В электронике компаратор — это устройство, которое сравнивает два напряжения или тока и выдает цифровой сигнал, указывающий, какой из них больше. Он имеет два аналоговых входных терминала и один двоичный цифровой выход . Выход в идеале
Компаратор состоит из специализированного дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления . Они обычно используются в устройствах, которые измеряют и оцифровывают аналоговые сигналы, такие как аналого-цифровые преобразователи (АЦП), а также релаксационные генераторы .
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 дифференциального напряжения, существенно меньших, чем напряжения питания (±15 В против 36 В). [1] Компараторы Rail-to-rail допускают любые дифференциальные напряжения в пределах диапазона питания. При питании от биполярного (двойного рельса) источника питания,
или при питании от однополярного источника питания TTL / CMOS ,
Специальные компараторы rail-to-rail с транзисторами p–n–p на входе, такие как семейство LM139, позволяют входному потенциалу падать на 0,3 вольта ниже отрицательной шины питания, но не позволяют ему подниматься выше положительной шины. [2] Специальные сверхбыстрые компараторы, такие как LMH7322, позволяют входному сигналу колебаться ниже отрицательной шины и выше положительной шины, хотя и с небольшим запасом всего в 0,2 В. [3] Дифференциальное входное напряжение (напряжение между двумя входами) современного компаратора rail-to-rail 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 выводит 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 предопределенного значения. В большинстве случаев компаратор реализуется с использованием специальной ИС компаратора, но в качестве альтернативы могут использоваться операционные усилители. Схемы компараторов и схемы операционных усилителей используют 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 VREF, то напряжение на Vout поднимется до своего положительного уровня насыщения; то есть до напряжения на положительной стороне. Если Vin меньше VREF, то Vout упадет до своего 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 специализированного компаратора. [5]
Компаратор состоит из дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления , выход которого совместим с логическими вентилями, используемыми в цифровой схеме. Коэффициент усиления достаточно высок, чтобы очень небольшая разница между входными напряжениями насыщала выход, выходное напряжение будет либо в диапазоне низкого логического напряжения, либо в диапазоне высокого логического напряжения входа вентиля. Аналоговые операционные усилители использовались в качестве компараторов, однако специализированная микросхема компаратора, как правило, будет быстрее, чем операционный усилитель общего назначения, используемый в качестве компаратора, и может также содержать дополнительные функции, такие как точное внутреннее опорное напряжение, регулируемый гистерезис и вход с тактовым стробированием.
Специализированная микросхема компаратора напряжения, такая как LM339, предназначена для взаимодействия с цифровым логическим интерфейсом (с TTL или CMOS ). Выход представляет собой двоичное состояние, часто используемое для сопряжения сигналов реального мира с цифровой схемой (см. аналого-цифровой преобразователь ). Если на пути сигнала имеется фиксированный источник напряжения, например, регулируемое устройство постоянного тока, компаратор является просто эквивалентом каскада усилителей. Когда напряжения почти равны, выходное напряжение не попадет ни на один из логических уровней, поэтому аналоговые сигналы войдут в цифровую область с непредсказуемыми результатами. Чтобы сделать этот диапазон как можно меньше, каскад усилителя имеет высокий коэффициент усиления. Схема состоит в основном из биполярных транзисторов . Для очень высоких частот входное сопротивление каскадов низкое. Это снижает насыщение медленных, больших биполярных транзисторов с p–n-переходом , что в противном случае привело бы к длительному времени восстановления. Быстрые небольшие диоды Шоттки , подобные тем, что используются в двоичных логических схемах, значительно повышают производительность, хотя производительность все еще отстает от производительности схем с усилителями, использующими аналоговые сигналы. Скорость нарастания не имеет значения для этих устройств. Для приложений во флэш-АЦП распределенный сигнал по восьми портам соответствует усилению напряжения и тока после каждого усилителя, а резисторы затем ведут себя как сдвигатели уровня.
Некоторые компараторы (например, LM339) используют выход с открытым коллектором для взаимодействия с различными семействами логических схем. Когда инвертирующий вход имеет более высокое напряжение, чем неинвертирующий вход, выход компаратора подключается к отрицательному источнику питания. Когда неинвертирующий вход имеет более высокое напряжение, чем инвертирующий вход, выход имеет высокое сопротивление , поэтому выходное напряжение в этом состоянии может быть установлено внешним подтягивающим резистором на другой источник напряжения.
Хотя основную задачу компаратора, а именно сравнение двух напряжений или токов, понять легко, при выборе подходящего компаратора необходимо учитывать несколько параметров:
Хотя в целом компараторы «быстрые», их схемы не застрахованы от классического компромисса между скоростью и мощностью. Высокоскоростные компараторы используют транзисторы с большими соотношениями сторон и, следовательно, также потребляют больше энергии. [6] В зависимости от приложения выберите либо компаратор с высокой скоростью, либо тот, который экономит энергию. Например, нано-мощные компараторы в компактных корпусах (UCSP), DFN или SC70, такие как MAX9027, [7] LTC1540, [8] LPV7215, [9] MAX9060, [10] и MCP6541, [11] идеально подходят для сверхмаломощных портативных приложений. Аналогично, если компаратор необходим для реализации схемы релаксационного генератора для создания высокоскоростного тактового сигнала, то могут подойти компараторы с задержкой распространения в несколько наносекунд. ADCMP572 (выход CML), [12] LMH7220 (выход LVDS), [13] MAX999 (выход CMOS / выход TTL), [14] LT1719 (выход CMOS / выход TTL), [15] MAX9010 (выход TTL), [16] и MAX9601 (выход PECL), [17] являются примерами некоторых хороших высокоскоростных компараторов.
Компаратор обычно изменяет свое выходное состояние, когда напряжение между его входами пересекает приблизительно нулевое значение. Небольшие колебания напряжения из-за шума, всегда присутствующего на входах, могут вызвать нежелательные быстрые изменения между двумя выходными состояниями, когда разность входного напряжения близка к нулю вольт. Чтобы предотвратить это выходное колебание, во многие современные компараторы встроен небольшой гистерезис в несколько милливольт. [18] Например, LTC6702, [19] MAX9021, [20] и MAX9031, [21] имеют внутренний гистерезис, делающий их менее чувствительными к входному шуму. Вместо одной точки переключения гистерезис вводит две: одну для растущих напряжений и одну для падающих напряжений. Разница между значением отключения более высокого уровня (VTRIP+) и значением отключения более низкого уровня (VTRIP-) равна напряжению гистерезиса (VHYST).
Если компаратор не имеет внутреннего гистерезиса или если входной шум больше внутреннего гистерезиса, то можно построить внешнюю гистерезисную сеть, 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 выделенного вывода гистерезиса также удобно, если импеданс источника высок, поскольку входы изолированы от гистерезисной сети. [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 компараторы rail-to-rail 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 невелики, выходные напряжения компараторов CMOS rail-to-rail, которые полагаются на насыщенный MOSFET, находятся ближе к напряжению шины, чем их биполярные аналоги. [27]
На основе выходов компараторы также можно классифицировать как с открытым стоком или двухтактные . Компараторы с выходным каскадом с открытым стоком используют внешний подтягивающий резистор к положительному источнику питания, который определяет высокий логический уровень. Компараторы с открытым стоком больше подходят для проектирования систем со смешанным напряжением. Поскольку выход имеет высокое сопротивление для высокого логического уровня, компараторы с открытым стоком также можно использовать для подключения нескольких компараторов к одной шине. Двухтактный выход не нуждается в подтягивающем резисторе и также может быть источником тока, в отличие от выхода с открытым стоком.
Наиболее частое применение компараторов — сравнение напряжения и стабильного опорного напряжения. Для этой цели широко используется TL431 . Большинство производителей компараторов также предлагают компараторы, в которых опорное напряжение интегрировано в чип. Объединение опорного напряжения и компаратора в одном чипе не только экономит место, но и потребляет меньший ток питания, чем компаратор с внешним опорным напряжением. [27] Доступны микросхемы с широким диапазоном опорных напряжений, такие как MAX9062 (опорное напряжение 200 мВ), [10] LT6700 (опорное напряжение 400 мВ), [28] ADCMP350 (опорное напряжение 600 мВ), [29] MAX9025 (опорное напряжение 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» всякий раз, когда на его вход подается высокий или низкий сигнал, и будет быстро меняться при обновлении входов. Однако многим приложениям требуются выходы компаратора только в определенных случаях, например, в АЦП и памяти. Только стробируя компаратор через определенные интервалы, можно достичь более высокой точности и более низкой мощности с помощью тактовой (или динамической) структуры компаратора, также называемой защелкивающимся компаратором. Часто защелкивающиеся компараторы используют сильную положительную обратную связь для «фазы регенерации», когда тактовый сигнал высок, и имеют «фазу сброса», когда тактовый сигнал низкий. [33] Это контрастирует с непрерывным компаратором, который может использовать только слабую положительную обратную связь, поскольку нет периода сброса.
Нулевой детектор определяет, когда заданное значение равно нулю. Компараторы идеально подходят для сравнительных измерений обнаружения нуля, поскольку они эквивалентны усилителю с очень высоким коэффициентом усиления с хорошо сбалансированными входами и контролируемыми пределами выхода. Схема нулевого детектора сравнивает два входных напряжения: неизвестное напряжение и опорное напряжение, обычно обозначаемые как v u и v r . Опорное напряжение обычно находится на неинвертирующем входе (+), в то время как неизвестное напряжение обычно находится на инвертирующем входе (−). (На принципиальной схеме входы будут отображаться в соответствии с их знаком по отношению к выходу, когда определенный вход больше другого.) Если входы не почти равны (см. ниже), выход 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 опорное напряжение известно.
При использовании компаратора в качестве нулевого детектора точность ограничена; выходной сигнал ноль дается 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 выходной сигнал ноль будет дан, если разность напряжений будет меньше 6 мкВ. Можно было бы назвать это фундаментальной неопределенностью измерения. [34]
Для этого типа детектора компаратор обнаруживает каждый раз, когда импульс переменного тока меняет полярность. Выход компаратора меняет состояние каждый раз, когда импульс меняет полярность, то есть выход HI (высокий) для положительного импульса и LO (низкий) для отрицательного импульса, возводит входной сигнал в квадрат. [35]
Компаратор может быть использован для построения релаксационного генератора . Он использует как положительную, так и отрицательную обратную связь. Положительная обратная связь представляет собой конфигурацию триггера Шмитта . Сам по себе триггер является бистабильным мультивибратором . Однако медленная отрицательная обратная связь, добавленная к триггеру RC-цепью, заставляет схему автоматически колебаться. То есть, добавление RC-цепи превращает гистерезисный бистабильный мультивибратор в нестабильный мультивибратор . [36]
Эта схема требует только одного компаратора с открытым стоком, как в LM393, [37] TLV3011, [38] или MAX9028. [7] Схема обеспечивает большую гибкость в выборе напряжений для преобразования с помощью подходящего подтягивающего напряжения. Она также позволяет преобразовывать биполярную логику ±5 В в однополярную логику 3 В с помощью компаратора, например, MAX972. [24] [27]
Когда компаратор выполняет функцию определения, находится ли входное напряжение выше или ниже заданного порога, он по сути выполняет 1-битное квантование . Эта функция используется почти во всех аналого-цифровых преобразователях (таких как флэш , конвейер, последовательное приближение , дельта-сигма-модуляция , свертывание, интерполяция, двойной наклон и другие) в сочетании с другими устройствами для достижения многобитного квантования. [39]
Компараторы также могут использоваться в качестве оконных детекторов. В оконном детекторе компаратор используется для сравнения двух напряжений и определения того, является ли заданное входное напряжение ниже или выше напряжения.
Компараторы могут использоваться для создания детекторов абсолютных значений. В детекторе абсолютных значений два компаратора и цифровой логический вентиль используются для сравнения абсолютных значений двух напряжений. [40]