3.12. Аналоговые компараторы

Общие сведения

Компаратор – это сравнивающее устройство. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения непрерывно изменяющихся сигналов. Входные аналоговые сигналы компаратора суть UВХ – анализируемый сигнал и UОП – опорный сигнал сравнения, а выходной UВЫХ – дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации:

                                  (3.13)

Выходной сигнал компаратора почти всегда действует на входы логических цепей и потому согласуется по уровню и мощности с их входами. Таким образом, компаратор – это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам, поэтому его иногда называют однобитным аналого-цифровым преобразователем.

Неопределенность состояния выхода компаратора при нулевой разности входных сигналов нет необходимости уточнять, так как реальный компаратор всегда имеет либо конечный коэффициент усиления, либо петлю гистерезиса (рис. 3.26).

Чтобы выходной сигнал компаратора изменился на конечную величину

|U1ВЫХ – U0ВЫХ|

при бесконечно малом изменении входного сигнала, компаратор должен иметь бесконечно большой коэффициент усиления (рис. 3.27, б) при полном отсутствии шумов во входном сигнале. Такую характеристику можно имитировать двумя способами – или просто использовать усилитель с очень большим коэффициентом усиления, или ввести положительную обратную связь.

Рассмотрим первый путь. Как бы велико усиление не было, при UВХ близком к нулю характеристика будет иметь вид (см. рис. 3.26, а). Это приведет к двум неприятным последствиям. Прежде всего, при очень медленном изменении UВХ выходной сигнал также будет изменяться замедленно, что плохо отразится на работе последующих логических схем (рис. 3.27, в). Еще хуже то, что при таком медленном изменении UВХ около нуля выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием помех. Это явление  называют «дребезг» (рис. 3.27). Это приведет к ложным срабатываниям в логических элементах и к огромным динамическим потерям в силовых ключах. Для устранения этого явления обычно вводят положительную обратную связь, которая обеспечивает переходной характеристике компаратора гистерезис (см. рис. 3.26, б). Наличие гистерезиса хотя и вызывает некоторую задержку в переключении компаратора (рис. 3.27, д), но существенно уменьшает или даже устраняет дребезг UВЫХ.

В качестве компаратора может быть использован операционный усилитель (рис. 3.28) Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD1 и диод VD2.

Пусть R1 = R2. Если UВХ – UОП > 0, то диод VD2 открыт, и выходное напряжение схемы небольшое отрицательное, равное падению напряжения на открытом диоде. При UВХ – UОП < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации (UСТ). Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных микросхем, входы которых подключены к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме.

Многие типы ОУ не допускают сколько-нибудь существенное входное дифференциальное напряжение. Включение по схеме (см. рис. 3.28) обеспечивает работу ОУ в режиме компаратора практически с нулевыми дифференциальными и синфазными входными напряжениями. Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в линейном режиме со 100 %-й обратной связью. Используя для построения компаратора обычные ОУ, трудно получить время переключения менее 1 мкс.