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 dysponujÄ… szerokim zakresem
napięcia wyjściowego

StosujÄ…c 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
uwagÄ™ 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 UO=0, dla komparatorów przy
pewnym umownym napięciu (najczęściej progu
logicznego)

Dla komparatora źA710 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
zasilajÄ…cych
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 siÄ™
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 I2 i jest równy
albo napięciu zenera UZ albo
napięciu na diodzie Zenera UF
spolaryzowanej w kier.
przewodzenia

Zmiana stanu napięcia
następuje przy I2 = 0, ponieważ
I1=I2+IB  w chwili zmiany
stanu I1=IB i następuje
zrównanie prądu
polaryzujÄ…cego z prÄ…dem
wejściowym
Detektor przejścia przez zero ze
wzmacniaczem operacyjnym (1) c.d.

Dla zmniejszenia błędu
spowodowanego prÄ…dem
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 UI=UIO+IIOR

Napięcie niezrównowążenia można
skompensować znanymi metodami
Detektor przejścia przez zero ze
wzmacniaczem operacyjnym (2)

Napięcie wyjściowe jest
równe napięciu Zenera
jeśli UI<0.

Jeżeli UI>0  napięcie
wyjściowe =0,7V

DobierajÄ…c diodÄ™ 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 UOmax lub UOmin zależnie
od znaku różnicy napięć UI i
napięcia odniesienia UR

Wartości wyjściowe napięć
zależą od komparatora

Minimalizacja napięcia
niezrównoważenia wywołanego
przez prÄ…dy polaryzujÄ…ce 
dobrać R1 = R2, 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 UOmax i UOmin
gdy punkt pracy komparatora znajduje siÄ™ w liniowym
obszarze charakterystyki UO=f(UI), odpowiadajÄ…cym
małej różnicy UI i UR

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 UI jest bliska UR
Dyskryminator progowy z histerezÄ…

Dzielnik rezystorowy R2, R3 powoduje powstanie dodatniego
sprzężenia zwrotnego

Napięcia progowe:
R3 R2 R3 R2
U =U ƒÄ…U U =U ƒÄ…U
p1 R Omin p2 R Omax
R2ƒÄ…R3 R2ƒÄ…R3 R2ƒÄ…R3 R2ƒÄ…R3

Napięcie histerezy R2śąU -U źą
Omax Omin
U =U -U =
H p2 p1
R2ƒÄ…R3
Dyskryminator progowy z histerezÄ…
c.d.

W celu minimalizacji błędów powodowanych
przez wejściowe prądy polaryzujące należy
dobrać R1 i R2 możliwie małe i R1 = R2 || R3

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
regulowanÄ… histerezÄ… (1-stronnie)

Dioda D1 powoduje przerwanie
obwodu dodatniego sprzężenia
zwrotnego, gdy napięcie wyjściowe
jest równe dolnemu poziomowi
logicznemu.

Dolny próg dyskryminacji jest
zawsze równy napięciu odniesienia
UR, górny można zmieniać przez
zmianę wartości R2

UZ > UR

R3 słuzy do ograniczania prądu
diody Zenera

R4  do rozładowywania
pojemności pasożytniczej D2
Dyskryminator napięcia ze wzmacniaczem
operacyjnym - sumujÄ…cy

Zawiera 2 rezystory sumujÄ…ce

Jako napięcia odniesienia  dodatnie
lub ujemne napięcie zasilające (jeśli
sÄ… stabilizowane)

Próg dyskryminacji reguluje się
stosunkiem R1/R2

Poziom napięcia wyjściowego zalezy
od kierunku prÄ…du I3

Porównanie następuje przy:
R1 R1
U =- U ƒÄ…U 1ƒÄ… ƒÄ…I R1
I IO
śą źą
R2 R IO R2

2-gi składnik  błąd spowodowany
napięciem niezrównoważenia

R3 zmiejsza błąd spowodowany
prÄ…dami polaryzujÄ…cymi
Dyskryminator napięcia ze wzmacniaczem
operacyjnym - różnicowy

Potrzebny jest tylko jeden
rezystor sumujÄ…cy

Napięcie UR musi być równe
żądanemu progowi
dyskryminacji

y
ródłami błędu w układzie
są : napięcie
niezrównoważenia
wzmacniacza oraz CMRR

Wprowadzając słabe
sprzężenie zwrotne dodatnie
otrzymuje siÄ™ dyskryminator
z histerezÄ…
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 R1, R2, R3.
Dioda świeci się gdy
napięcie wejściowe jest
większe od napięcia Up1 na
wejściu (-) K2 i nie
przekracza wartości Up2 na
wejściu (+) K1

Duża impedancja
wejściowa wynikająca z
właściwości komparatora
CA 3290  stopień
wejściowy z tranzystorów
MOS
Dyskryminator okienkowy ze
wzmacniaczem operacyjnym

Gdy UI+UR<0 dioda D2 przewodzi a
D1 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 Id zmienia znak:
U U
­Ä…U
I R
ƒÄ… ƒÄ… =I =0
d
R R R

Czyli przy napięciu wejściowym:
U =-U -­Ä…U
I R
Dyskryminator okienkowy ze
wzmacniaczem operacyjnym c.d.

Gdy UI+UR<0  D1 przewodzi i
napięcie na wyjściu W1 równe
jest -1/2 (UI+UR)

Górna granica okna :
U U 1/2śąU ƒÄ…U źą
­Ä…U
I R 1 R
ƒÄ… ƒÄ… - =Id=0
R R R R/4

a więc:
U =-U ƒÄ…­Ä…U
I R

Åšrodek okna dyskryminacji jest
równy napięciu odniesienia UR z
odwrotnym znakiem,a szerokość
okna wynosi 2"U

Zmieniając UR można przesuwać
okno bez zmiany jego szerokości