Comparateurs analogiques

Le titre comparateurs est venu du latin comparer - comparer. Appareils dans lesquels la mesure est effectuée en comparant avec un travail standard sur ce principe. Par exemple, des échelles à bras égaux ou des potentiomètres électriques.

Le principe d'action distingue les comparateurs électriques, pneumatiques, optiques et même mécaniques. Ces derniers sont utilisés pour vérifier les mesures de longueur d'extrémité. Pour la première fois, un comparateur pour vérifier les mesures finales a été appliqué à Paris par Lenoir en 1792, comme il y a un article dans l'encyclopédie de Brockhaus et Efron.

Ce comparateur mécanique a été utilisé pour vérifier la norme de 1 m dans la formation du système métrique français. La précision de mesure d'un tel comparateur utilisant un système de leviers mobiles atteint 0,0005 mm. Pour l'époque, c'était très précis. Mais dans cet article, nous ne considérerons pas en détail les comparateurs mécaniques et autres, car notre tâche est de comparateurs de tension.

Comparateurs intégrés. Principe d'action et variétés

Actuellement, les comparateurs sont principalement utilisés dans la conception intégrée. Peu de gens penseraient à assembler un comparateur à partir de transistors discrets. De plus, des comparateurs sont utilisés dans le cadre de certains circuits.

Par exemple minuterie intégrée NE555 contient jusqu'à deux comparateurs aux entrées, ce qui, en fait, atteint tout le charme de son travail. En outre, de nombreux microcontrôleurs modernes ont également des comparateurs intégrés. Mais, quelle que soit l'exécution, les principes des comparateurs sont exactement les mêmes.

Les comparateurs modernes du schéma sont très similaires aux amplis-op. En fait, il s'agit du même amplificateur opérationnel, uniquement sans rétroaction et avec un gain très élevé. Le comparateur possède également deux entrées, directe et inverse (marquées d'un cercle ou d'un signe moins).

La fonction principale du comparateur est de comparer deux tensions, dont l'une est exemplaire ou de référence, et l'autre est réellement mesurée. Le signal de sortie du comparateur ne peut prendre que deux valeurs: un zéro logique et une unité logique, mais ne peut pas être modifié linéairement, comme un amplificateur opérationnel.

A la sortie des comparateurs, en règle générale, il y a une sortie transistor avec collecteur ouvert et émetteur. Par conséquent, il peut être connecté soit selon un circuit avec un équipement d'origine ou un émetteur suiveur, selon les exigences d'un circuit particulier, comme le montre la figure 1.

La figure 1a montre l'inclusion d'un transistor de sortie dans un circuit avec un émetteur commun. Dans ce cas, TTL et CMOS - logique avec une tension d'alimentation de + 5V peuvent être connectés à la sortie de la cascade. Si la logique CMOS est alimentée par une tension de 15V, la sortie supérieure de la résistance 1Kohm selon le schéma doit être connectée au bus d'alimentation + 15V.

Lorsque le transistor de sortie est connecté conformément au circuit émetteur-suiveur, comme le montre la figure 1b, la tension à la sortie du comparateur variera entre + 15V ... -15V. Cependant, avec cette inclusion, la vitesse du comparateur diminue considérablement et, en outre, les entrées sont «permutées», - les entrées sont inversées.

Figure 1

Comment vérifier le comparateur, vivant ou non vivant?

Si une LED est soudée séquentiellement avec une résistance R dans le circuit illustré à la figure 1a en connectant l'anode à une alimentation + 5 V, et qu'une tension est appliquée aux entrées à l'aide de résistances, puis la modification de ces tensions à l'aide d'au moins des résistances variables peut faire clignoter la LED. Dans quel ordre appliquer la référence et la tension d'entrée peuvent être trouvées plus loin. Que ce schéma de test soit une petite tâche pratique.

La logique du comparateur

Le schéma fonctionnel du comparateur est illustré à la figure 2.

Figure 2. Diagramme fonctionnel du comparateur

Avec autant d'entrées et de signaux d'entrée, deux options sont possibles. Dans le premier cas, représenté sur le côté gauche de la figure, la tension de référence est appliquée à l'entrée inverseuse et la tension d'entrée à l'entrée non inverseuse. Si la tension d'entrée dépasse la tension de référence, un niveau élevé apparaît à la sortie du comparateur (log. 1). Sinon, nous aurons un zéro logique.

Dans la deuxième version, illustrée sur le côté droit de la figure, la tension de référence est appliquée à l'entrée directe et la tension d'entrée à l'inverseur. Dans ce cas, si la tension d'entrée est supérieure à la tension de référence à la sortie du comparateur, zéro logique, sinon, unité. Dans la figure 2, toutes ces conclusions sont présentées sous forme de formules mathématiques.

Mais ici, un lecteur attentif peut avoir une question juste: «Regardez la figure 1, combien il y a de points de vente! Alors de qui parle-t-on, de quel type de zéro est-il, et où est l'unité ici? » Dans ce cas, nous parlons de la base du transistor de sortie, on pense que c'est la sortie de l'amplificateur opérationnel, à laquelle les signaux d'entrée sont fournis. Et le transistor de sortie, comme indiqué dans les commentaires de la figure 1, peut être activé de n'importe quelle manière.

Quelques caractéristiques des comparateurs analogiques

Lors de l'utilisation de comparateurs, leurs caractéristiques doivent être prises en compte, qui peuvent être divisées en statiques et dynamiques. Les paramètres statiques du comparateur sont ceux qui sont déterminés en régime permanent.

Il s'agit tout d'abord de la sensibilité seuil du comparateur. Elle est définie comme la différence minimale des signaux d'entrée à laquelle un signal logique apparaît à la sortie.

En plus de l'entrée et de la sortie, de nombreux comparateurs ont des sorties pour fournir une tension de polarisation Ucm. En utilisant cette tension, le décalage nécessaire de la caractéristique de transfert par rapport à la position idéale est effectué.

L'hystérésis est l'un des principaux paramètres du comparateur. La façon la plus simple d'expliquer ce phénomène est d'utiliser l'exemple avec un relais conventionnel. Laissez la tension de fonctionnement de la bobine, par exemple 12V, alors c'est avec elle que le relais fonctionnera. Si après cela, réduisez progressivement la tension d'alimentation de la bobine, le relais se relâche, par exemple, à une tension de 7V. Cette différence de 5 V pour ce relais est une hystérésis. Mais le relais ne se réactivera pas, si la tension reste au niveau 7V, cela ne se produira pas. Pour ce faire, augmentez à nouveau la tension à 12V. Et puis ...

La même chose est observée avec les comparateurs. Supposons que la tension d'entrée augmente en douceur par rapport à la tension de référence (des signaux sont appliqués, comme illustré dans la partie gauche de la figure 2). Dès que la tension d'entrée devient supérieure à la tension de référence (pas moins que la valeur seuil de sensibilité), une unité logique apparaît à la sortie du comparateur.

Si la tension d'entrée commence maintenant à diminuer en douceur, alors la transition d'une unité logique à un zéro logique se produira lorsque la tension d'entrée est légèrement inférieure à la tension de référence. La différence de tensions d'entrée à ces valeurs «supérieures à la référence» et «inférieures à la référence» est appelée l'hystérésis du comparateur. L'hystérésis du comparateur est due à la présence d'une rétroaction positive en son sein, qui est conçue pour supprimer le "rebond" du signal de sortie lors de la commutation du comparateur.

Comment est le comparateur

Le schéma de circuit au niveau du transistor est assez complexe, grand, pas très clair, mais pratiquement pas nécessaire. Ce sont les caractéristiques de conception des circuits intégrés, il semble que les transistors dépassent partout, même lorsqu'ils ne sont pas nécessaires. Par conséquent, il est préférable de considérer un diagramme fonctionnel simplifié du comparateur, qui est illustré à la figure 3.

Figure 3. Diagramme fonctionnel simplifié du comparateur

Le diagramme montre l'étage différentiel d'entrée (DC), la logique de sortie et le circuit de décalage de niveau.

L'entrée DC réalise l'amplification principale du signal de différence, et aussi, à l'aide d'un dispositif de polarisation, elle permet de réaliser l'état préféré en sortie, ce qui vous permet de choisir le type de logique (TTL, ESL, CMOS) avec laquelle vous devez travailler.Ce réglage est effectué à l'aide d'une résistance de trim connectée aux bornes "équilibrage".

Comparateurs de portes et de mémoire

Certains comparateurs modernes ont une entrée gating: la comparaison des signaux d'entrée ne se produit qu'au moment de la fourniture de l'impulsion correspondante. Cela vous permet de comparer les signaux d'entrée au moment où cela est nécessaire. Eh bien, tout ce que vous aimez! Un schéma de principe simplifié d'un comparateur avec déclenchement est illustré à la figure 4.

Figure 4. Schéma fonctionnel simplifié d'un comparateur

Les comparateurs montrés sur cette figure ont une sortie en paraphase, comme un déclencheur, la sortie supérieure est directe et l'inférieure, marquée d'un cercle, est naturellement inverse. De plus, la porte C est également représentée ici.

Sur la figure 4a, les signaux d'entrée sont déclenchés à un niveau élevé à l'entrée C. Lors d'un déclenchement à un niveau bas, la désignation graphique à l'entrée C doit avoir un petit cercle (signe d'inversion).

Sur la figure 4b, l'entrée de porte C a un tiret /, qui indique que le déclenchement se produit sur le front montant de l'impulsion. Dans le cas d'une porte sur un front descendant, le tiret a cette direction.

Ainsi, le signal de déclenchement n'est rien d'autre que la résolution de la comparaison. Le résultat de la comparaison ne peut apparaître en sortie que pendant l'action de l'impulsion de grille. Mais certains modèles de comparateur ont de la mémoire (un seul déclencheur suffit) et se souviennent du résultat de la comparaison jusqu'à l'arrivée de la prochaine impulsion de déclenchement.

La durée de l'impulsion stroboscopique (son front) doit être suffisante pour que le signal d'entrée passe à travers le DC avant que la cellule de mémoire n'ait le temps de se déclencher. L'utilisation du déclenchement augmente l'immunité au bruit du comparateur, car les interférences ne peuvent changer l'état du comparateur que dans une courte impulsion de déclenchement. Souvent, le comparateur est appelé ADC à bit unique.

Classification des comparateurs

Par une combinaison de paramètres, les comparateurs peuvent être divisés en trois grands groupes. Ce sont des comparateurs à usage général, haute vitesse et précision. Dans la pratique amateur, les premiers sont le plus souvent utilisés.

N'ayant pas de paramètres surnaturels pour la vitesse et le gain, la présence de portes et de mémoire, les comparateurs d'application large ont leurs propres propriétés et caractéristiques attrayantes. Ils ont une faible consommation d'énergie, la capacité de travailler à basse tension et le fait que jusqu'à quatre comparateurs peuvent être situés dans un seul boîtier. Une telle "famille" permet dans certains cas de créer des appareils très utiles. L'un de ces appareils est illustré à la figure 5.

Il s'agit du convertisseur le plus simple d'un signal analogique en un code unitaire numérique. Un tel code peut être converti en binaire en utilisant la conversion numérique.

Figure 5. Schéma de conversion d'un signal analogique en un code unitaire numérique

Le circuit contient quatre comparateurs K1 ... K4. La tension de référence est appliquée aux entrées inverseuses via diviseur résistif. Si la résistance des résistances est la même, alors la tension aux entrées inverseuses des comparateurs est n * Uop / 4, où n est le numéro de série du comparateur. La tension d'entrée est appliquée aux entrées non inverseuses connectées ensemble. À la suite de la comparaison de la tension d'entrée avec la tension de référence aux sorties des comparateurs, nous obtenons un code numérique unitaire de la tension d'entrée.

Plus en détail, nous examinerons les paramètres des comparateurs à usage général en utilisant l'exemple du comparateur répandu et assez abordable LM311.

Comparateurs de la série LM311

Tensions d'alimentation et conditions de travail

Comme indiqué dans la fiche technique, ces comparateurs ont des courants d'entrée mille fois plus faibles que comparateurs des séries LM106 ou LM170. De plus, les comparateurs de la série LM311 ont une plus large gamme de tensions d'alimentation: de bipolaire ± 15V, comme dans les amplificateurs opérationnels, à unipolaire + 5 ... 15V.Cette large gamme de puissance permet l'utilisation des comparateurs de la série LM311 en conjonction avec amplificateurs opérationnels, ainsi qu'avec diverses séries de circuits logiques: TTL, CMOS, DTL et autres.

De plus, les comparateurs LM311 peuvent contrôler directement les lampes et les enroulements de relais avec des tensions de fonctionnement jusqu'à 50 V et des courants ne dépassant pas 50 mA. En plus du LM311, il existe également des comparateurs LM111 et LM211. Ces microcircuits diffèrent dans les conditions de fonctionnement, principalement en température. La plage de fonctionnement du LM311 est de 0 ° C ... + 70 ° C (gamme commerciale) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (industriel), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (acceptation militaire).

Les analogues domestiques complets du comparateur LM311 sont les 521CA3, 554CA3 et quelques autres. Lors du remplacement, vous n'avez pas besoin de changer le circuit et vous n'avez même pas à refaire le circuit imprimé. Vous ne devez faire attention qu'au fait que les comparateurs, comme d'autres microcircuits, sont disponibles dans différents cas, donc lorsque vous les achetez, vous devez y prêter une attention maximale, surtout si cet achat sera utilisé pour réparer l'appareil fini.

La figure 7 montre le brochage (brochage) du comparateur LM311, réalisé dans divers cas.

Figure 6. Comparateur LM311

Figure 7. Brochage (brochage) du comparateur LM311, réalisé dans divers cas.

En fait, beaucoup plus peut être écrit sur les comparateurs. Avec leur aide, vous pouvez faire relais photo, relais thermique, indicateur de champ électrique, relais capacitif et de nombreux autres dispositifs utiles.

Plusieurs circuits intéressants et utiles peuvent être trouvés dans la "fiche technique" du comparateur LM311, où ils sont donnés comme des circuits de commutation typiques. C'est sous cette forme que les comparateurs sont utilisés assez souvent. Voici juste des descriptions de schémas typiques donnés en anglais "typique". Mais même sans connaître une langue étrangère, vous pouvez le découvrir, au moins avec l'aide d'un traducteur en ligne Google.

Suite de l'article: Quelques circuits de comparaison simples

Boris Aladyshkin