В электронике компаратор — это устройство, которое сравнивает два напряжения или тока и выдает цифровой сигнал, указывающий, какое из них больше . Он имеет две аналоговые входные клеммы и один двоичный цифровой выход . Результат в идеале
Компаратор состоит из специализированного дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления . Они обычно используются в устройствах, измеряющих и оцифровывающих аналоговые сигналы, таких как аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а также в релаксационных генераторах .
Дифференциальные напряжения должны оставаться в пределах, указанных производителем. Ранние интегрированные компараторы, такие как семейство LM111, и некоторые высокоскоростные компараторы, такие как семейство LM119, требуют диапазонов дифференциальных напряжений, существенно меньших, чем напряжения источника питания (± 15 В против 36 В). [1] Междуфазные компараторы допускают любые дифференциальные напряжения в диапазоне напряжения питания. При питании от биполярного (двойного) питания,
или при питании от униполярного ТТЛ / КМОП источника питания,
Специальные рельсовые компараторы с входными транзисторами p–n–p , такие как семейство LM139, позволяют входному потенциалу падать на 0,3 В ниже отрицательной шины питания, но не позволяют ему подниматься выше положительной шины. [2] Специальные сверхбыстродействующие компараторы, такие как LMH7322, позволяют входному сигналу колебаться ниже отрицательной и выше положительной шины, хотя и с небольшим запасом всего в 0,2 В. [3] Дифференциальное входное напряжение (напряжение между двумя входы) современного Rail-to-Rail компаратора обычно ограничивается только полным размахом источника питания.
Операционный усилитель (ОУ) имеет хорошо сбалансированный дифференциальный вход и очень высокий коэффициент усиления . Это соответствует характеристикам компараторов и может быть заменено в приложениях с низкими требованиями к производительности. [4]
Схема компаратора сравнивает два напряжения и выдает либо 1 (напряжение на положительной стороне), либо 0 (напряжение на отрицательной стороне), чтобы указать, какое из них больше. Компараторы часто используются, например, для проверки того, достиг ли вход некоторого заранее определенного значения. В большинстве случаев компаратор реализуется с использованием специальной микросхемы компаратора, но в качестве альтернативы можно использовать операционные усилители. В схемах компараторов и ОУ используются одни и те же символы.
Простая схема компаратора, выполненная с использованием операционного усилителя без обратной связи, просто сильно усиливает разницу напряжений между Vin и VREF и выводит результат как Vout. Если Vin больше, чем VREF, то напряжение на Vout поднимется до положительного уровня насыщения; то есть к напряжению на положительной стороне. Если Vin ниже, чем VREF, то Vout упадет до отрицательного уровня насыщения, равного напряжению на отрицательной стороне.
На практике эту схему можно улучшить, включив в нее диапазон гистерезисного напряжения, чтобы снизить ее чувствительность к шуму.
Из-за разницы в характеристиках операционного усилителя и компаратора использование операционного усилителя в качестве компаратора имеет ряд недостатков по сравнению с использованием специального компаратора. [5]
Компаратор состоит из дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления , выход которого совместим с логическими элементами, используемыми в цифровой схеме. Коэффициент усиления достаточно высок, поэтому очень небольшая разница между входными напряжениями приведет к насыщению выхода, выходное напряжение будет находиться либо в диапазоне низкого логического напряжения, либо в диапазоне высокого логического напряжения входа затвора. В качестве компараторов использовались аналоговые операционные усилители , однако выделенная микросхема компаратора обычно работает быстрее, чем операционный усилитель общего назначения, используемый в качестве компаратора, а также может содержать дополнительные функции, такие как точное внутреннее опорное напряжение, регулируемый гистерезис и тактовый стробируемый вход.
Специальная микросхема компаратора напряжения, такая как LM339, предназначена для взаимодействия с цифровым логическим интерфейсом (с TTL или CMOS ). Выход представляет собой двоичное состояние, которое часто используется для сопряжения сигналов реального мира с цифровыми схемами (см. Аналого-цифровой преобразователь ). Если на пути прохождения сигнала имеется источник фиксированного напряжения, например, регулируемое устройство постоянного тока, компаратор является эквивалентом каскада усилителей. Когда напряжения почти равны, выходное напряжение не попадает ни на один из логических уровней, поэтому аналоговые сигналы переходят в цифровую область с непредсказуемыми результатами. Чтобы сделать этот диапазон как можно меньшим, каскад усилителей имеет высокий коэффициент усиления. Схема состоит в основном из биполярных транзисторов . Для очень высоких частот входное сопротивление каскадов низкое. Это уменьшает насыщение медленных биполярных транзисторов с большим p – n-переходом , что в противном случае привело бы к длительному времени восстановления. Маленькие быстрые диоды Шоттки , подобные тем, которые используются в схемах двоичной логики, значительно улучшают характеристики, хотя производительность все еще отстает от характеристик схем с усилителями, использующими аналоговые сигналы. Скорость нарастания не имеет значения для этих устройств. В приложениях во флэш-АЦП распределенный сигнал по восьми портам соответствует коэффициенту усиления по напряжению и току после каждого усилителя, а резисторы тогда действуют как преобразователи уровня.
Некоторые компараторы (например, LM339) используют выход с открытым коллектором для обеспечения взаимодействия с различными семействами логических устройств. Когда на инвертирующем входе напряжение выше, чем на неинвертирующем входе, выход компаратора подключается к отрицательному источнику питания. Когда неинвертирующий вход выше, чем инвертирующий вход, выход имеет высокий импеданс , поэтому выходное напряжение в этом состоянии может быть установлено с помощью внешнего подтягивающего резистора на другое напряжение источника питания.
Хотя основную задачу компаратора, а именно сравнение двух напряжений или токов, легко понять, при выборе подходящего компаратора необходимо учитывать несколько параметров:
Хотя в целом компараторы «быстры», их схемы не застрахованы от классического компромисса между скоростью и мощностью. В высокоскоростных компараторах используются транзисторы с большим соотношением сторон и, следовательно, они также потребляют больше энергии. [6] В зависимости от применения выберите либо высокоскоростной компаратор, либо компаратор, экономящий энергию. Например, компараторы с нанопитанием в компактных корпусах размером с кристалл (UCSP), корпусах DFN или SC70, таких как MAX9027, [7] LTC1540, [8] LPV7215, [9] MAX9060, [10] и MCP6541, [11] ] идеально подходят для портативных устройств со сверхнизким энергопотреблением. Аналогично, если компаратор необходим для реализации схемы релаксационного генератора для создания высокоскоростного тактового сигнала, тогда могут подойти компараторы, имеющие задержку распространения в несколько наносекунд. ADCMP572 (выход CML), [12] LMH7220 (выход LVDS), [13] MAX999 (выход КМОП/выход TTL), [14] LT1719 (выход КМОП/выход TTL), [15] MAX9010 (выход TTL), [16 ] и MAX9601 (выход PECL), [17] являются примерами хороших высокоскоростных компараторов.
Компаратор обычно меняет свое выходное состояние, когда напряжение между его входами пересекает примерно ноль вольт. Небольшие колебания напряжения из-за шума, всегда присутствующего на входах, могут вызвать нежелательные быстрые изменения между двумя состояниями выхода, когда разность входных напряжений близка к нулю вольт. Чтобы предотвратить эти выходные колебания, во многие современные компараторы встроен небольшой гистерезис в несколько милливольт. [18] Например, LTC6702, [19] MAX9021, [20] и MAX9031, [21] имеют внутренний гистерезис, снижающий их чувствительность к входному шуму. Вместо одной точки переключения гистерезис вводит две: одну для возрастающего напряжения и одну для падающего напряжения. Разница между значением отключения верхнего уровня (VTRIP+) и значением отключения нижнего уровня (VTRIP-) равна напряжению гистерезиса (VHYST).
Если компаратор не имеет внутреннего гистерезиса или входной шум превышает внутренний гистерезис, то можно построить внешнюю цепь гистерезиса, используя положительную обратную связь от выхода к неинвертирующему входу компаратора. Полученная схема триггера Шмитта обеспечивает дополнительную помехоустойчивость и более чистый выходной сигнал. Некоторые компараторы, такие как LMP7300, [22] LTC1540, [8] MAX931, [23] MAX971, [24] и ADCMP341, [25] также обеспечивают управление гистерезисом через отдельный вывод гистерезиса. Эти компараторы позволяют добавлять программируемый гистерезис без обратной связи или сложных уравнений. Использование специального вывода гистерезиса также удобно, если импеданс источника высок, поскольку входы изолированы от сети гистерезиса. [26] При добавлении гистерезиса компаратор не может разрешать сигналы в пределах полосы гистерезиса.
Поскольку компараторы имеют только два выходных состояния, их выходы либо близки к нулю, либо близки к напряжению питания. Биполярные рельсовые компараторы имеют выход с общим эмиттером, который создает небольшое падение напряжения между выходом и каждой шиной. Это падение равно напряжению коллектор-эмиттер насыщенного транзистора. Когда выходные токи малы, выходные напряжения КМОП-компараторов, работающих на основе насыщенного МОП-транзистора, находятся ближе к напряжению на шине, чем их биполярные аналоги. [27]
По выходным характеристикам компараторы также можно разделить на двухтактные или с открытым стоком . В компараторах с выходным каскадом с открытым стоком используется внешний подтягивающий резистор для положительного источника питания, который определяет высокий логический уровень. Компараторы с открытым стоком больше подходят для проектирования систем со смешанным напряжением. Поскольку выход имеет высокий импеданс для высокого логического уровня, компараторы с открытым стоком также можно использовать для подключения нескольких компараторов к одной шине. Двухтактный выход не требует подтягивающего резистора и может также генерировать ток, в отличие от выхода с открытым стоком.
Наиболее частым применением компараторов является сравнение напряжения и стабильного опорного сигнала. Для этой цели широко используется TL431 . Большинство производителей компараторов также предлагают компараторы, в которых опорное напряжение встроено в микросхему. Объединение опорного источника и компаратора в одной микросхеме не только экономит место, но и потребляет меньший ток питания, чем компаратор с внешним опорным источником. [27] Доступны микросхемы с широким диапазоном номинальных значений, например MAX9062 (опорное значение 200 мВ), [10] LT6700 (опорное значение 400 мВ), [28] ADCMP350 (опорное значение 600 мВ), [29] MAX9025 (опорное значение 1,236 В), [7] MAX9040 (опорное напряжение 2,048 В), [30] TLV3012 (опорное напряжение 1,24 В), [31] и TSM109 (опорное напряжение 2,5 В). [32]
Непрерывный компаратор будет выводить либо «1», либо «0» каждый раз, когда на его вход подается высокий или низкий сигнал, и будет быстро меняться при обновлении входных сигналов. Однако многим приложениям выходы компаратора требуются только в определенных случаях, например, в аналого-цифровых преобразователях и памяти. Путем стробирования компаратора только через определенные интервалы времени можно достичь более высокой точности и меньшей мощности с помощью тактовой (или динамической) структуры компаратора, также называемой компаратором с фиксацией. Часто компараторы с фиксацией используют сильную положительную обратную связь для «фазы регенерации», когда тактовый сигнал высокий, и имеют «фазу сброса», когда тактовый сигнал низкий. [33] В этом отличие от непрерывного компаратора, который может использовать только слабую положительную обратную связь, поскольку нет периода сброса.
Детектор нуля определяет, когда данное значение равно нулю. Компараторы идеально подходят для сравнительных измерений с обнаружением нуля, поскольку они эквивалентны усилителю с очень высоким коэффициентом усиления, хорошо сбалансированными входами и контролируемыми пределами выходного сигнала. Схема нулевого детектора сравнивает два входных напряжения: неизвестное напряжение и опорное напряжение, обычно обозначаемое как v u и v r . Опорное напряжение обычно подается на неинвертирующий вход (+), тогда как неизвестное напряжение обычно подается на инвертирующий вход (-). (На принципиальной схеме входы будут отображаться в соответствии со знаком относительно выхода, если один из входов больше другого.) Если входы почти равны (см. ниже), выходной сигнал будет либо положительным, либо отрицательным, например ± 12 В. В случае нулевого детектора цель состоит в том, чтобы обнаружить, когда входные напряжения почти равны, что дает значение неизвестного напряжения, поскольку известно опорное напряжение.
При использовании компаратора в качестве нулевого детектора точность ограничена; нулевой выходной сигнал выдается всякий раз, когда величина разности напряжений, умноженная на коэффициент усиления усилителя, находится в пределах напряжения. Например, если коэффициент усиления равен 10 6 , а пределы напряжения составляют ±6 В, то на выходе будет ноль, если разность напряжений меньше 6 мкВ. Это можно назвать фундаментальной неопределенностью в измерении. [34]
В детекторе этого типа компаратор обнаруживает каждый раз, когда импульс переменного тока меняет полярность. Выход компаратора меняет состояние каждый раз, когда импульс меняет свою полярность, то есть выходной сигнал HI (высокий) для положительного импульса и LO (низкий) для отрицательного импульса возводит в квадрат входной сигнал. [35]
Компаратор можно использовать для создания релаксационного генератора . Он использует как положительную, так и отрицательную обратную связь. Положительная обратная связь представляет собой конфигурацию триггера Шмитта . Сам по себе триггер представляет собой бистабильный мультивибратор . Однако медленная отрицательная обратная связь , добавляемая к триггеру RC-цепью, заставляет схему автоматически колебаться. То есть добавление RC-цепи превращает гистерезисный бистабильный мультивибратор в нестабильный мультивибратор . [36]
Для этой схемы требуется только один компаратор с выходом с открытым стоком, как в LM393, [37], TLV3011, [38] или MAX9028. [7] Схема обеспечивает большую гибкость в выборе напряжения для преобразования с помощью подходящего повышающего напряжения. Он также позволяет преобразовывать биполярную логику ±5 В в униполярную логику 3 В с помощью компаратора, такого как MAX972. [24] [27]
Когда компаратор выполняет функцию определения того, находится ли входное напряжение выше или ниже заданного порога, он, по сути, выполняет 1-битное квантование . Эта функция используется практически во всех аналого-цифровых преобразователях (таких как флэш- , конвейерные, последовательное приближение , дельта-сигма-модуляция , фолдинг, интерполяция, двухскатные и другие) в сочетании с другими устройствами для достижения многобитового квантования. [39]
Компараторы также можно использовать в качестве оконных детекторов. В оконном детекторе компаратор используется для сравнения двух напряжений и определения того, является ли данное входное напряжение пониженным или повышенным.
Компараторы можно использовать для создания детекторов абсолютных значений. В детекторе абсолютного значения два компаратора и цифровой логический элемент используются для сравнения абсолютных значений двух напряжений. [40]