of the slow, large p–n junction bipolar transistors that would otherwise lead to long recovery times. Fast small Schottky diodes, like those found in binary logic designs, improve the performance significantly though the performance still lags that of circuits with amplifiers using analog signals. Slew rate has no meaning for these devices. For applications in flash ADCs the distributed signal across eight ports matches the voltage and current gain after each amplifier, and resistors then behave as level shifters.

Ашық коллектордың шығысы

Кейбір салыстырғыштар (мысалы, LM339) әртүрлі логикалық отбасылармен байланыс жасауға көмектесетін ашық коллекторлы шығысты пайдаланады. Егер инверсиялық кіріс, инверсиялық емес кірістен жоғары вольттажда болса, салыстырғыштың шығысы теріс қуат көзіне қосылады. Ал егер инверсиялық емес кіріс инверсиялық кірістен жоғары болса, шығыс жоғары кедергілі болады, сондықтан осы жағдайдағы шығыс вольттажы сыртқы тартымды кедергі арқылы басқа қуат көзіне орнатылуы мүмкін.

Жылдамдық және қуат

Жалпы, салыстырғыштар "жылдам" болғанымен, олардың тізбектері классикалық жылдамдық пен қуат арасындағы қарым-қатынас принципінен тыс емес. Жоғары жылдамдықты салыстырғыштар үлкен параметрлі транзисторларды пайдаланады, демек, олар көбірек қуатты тұтынады. Қолданылуына қарай, жоғары жылдамдықты немесе қуатты үнемдейтін салыстырғышты таңдаңыз. Мысалы, MAX9027, LTC1540, LPV7215, MAX9060 және MCP6541 сияқты, аз орынды чиптік пакеттерде (UCSP), DFN немесе SC70 пакеттеріндегі нано қуатты салыстырғыштар, өте төмен қуатты, портативті құрылғылар үшін өте ыңғайлы. Сондай-ақ, егер салыстырғыш жоғары жылдамдықты сағат сигналын жасау үшін релаксациялық осциллятор тізбегін іске асыру үшін қажет болса, таралу уақыты бірнеше наносекунд болатын салыстырғыштар қолайлы болуы мүмкін. ADCMP572 (CML шығысы), LMH7220 (LVDS шығысы), MAX999 (CMOS шығысы / TTL шығысы), LT1719 (CMOS шығысы / TTL шығысы), MAX9010 (TTL шығысы) және MAX9601 (PECL шығысы) – жақсы жоғары жылдамдықты салыстырғыштардың мысалдары.

Гистереза

Салыстырғыш әдетте кірістері арасындағы кернеу шамамен нөл вольттан өткен кезде шығыс күйін өзгертеді. Кірістердегі шудан туындаған кішігірім кернеу тербелістері, кіріс кернеуінің айырмашылығы нөл вольтқа жақын болғанда екі шығыс күйі арасындағы не қалаған жылдам өзгерістерге алып келуі мүмкін. Бұл шығыс тербелісін болдырмау үшін көптеген заманауи салыстырғыштарға бірнеше милливольттық гистерезис енгізілген. Мысалы, LTC6702, MAX9021 және MAX9031 құрылғыларында ішкі гистерезис бар, ол оларды кіріс шуынан қорғайды. Бір ауысу нүктесінің орнына гистерезис екі нүктені енгізеді: біреуі кернеудің өсуі үшін, екіншісі кернеудің төмендеуі үшін. Жоғары деңгейдегі сапар мәні (VTRIP+) мен төменгі деңгейдегі сапар мәні (VTRIP) арасындағы айырма гистерезис кернеуіне (VHYST) тең. Егер салыстырғышта ішкі гистерезис болмаса немесе кіріс шуы ішкі гистерезистен жоғары болса, салыстырғыштың шығысынан инверсияланбаған кіріске оң кері байланыс арқылы сыртқы гистерезис желісін құруға болады. Нәтижесінде пайда болған Шмидт триггерлік схемасы қосымша шуға төзімділік пен таза шығыс сигналын қамтамасыз етеді. LMP7300, LTC1540, MAX971 және ADCMP341 сияқты кейбір салыстырғыштар гистерезисті басқару үшін жеке гистерезис тірегін де ұсынады. Бұл салыстырғыштар кері байланыс немесе күрделі теңдеулерді қолданбастан бағдарламаланатын гистерезисті қосуға мүмкіндік береді. Қайнар көздің кедергісі жоғары болғанда, арнайы гистерезис тірегін пайдалану да ыңғайлы, себебі кірістер гистерезис желісінен оқшауланған. Гистерезис қосылған кезде салыстырғыш гистерезис диапазонындағы сигналдарды анықтай алмайды.

Шығару түрі

Салыстырғыштардың тек екі шығыс күйі болғандықтан, олардың шығыстары нөлге жуық немесе қуат көзі кернеуіне жуық болады. Биполярлық рельстен рельске салыстырғыштардың ортақ эмиттері болады, ол шығыс пен әр рельс арасындағы кернеудің аз мөлшерін қамтамасыз етеді. Бұл құлдырау жинағыш-эмиттер кернеуіне тең, қаныққан транзисторда. Шығыс тогы аз болғанда, CMOS рельстен рельске салыстырғыштардың шығыс кернеуі, қаныққан MOSFET-ке сүйенетін, биполярлық аналогтарына қарағанда рельс кернеуіне жақынырақ болады. Шығыстарына қарай, салыстырғыштарды ашық дренажды немесе итермелеу-тарту деп жіктеуге болады. Ашық дренажды шығыс сатысы бар салыстырғыштар логикалық жоғары деңгейді анықтайтын оң қуат көзіне сыртқы тартымды кедергіні пайдаланады. Ашық дренажды салыстырғыштар аралас кернеу жүйесін жобалауға қолайлырақ. Шығысы логикалық жоғары деңгей үшін жоғары кедергіге ие болғандықтан, ашық дренажды салыстырғыштарды бірнеше салыстырғыштарды бір шинаға қосу үшін де пайдалануға болады. Итермелеу-тарту шығысына тартымды кедергі қажет емес және ол ашық дренажды шығыстан айырмашылығы, ток көзін де қамтамасыз ете алады.

Ішкі сілтеме

Салыстырғыштардың ең көп қолданылатын түрі – кернеуді тұрақты эталонмен салыстыру. TL431 осы мақсатта кеңінен қолданылады. Көптеген салыстырғыш өндірушілер сонымен қатар бір микросхемада эталондық кернеуі бар салыстырғыштарды ұсынады. Эталонды және салыстырғышты бір микросхемада біріктіру орынды ғана үнемдемейді, сонымен қатар сыртқы эталонды пайдаланатын салыстырғышқа қарағанда аз ток тұтынады. ADCMP350 (600 мВ эталон), MAX9025 (1,236 В эталон), TLV3012 (1,24 В эталон) және TSM109 (2,5 В эталон).

Жалғаспалы және сағатталған

Үздіксіз салыстырғыш кірісіне жоғары немесе төмен сигнал түскен кезде "1" немесе "0" шығарады және кіріс жаңартылғанда жылдам өзгеріске ұшырайды. Дегенмен, көптеген қолдануларда салыстырғыштан шығару белгілі бір сәттерде ғана қажет болады, мысалы, А/Д түрлендіргіштері мен жадта. Салыстырғышты белгілі интервалдарда ғана импульстік түрде қолдану арқылы, сағаттық (немесе динамикалық) салыстырғыш құрылымымен, сондай-ақ құлыпталған салыстырғыш деп аталатын, жоғары дәлдікке және төмен қуат тұтынуға қол жеткізуге болады. Көбінесе құлыпталған салыстырғыштар сағат жоғары болғанда "қайта жаңарту фазасы" үшін күшті оң кері байланыс қолданады, ал сағат төмен болғанда "қайта орнату фазасы" болады. Бұл үздіксіз салыстырғыштан өзгеше, себебі оларда қайта орнату фазасы болмағандықтан, тек әлсіз оң кері байланыс қолданылуы мүмкін.

Нөлдік детекторлар

Нөлдік детектор берілген мәннің нөлге тең екенін анықтайды. Салыстырғыштар нөлдік анықтау және салыстыру өлшемдері үшін өте қолайлы, себебі олар жақсы теңдестірілген кірістері және бақыланатын шығыс шектері бар өте жоғары күшейту коэффициентіне ие күшейткіштерге балама болып табылады. Нөлдік детектор схемасы екі кіріс кернеуін салыстырады: белгісіз кернеу (vu) және эталондық кернеу (vr). Эталондық кернеу әдетте кері емес кірісте (+), ал белгісіз кернеу кері кірісте (-) болады. (Схемалық кескіндер кірістердің белгісін шығысқа қатысты, егер бір кіріс екіншісінен үлкен болса, сол белгімен көрсетеді.) Егер кірістер шамалы ғана емес болса (төменде қараңыз), шығыс оң немесе теріс болады, мысалы ±12 В. Нөлдік детектор үшін мақсат – кіріс кернеулерінің шамалы теңдігін анықтау, бұл белгісіз кернеудің мәнін береді, себебі эталондық кернеу белгілі. Салыстырғышты нөлдік детектор ретінде қолданғанда, дәлдік шектеулі болады: кернеу айырмасының абсолюттік шамасын күшейткіштің күшейту коэффициентіне көбейту нәтижесі кернеу шектерінің ішінде болса, шығыс нөлге тең болады. Мысалы, егер күшейту коэффициенті 106, ал кернеу шектері ±6 В болса, кернеу айырмасы 6 мкВ-тан кем болса, шығыс нөлдік болады. Мұны өлшеудегі негізгі белгісіздік деп атауға болады.

Нөлдік қиылысу детекторлары

Бұл типтегі детектор үшін салыстырғыш кез келген AC импульсының полярлығы өзгере қалғанда оны анықтайды. Салыстырғыштың шығысы импульстың полярлығы өзгере қалған сайын күйін өзгертеді, яғни шығыс оң импульс үшін HI (жоғары) және теріс импульс үшін LO (төмен) болып, кіріс сигналын квадратуралайды.

Демалыс осцилляторы

Сәйкестендіргіш релаксациялық осциллятор құру үшін қолданылуы мүмкін. Ол оң және теріс кері байланысты пайдаланады. Оң кері байланыс – Шмидт триггерінің конфигурациясы. Өзінен жеке алғанда, триггер – бистабельді мультивибратор. Дегенмен, RC тізбегі арқылы триггерге қосылған баяу теріс кері байланыс тізбектің автоматты түрде тербелуіне себеп болады. Яғни, RC тізбегін қосу гистерездік бистабельді мультивибраторды астабельді мультивибраторға айналдырады.

Жазық ауыстырғыш

Бұл тізбек LM393, TLV3011 немесе MAX9028 сияқты ашық коллекторлы шығысы бар бір ғана салыстырғыш қажет етеді.

Терезе детекторлары

Салыстырғыштар терезе детекторлары ретінде де қолданылуы мүмкін. Терезе детекторларында салыстырғыш екі кернеуді салыстырып, кіріс кернеуінің белгілі бір шектен төмен немесе жоғары екенін анықтайды.

Абсолюттік мәнді детекторлар

Салыстырғыштар абсолютті мән анықтағыштарын жасау үшін қолданылуы мүмкін. Абсолютті мән анықтағышында екі кернеудің абсолюттік шамаларын салыстыру үшін екі салыстырғыш және сандық логикалық элемент қолданылады.