Analogové komparátory

Název komparátory přišel z latinského srovnání - porovnání. Zařízení, u nichž se měření provádí porovnáním se standardní prací na tomto principu. Například váhy s rovným ramenem nebo elektrické potenciometry.

Princip činnosti rozlišuje mezi elektrickými, pneumatickými, optickými a dokonce mechanickými komparátory. Posledně jmenované se používají pro kontrolu míry délky. Poprvé byl v Paříži v roce 1792 Lenoir použit komparátor pro ověření konečných opatření, protože v encyklopedii Brockhaus a Efron je článek.

Tento mechanický komparátor byl použit ke kontrole standardu 1 m při tvorbě francouzského metrického systému. Přesnost měření takového komparátoru pomocí systému pohyblivých pák dosáhla 0,0005 mm. Tehdy to bylo velmi přesné. Ale v tomto článku nebudeme podrobně zvažovat mechanické a jiné komparátory, protože naším úkolem je komparátory napětí.

Integrované komparátory. Princip činnosti a odrůd

V současné době se komparátory používají hlavně v integrovaném designu. Jen málo lidí by uvažovalo o sestavení komparátoru z diskrétních tranzistorů. Komparátory se navíc používají jako součást některých obvodů.

Například integrovaný časovač NE555 obsahuje až dva komparátory na vstupech, což ve skutečnosti dosahuje všech kouzel jeho práce. Navíc, mnoho moderní mikrokontroléry také mají vestavěné komparátory. Ale bez ohledu na provedení jsou principy komparátorů naprosto stejné.

Moderní komparátory v tomto schématu jsou velmi podobné operačním zesilovačům. Ve skutečnosti se jedná o stejný operační zesilovač, pouze bez zpětné vazby as velmi vysokým ziskem. Komparátor má také dva vstupy, přímé a inverzní (označené kruhem nebo znaménkem minus).

Hlavní funkcí komparátoru je porovnání dvou napětí, z nichž jedno je příkladné nebo referenční, a druhé je skutečně měřeno. Výstupní signál komparátoru může nabývat pouze dvou hodnot: logická nula a logická jednotka, ale nelze je lineárně měnit, jako operační zesilovač.

Na výstupu komparátorů je zpravidla výstup tranzistor s otevřeným kolektorem a emitorem. Proto může být připojen buď podle obvodu s OE nebo emitorovým sledovačem, v závislosti na požadavcích konkrétního obvodu, jak je znázorněno na obrázku 1.

Obrázek la ukazuje začlenění výstupního tranzistoru do obvodu se společným emitorem. V tomto případě lze na výstup kaskády připojit TTL a CMOS - logiku s napájecím napětím + 5V. Je-li CMOS - logika napájena napětím 15 V, měl by být na výstupní sběrnici + 15 V připojen horní výstup odporu 1 KΩ podle schématu.

Když je výstupní tranzistor připojen podle obvodu emitorového sledovače, jak je znázorněno na obrázku 1b, napětí na výstupu komparátoru se bude měnit v rozmezí + 15 V ... -15 V. S tímto zahrnutím se však rychlost komparátoru výrazně snižuje a navíc jsou vstupy „zaměněny“, - vstupy jsou invertovány.

Obrázek 1

Jak zkontrolovat komparátor, živý nebo neživý?

Pokud je LED postupně pájena s rezistorem R v obvodu znázorněném na obrázku la připojením anody k napájení + 5 V a napětí je přivedeno na vstupy pomocí rezistorů, pak změna těchto napětí pomocí alespoň proměnných rezistorů může způsobit, že LED bliká. V jakém pořadí použít referenční a vstupní napětí lze nalézt dále. Nechť je takové testovací schéma malým praktickým úkolem.

Logika komparátoru

Funkční schéma komparátoru je znázorněno na obrázku 2.

Obrázek 2. Funkční schéma komparátoru

S tolika vstupy a vstupními signály jsou možné dvě možnosti. V prvním případě, znázorněném na levé straně obrázku, je referenční napětí přivedeno na invertující vstup a vstupní napětí na neinvertující. Pokud vstupní napětí překročí referenční napětí, objeví se na výstupu komparátoru vysoká úroveň (log. 1). Jinak budeme mít logickou nulu.

Ve druhé verzi, znázorněné na pravé straně obrázku, je referenční napětí přivedeno na přímý vstup a vstupní napětí na inverzní. V tomto případě, pokud je vstupní napětí vyšší než referenční napětí na výstupu komparátoru, logická nula, jinak jednota. Na obrázku 2 jsou všechny tyto závěry uvedeny ve formě matematických vzorců.

Pozorný čtenář však může mít spravedlivou otázku: „Podívejte se na obrázek 1, kolik prodejen existuje! O čem tedy mluví, o jaké nule je a kde je jednotka? “ V tomto případě mluvíme o základně výstupního tranzistoru, věříme, že se jedná o výstup operačního zesilovače, do kterého jsou přiváděny vstupní signály. A výstupní tranzistor, jak je uvedeno v komentářích k obrázku 1, lze jakýmkoli způsobem zapnout.

Některé vlastnosti analogových komparátorů

Při použití komparátorů je třeba vzít v úvahu jejich vlastnosti, které lze rozdělit na statické a dynamické. Statické parametry komparátoru jsou ty, které jsou určeny v ustáleném stavu.

Nejprve to je prahová citlivost komparátoru. Je definován jako minimální rozdíl vstupních signálů, při kterých se na výstupu objeví logický signál.

Kromě vstupu a výstupu má mnoho komparátorů také výstupy pro napájení předpětí Ucm. Pomocí tohoto napětí se provede nezbytný posun přenosové charakteristiky vzhledem k ideální poloze.

Jedním z hlavních parametrů komparátoru je hystereze. Nejjednodušší způsob, jak vysvětlit tento jev, je použít příklad s konvenčním relé. Nechte provozní napětí cívky, například 12V, pak bude relé fungovat. Pokud se poté postupně sníží napájecí napětí cívky, relé se uvolní například při napětí 7V. Tento rozdíl až 5 V pro toto relé je hystereze. Relé se však znovu nezapne, pokud napětí zůstane na úrovni 7V, nestane se to. Chcete-li to provést, zvyšte napětí znovu na 12V. A pak ...

Totéž je pozorováno u komparátorů. Předpokládejme, že vstupní napětí hladce stoupá ve srovnání s referenčním napětím (signály jsou přiváděny, jak je znázorněno v levé části obrázku 2). Jakmile je vstupní napětí vyšší než referenční napětí (ne méně než hodnota prahové citlivosti), objeví se na výstupu komparátoru logická jednotka.

Pokud nyní vstupní napětí začne hladce klesat, dojde k přechodu z logické jednotky na logickou nulu, když je vstupní napětí o něco nižší než referenční napětí. Rozdíl ve vstupním napětí u těchto „nad referenční hodnotou“ a „pod referenční hodnotou“ se nazývá hystereze komparátoru. Hystereze komparátoru je způsobena přítomností pozitivní zpětné vazby v něm, která je navržena tak, aby potlačila „odrazení“ výstupního signálu při přepínání komparátoru.

Jak je komparátor

Schéma zapojení na úrovni tranzistoru je poměrně složitá, velká, není příliš jasná, ale prakticky není nutná. Jedná se o konstrukční prvky integrovaných obvodů, zdá se, že tranzistory vyčnívají všude, i když to není nutné. Proto je lepší zvážit zjednodušený funkční diagram komparátoru, který je znázorněn na obrázku 3.

Obrázek 3. Zjednodušené funkční schéma komparátoru

Diagram ukazuje vstupní diferenciální stupeň (DC), výstupní logiku a obvod posunutí úrovně.

Vstupní DC provádí hlavní zesílení rozdílového signálu a také pomocí předpojatého zařízení umožňuje provádět preferovaný stav na výstupu, který vám umožňuje zvolit typ logiky (TTL, ESL, CMOS), se kterou musíte pracovat.Toto nastavení se provádí pomocí trimovacího rezistoru připojeného ke svorkám „vyvažování“.

Komparátory brány a paměti

Některé moderní komparátory mají hradlový vstup: ke srovnání vstupních signálů dochází pouze v okamžiku dodání odpovídajícího impulsu. To vám umožní porovnat vstupní signály v okamžiku, kdy je to potřeba. Dobře, dobře, ať se vám líbí! Na obrázku 4 je znázorněno zjednodušené blokové schéma komparátoru s hradlem.

Obrázek 4. Zjednodušené blokové schéma komparátoru

Komparátory znázorněné na tomto obrázku mají parafázový výstup, jako spouště, horní výstup je přímý a dolní, označený kruhem, je přirozeně inverzní. Kromě toho je zde také zobrazena brána C.

Na obr. 4a jsou vstupní signály brány na vysoké úrovni na vstupu C. Při bráně na nízké úrovni by grafické označení na vstupu C mělo mít malý kruh (inverzní značka).

Na obr. 4b má hradlový vstup C pomlčku /, která ukazuje, že k bráně dochází podél náběžné hrany impulsu. V případě bran na padající přední stranu má pomlčka tento směr.

Signál hradlování tedy není nic jiného než rozlišení srovnání. Výsledek porovnání se může na výstupu objevit pouze během působení hradlového impulsu. Některé modely komparátorů však mají paměť (stačí pouze jedna spouště) a pamatujte si výsledek porovnání až do příštího hradlového impulsu.

Doba trvání strobního impulzu (jeho hrana) musí být dostatečná, aby vstupní signál prošel DC, než má paměťová buňka čas na spuštění. Použití hradlování zvyšuje odolnost komparátoru proti šumu, protože interference mohou změnit stav komparátoru pouze v krátkém časovém hradlovacím impulzu. Komparátor se často nazývá jednobitový ADC.

Klasifikace komparátorů

Kombinací parametrů lze komparátory rozdělit do tří velkých skupin. Jedná se o univerzální komparátory, vysokou rychlost a přesnost. V amatérské praxi se nejčastěji používají první.

Bez jakýchkoli nadpřirozených parametrů pro rychlost a amplifikaci, přítomnost hradlování a paměti, komparátory široké aplikace mají své vlastní atraktivní vlastnosti a vlastnosti. Mají nízkou spotřebu energie, schopnost pracovat při nízkém napětí a skutečnost, že v jednom případě lze umístit až čtyři komparátory. Taková „rodina“ umožňuje v některých případech vytvářet velmi užitečná zařízení. Jedno z těchto zařízení je znázorněno na obrázku 5.

Toto je nejjednodušší převodník analogového signálu na digitální jednotkový kód. Takový kód lze převést na binární pomocí digitální konverze.

Obrázek 5. Schéma převodu analogového signálu na digitální jednotkový kód

Obvod obsahuje čtyři komparátory K1 ... K4. Referenční napětí se přivede na inverzní vstupy skrz odporový dělič. Pokud je odpor rezistorů stejný, bude napětí na invertujících vstupech komparátorů n * Uop / 4, kde n je sériové číslo komparátoru. Vstupní napětí je přivedeno na neinvertující vstupy spojené dohromady. Výsledkem porovnání vstupního napětí s referenčním napětím na výstupech komparátorů je jednotný digitální kód vstupního napětí.

Podrobněji se budeme zabývat parametry univerzálních komparátorů pomocí příkladu široce rozšířeného a poměrně dostupného komparátoru LM311.

Komparátory řady LM311

Napájecí napětí a pracovní podmínky

Jak je uvedeno v datovém listu, tyto komparátory mají vstupní proudy tisíckrát menší než komparátory řady LM106 nebo LM170. Komparátory řady LM311 mají navíc širší rozsah napájecího napětí: od bipolárních ± 15V, stejně jako v operačních zesilovačích, po unipolární + 5 ... 15V.Tento široký rozsah výkonu umožňuje použití komparátorů řady LM311 ve spojení s operační zesilovače, stejně jako s různými řadami logických obvodů: TTL, CMOS, DTL a dalšími.

Kromě toho mohou komparátory LM311 přímo ovládat vinutí a relé vinutí s provozním napětím do 50 V a proudy nepřesahujícími 50 mA. Kromě LM311 existují také komparátory LM111 a LM211. Tyto mikroobvody se liší provozními podmínkami, zejména teplotou. Provozní rozsah LM311 je 0 ° C ... + 70 ° C (komerční rozsah) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (průmyslový), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (vojenský souhlas).

Úplné domácí analogy komparátoru LM311 jsou 521CA3, 554CA3 a některé další. Při výměně není nutné měnit obvod a nemusíte ani opakovat obvodovou desku. Měli byste věnovat pozornost pouze skutečnosti, že komparátory, stejně jako jiné mikroobvody, jsou k dispozici v různých případech, takže když je kupujete, měli byste tomu věnovat maximální pozornost, zejména pokud se tento nákup použije k opravě hotového zařízení.

Obrázek 7 ukazuje pinout (pinout) LM311 komparátoru, vyrobený v různých případech.

Obrázek 6. Komparátor LM311

Obrázek 7. Pinout (pinout) komparátoru LM311, vyrobený v různých případech.

O komparátorech lze vlastně napsat mnohem více. S jejich pomocí můžete dělat foto relé, tepelné relé, indikátor elektrického pole, kapacitní relé a mnoho dalších užitečných zařízení.

Několik zajímavých a užitečných obvodů lze nalézt v „datovém listu“ komparátoru LM311, kde jsou uvedeny jako typické spínací obvody. Právě v této podobě se komparátory používají poměrně často. Zde jsou pouze popisy typických schémat uvedených v „typické“ angličtině. Ale neznáte ani cizí jazyk, ale můžete to přijít, alespoň pomocí online překladače Google.

Pokračující článek: Některé jednoduché obvody komparátoru

Boris Aladyshkin