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:

●

Napięcie histerezy

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

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:

●

2-gi składnik – błąd spowodowany
napięciem niezrównoważenia

●

R

3

zmiejsza błąd spowodowany

prądami polaryzującymi

U

I

=−

R

1

R

2

U

R



U

IO



1

R

1

R

2





I

IO

R

1

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:

●

Czyli przy napięciu wejściowym:

U

I

R



U

R

R





U

R

=

I

d

=

0

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 :

●

a więc:

●

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

U

I

R



U

R

R





U

R

−

1/2U

1



U

R



R/4

=

I

d

=

0

U

I

=−

U

R



U