Сравнение напряжений и токов: компаратор и операционный усилитель.

Введение

Устройство, сравнивающее два напряжения или тока.

В электронике компаратор – это устройство, которое сравнивает два напряжения или тока и выдает цифровой сигнал, указывающий, какое из них больше. Он имеет два аналоговых входных терминала и один двоичный цифровой выход. Выходной сигнал в идеале представляет собой специализированный дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом усиления. Компараторы широко используются в устройствах, измеряющих и оцифровывающих аналоговые сигналы, таких как аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а также в релаксационных генераторах.

Компаратор напряжения оп-ампер

Операционный усилитель (оп-усилитель) имеет хорошо сбалансированный дифференциальный вход и очень высокий коэффициент усиления. Это сопоставимо с характеристиками компараторов и позволяет использовать их в приложениях с невысокими требованиями к производительности. Схема компаратора сравнивает два напряжения и выдает либо 1 (напряжение на положительном входе), либо 0 (напряжение на отрицательном входе), чтобы указать, какое из них больше. Компараторы часто используются, например, для проверки достижения входным сигналом заданного предварительно определенного значения. В большинстве случаев компаратор реализуется с помощью специализированной микросхемы компаратора, но в качестве альтернативы можно использовать операционные усилители. Схемы компараторов и операционных усилителей используют одни и те же условные обозначения. Простая схема компаратора, построенная на операционном усилителе без обратной связи, просто сильно усиливает разницу напряжений между Vin и VREF и выдает результат в виде Vout. Если Vin больше, чем VREF, то напряжение на Vout возрастает до верхнего уровня насыщения, то есть до напряжения на положительном входе. Если Vin меньше, чем VREF, то Vout падает до нижнего уровня насыщения, равного напряжению на отрицательном входе. На практике эту схему можно улучшить, добавив гистерезис для снижения чувствительности к шуму. Из-за различий в характеристиках операционного усилителя и компаратора, использование операционного усилителя в качестве компаратора имеет ряд недостатков по сравнению с использованием специализированного компаратора. Операционные усилители предназначены для работы в линейном режиме с отрицательной обратной связью. Следовательно, операционный усилитель обычно имеет значительное время восстановления после насыщения. Почти все операционные усилители имеют внутренний компенсационный конденсатор, который ограничивает скорость нарастания сигнала для высокочастотных сигналов. В результате, операционный усилитель получается неточным компаратором с задержками распространения, которые могут достигать десятков микросекунд. Поскольку операционные усилители не имеют встроенного гистерезиса, для медленно изменяющихся входных сигналов всегда требуется внешняя цепь гистерезиса. Спецификация тока покоя операционного усилителя действительна только при активной обратной связи. Некоторые операционные усилители демонстрируют повышенный ток покоя, когда входы не равны. Компаратор предназначен для формирования четко ограниченных выходных напряжений, которые легко взаимодействуют с цифровой логикой. Совместимость с цифровой логикой необходимо проверять при использовании операционного усилителя в качестве компаратора. Некоторые многоканальные операционные усилители могут проявлять сильное перекрестное влияние каналов при использовании в качестве компараторов. Многие операционные усилители имеют последовательно включенные диоды между своими входами. Обычно входы операционных усилителей изменяются согласованно, поэтому это не является проблемой. Однако входы компаратора обычно не одинаковы, и диоды могут вызывать неожиданный ток через входы.

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

Компаратор состоит из дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления, выход которого совместим с логическими элементами, используемыми в цифровой схеме. Коэффициент усиления достаточно высок, чтобы даже небольшая разница между входными напряжениями привела к насыщению выхода, при этом выходное напряжение будет находиться либо в диапазоне низкого логического уровня, либо в диапазоне высокого логического уровня входного сигнала элемента. Операционные усилители могут использоваться в качестве компараторов, однако специализированный чип-компаратор обычно быстрее, чем операционный усилитель общего назначения, используемый в качестве компаратора, и может также включать дополнительные функции, такие как точное внутреннее опорное напряжение, регулируемый гистерезис и вход, управляемый тактовым сигналом. Специализированный чип-компаратор напряжения, такой как LM339, предназначен для взаимодействия с цифровым логическим интерфейсом (TTL или CMOS). Выход представляет собой двоичное состояние, часто используемое для подключения реальных сигналов к цифровым схемам (см. аналого-цифровой преобразователь). Если в цепи сигнала присутствует источник фиксированного напряжения, например, регулируемое устройство постоянного тока, компаратор эквивалентен каскаду усилителей. Когда напряжения почти равны, выходное напряжение не устанавливается на один из логических уровней, в результате чего аналоговые сигналы попадают в цифровую область с непредсказуемыми результатами. Чтобы минимизировать этот диапазон, каскад усилителей имеет высокий коэффициент усиления. Схема в основном состоит из биполярных транзисторов. Для очень высоких частот входное сопротивление каскадов низкое. Это снижает насыщение медленных, больших биполярных транзисторов с p–n переходом, что в противном случае привело бы к длительному времени восстановления. Быстрые малогабаритные диоды Шоттки, подобные тем, что используются в схемах цифровой логики, значительно повышают производительность, хотя она все еще уступает производительности схем с усилителями, работающими с аналоговыми сигналами. Характеристика скорости нарастания не имеет значения для этих устройств. В приложениях флэш-АЦП распределенный сигнал по восьми портам соответствует усилению напряжения и тока после каждого усилителя, а резисторы затем выполняют функцию сдвигателей уровня.

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.

Выход открытого коллектора

Некоторые компараторы (например, LM339) используют выход на открытом коллекторе для облегчения подключения к различным семействам логических схем. Когда напряжение на инвертирующем входе выше, чем на неинвертирующем, выход компаратора подключается к отрицательному питанию. Когда напряжение на неинвертирующем входе выше, чем на инвертирующем, выход имеет высокое сопротивление, поэтому выходное напряжение в этом состоянии может быть задано внешним подтягивающим резистором к другому источнику питания.

Скорость и мощность

Хотя в целом компараторы быстрые, их схемы не застрахованы от классического компромисса между скоростью и энергопотреблением. Высокоскоростные компараторы используют транзисторы с большим соотношением ширины к длине и, следовательно, потребляют больше энергии. В зависимости от применения, выбирайте либо компаратор с высокой скоростью, либо энергоэффективный. Например, компараторы с низким энергопотреблением в компактных корпусах UCSP, DFN или SC70, такие как MAX9027, LTC1540, LPV7215, MAX9060 и MCP6541, идеально подходят для портативных устройств с ультранизким энергопотреблением. Если же требуется компаратор для реализации релаксационного генератора с целью создания высокочастотного тактового сигнала, то подойдут компараторы с задержкой распространения в несколько наносекунд. ADCMP572 (выход CML), LMH7220 (выход LVDS), MAX999 (выход CMOS / выход TTL), LT1719 (выход CMOS / выход TTL), MAX9010 (выход TTL) и MAX9601 (выход PECL) – примеры высокоскоростных компараторов.

Гистереза

Компаратор обычно меняет свое выходное состояние, когда напряжение между его входами пересекает приблизительно ноль вольт. Небольшие колебания напряжения, вызванные шумом, который всегда присутствует на входах, могут приводить к нежелательным быстрым переключениям между двумя выходными состояниями, когда разность входных напряжений близка к нулю вольт. Для предотвращения этих выходных колебаний небольшой гистерезис в несколько милливольт встроен во многие современные компараторы. Например, LTC6702, MAX9021 и MAX9031 имеют внутренний гистерезис, делающий их менее чувствительными к входному шуму. Вместо одной точки переключения, гистерезис вводит две: одну для возрастающего напряжения и одну для убывающего напряжения. Разница между верхним пороговым значением (VTRIP+) и нижним пороговым значением (VTRIP-) равна напряжению гистерезиса (VHYST). Если у компаратора нет внутреннего гистерезиса или если входной шум превышает внутренний гистерезис, то внешняя сеть гистерезиса может быть построена с использованием положительной обратной связи от выхода к неинвертирующему входу компаратора. Полученная схема триггера Шмитта обеспечивает дополнительную помехоустойчивость и более чистый выходной сигнал. Некоторые компараторы, такие как LMP7300, LTC1540, MAX971 и ADCMP341, также предоставляют управление гистерезисом через отдельный вывод управления гистерезисом. Эти компараторы позволяют добавлять программируемый гистерезис без обратной связи или сложных расчетов. Использование выделенного вывода управления гистерезисом также удобно, если выходное сопротивление источника сигнала велико, поскольку входы изолированы от сети гистерезиса. Когда гистерезис добавлен, компаратор не может различать сигналы в пределах полосы гистерезиса.

Тип выхода

Поскольку у компараторов всего два выходных состояния, их выходной сигнал либо близок к нулю, либо близок к напряжению питания. Биполярные компараторы с выходом типа "от рельса до рельса" имеют общий эмиттерный выход, который создает небольшое падение напряжения между выходом и каждой шиной питания. Это падение равно напряжению коллектор-эмиттер насыщенного транзистора. При небольших выходных токах выходное напряжение КМОП-компараторов с выходом типа "от рельса до рельса", использующих насыщенный МОП-транзистор, находится ближе к напряжениям шин питания, чем у их биполярных аналогов. По типу выходного сигнала компараторы также классифицируются как с открытым коллектором или с выходным каскадом "push-pull". Компараторы с выходным каскадом с открытым коллектором используют внешний подтягивающий резистор к положительному напряжению питания, который определяет логический верхний уровень. Компараторы с открытым коллектором лучше подходят для разработки систем со смешанными напряжениями. Поскольку выход имеет высокое сопротивление для логического верхнего уровня, компараторы с открытым коллектором также можно использовать для подключения нескольких компараторов к одной шине. Выходной каскад "push-pull" не требует подтягивающего резистора и, в отличие от выхода с открытым коллектором, способен выдавать ток.

Внутренние ссылки

Наиболее частое применение компараторов – сравнение напряжения со стабильным опорным значением. TL431 широко используется для этой цели. Большинство производителей компараторов также предлагают компараторы с интегрированным на кристалле опорным напряжением. Объединение опорного напряжения и компаратора в одном чипе не только экономит место, но и потребляет меньше тока питания, чем компаратор с внешним опорным напряжением. ADCMP350 (опорное напряжение 600 мВ), MAX9025 (опорное напряжение 1,236 В), TLV3012 (опорное напряжение 1,24 В) и TSM109 (опорное напряжение 2,5 В).

Непрерывный и тактовый

Непрерывный компаратор выдает либо "1", либо "0" при подаче высокого или низкого сигнала на вход и быстро изменяет свое состояние при изменении входных сигналов. Однако во многих приложениях требуются выходные сигналы компаратора лишь в определенные моменты времени, например, в аналого-цифровых преобразователях и памяти. Использование компаратора с тактированием (или динамического компаратора), также называемого компаратором с защелкой, позволяет добиться более высокой точности и меньшего энергопотребления, поскольку компаратор активируется только в определенные интервалы времени. Компараторы с защелкой часто используют сильную положительную обратную связь для "фазы регенерации" при высоком уровне тактового сигнала и имеют "фазу сброса" при низком уровне тактового сигнала. Это отличается от непрерывного компаратора, который может использовать только слабую положительную обратную связь, поскольку отсутствует период сброса.

Детекторы нуля

Нулевой детектор определяет, когда заданное значение равно нулю. Компараторы идеально подходят для измерений сравнения при обнаружении нуля, поскольку они эквивалентны усилителю с очень высоким коэффициентом усиления, с хорошо сбалансированными входами и контролируемыми пределами выходного сигнала. Схема нулевого детектора сравнивает два входных напряжения: неизвестное напряжение и опорное напряжение, обычно обозначаемые как vu и vr. Опорное напряжение обычно подается на неинвертирующий вход (+), а неизвестное напряжение – на инвертирующий вход (−). (На принципиальной схеме входы отображаются в соответствии со своим знаком относительно выхода, когда один вход больше другого.) Если входные напряжения не почти равны (см. ниже), выходной сигнал будет либо положительным, либо отрицательным, например, ±12 В. В случае нулевого детектора целью является определение момента, когда входные напряжения почти равны, что позволяет определить значение неизвестного напряжения, поскольку опорное напряжение известно. При использовании компаратора в качестве нулевого детектора точность ограничена: выходной сигнал равен нулю, когда величина разности напряжений, умноженная на коэффициент усиления усилителя, находится в пределах допустимых значений напряжения. Например, если коэффициент усиления равен 10⁶, а пределы напряжения составляют ±6 В, то выходной сигнал будет равен нулю, если разность напряжений меньше 6 мкВ. Это можно рассматривать как фундаментальную неопределенность измерения.

Детекторы с нулевым пересечением

Для этого типа детектора компаратор фиксирует каждое изменение полярности переменного импульса. Выход компаратора меняет состояние при каждом изменении полярности импульса, то есть он высокий (HI) для положительного импульса и низкий (LO) для отрицательного импульса, формируя квадрат входного сигнала.

Осциллятор релаксации

Для создания релаксационного генератора можно использовать компаратор. Он использует как положительную, так и отрицательную обратную связь. Положительная обратная связь реализуется в виде триггера Шмитта. Сам по себе триггер является бистабильным мультивибратором. Однако медленная отрицательная обратная связь, обеспечиваемая RC-цепью, заставляет схему автоматически генерировать колебания. Иными словами, добавление RC-цепи преобразует гистерезисный бистабильный мультивибратор в астабильный мультивибратор.

Сдвигатель уровня

Для этой схемы требуется только один компаратор с открытым стоком, например LM393, TLV3011 или MAX9028.

Окно детекторы

Компараторы также могут использоваться в качестве детекторов окна. В детекторе окна компаратор используется для сравнения двух напряжений и определения, находится ли входное напряжение ниже или выше заданного уровня.

Детекторы абсолютных величин

Компараторы могут использоваться для создания детекторов абсолютной величины. В детекторе абсолютной величины два компаратора и цифровой логический элемент используются для сравнения абсолютных значений двух напряжений.