Analoge komparatorer

navn komparatorer kom fra latin sammenligne - sammenlign. Enheter der måling utføres ved å sammenligne med et standardarbeid med dette prinsippet. For eksempel skalaer med like arm eller elektriske potensiometre.

Handlingsprinsippet skiller mellom elektriske, pneumatiske, optiske og til og med mekaniske komparatorer. De sistnevnte brukes til å sjekke målene for sluttlengden. For første gang ble en komparator for bekreftelse av sluttiltak brukt i Paris av Lenoir i 1792, som det er en artikkel om i leksikonet Brockhaus og Efron.

Denne mekaniske komparatoren ble brukt til å sjekke 1m-standarden i dannelsen av det franske metriske systemet. Målenøyaktigheten til en slik komparator ved bruk av et system med bevegelige spaker nådde 0,0005 mm. For den tiden var det veldig nøyaktig. Men i denne artikkelen vil vi ikke i detalj vurdere mekaniske og andre komparatorer, siden oppgaven vår er å spenningskomparatorer.

Integrerte komparatorer. Handlingsprinsipp og varianter

Foreløpig brukes komparatorer hovedsakelig i integrert design. De færreste ville tenke på å sette sammen en komparator fra diskrete transistorer. Dessuten brukes komparatorer som en del av noen kretsløp.

For eksempel integrert tidtaker NE555 inneholder så mange som to komparatorer ved inngangene, som faktisk oppnår all sjarmen ved arbeidet hans. I tillegg er det mange moderne mikrokontrollere har også innebygde komparatorer. Men uansett utførelse er komparatorenes prinsipper nøyaktig de samme.

Moderne komparatorer i ordningen ligner veldig på opamps. Faktisk er dette den samme operasjonsforsterkeren, bare uten tilbakemelding og med en veldig høy forsterkning. Komparatoren har også to innganger, direkte og invers (merket med en sirkel eller minustegn).

Hovedfunksjonen til komparatoren er å sammenligne to spenninger, hvorav den ene er eksemplarisk eller referanse, og den andre faktisk måles. Utgangssignalet til komparatoren kan ta bare to verdier: en logisk null og en logisk enhet, men kan ikke endres lineært, som en operasjonsforsterker.

Som regel er det utgang til komparatorene transistor med åpen samler og emitter. Derfor kan den kobles til enten i henhold til en krets med en OE eller en emitterfølger, avhengig av kravene til en spesiell krets, som vist i figur 1.

Figur la viser inkluderingen av en utgangstransistor i en krets med en felles sender. I dette tilfellet kan TTL og CMOS - logikk med en forsyningsspenning på + 5V kobles til utgangen fra kaskaden. Hvis CMOS-logikken drives av en spenning på 15V, skal topputgangen til 1Kohm-motstanden i henhold til skjemaet kobles til + 15V strømbussen.

Når utgangstransistoren er koblet i henhold til emitter-følgerkretsen, som vist i figur 1b, vil spenningen ved komparatorens utgang variere innen + 15V ... -15V. Imidlertid, med denne inkluderingen, reduserer komparatorens hastighet betydelig, og i tillegg blir inngangene "byttet", - inngangene blir invertert.

Figur 1

Hvordan sjekke komparatoren, i live eller ikke i live?

Hvis en LED sekvensielt blir loddet med en motstand R i kretsen vist i figur 1a ved å koble anoden til en + 5V strømforsyning, og spenning blir påført inngangene ved å bruke motstander, kan endring av disse spenningene ved bruk av minst variable motstand få LEDen til å blinke. I hvilken sekvens som skal brukes referanse og inngangsspenning kan du finne videre. La en slik prøveordning være en liten praktisk oppgave.

Komparatorens logikk

Funksjonelt diagram over komparatoren er vist i figur 2.

Figur 2. Funksjonsdiagram av komparatoren

Med så mange innganger og inngangssignaler er to alternativer mulige. I det første tilfellet, vist på venstre side av figuren, blir referansespenningen påført den inverterende inngangen, og inngangsspenningen til den ikke-inverterende. Hvis inngangsspenningen overstiger referansespenningen, vil det vises et høyt nivå ved komparatorens utgang (log. 1). Ellers vil vi ha en logisk null.

I den andre versjonen, vist på høyre side av figuren, blir referansespenningen påført direkte inngang, og inngangsspenningen til den inverterende. I dette tilfellet, hvis inngangsspenningen er større enn referansespenningen ved utgangen fra komparatoren, logisk null, ellers, enhet. I figur 2 er alle disse konklusjonene vist i form av matematiske formler.

Men her kan en oppmerksom leser ha et rettferdig spørsmål: “Se på figur 1, hvor mange utsalgssteder det er! Så hvilken snakker de om, hva slags null er det, og hvor er enheten her? ” I dette tilfellet snakker vi om basen til utgangstransistoren, det antas at dette er utgangen fra driftsforsterkeren, som inngangssignalene leveres til. Og utgangstransistoren, som indikert i kommentarene til figur 1, kan slås på på noen måte.

Noen egenskaper ved analoge komparatorer

Når du bruker komparatorer, må det tas hensyn til deres egenskaper, som kan deles inn i statisk og dynamisk. De statiske parametrene til komparatoren er de som bestemmes i jevn tilstand.

Først av alt er dette terskelfølsomheten til komparatoren. Det er definert som minste forskjell på inngangssignalene som et logisk signal vises ved utgangen.

I tillegg til inngang og utgang, har mange komparatorer utganger for tilførsel av skjevspenning Ucm. Ved bruk av denne spenningen utføres det nødvendige skiftet av overføringskarakteristikken i forhold til den ideelle posisjonen.

En av hovedparametrene til komparatoren er hysterese. Den enkleste måten å forklare dette fenomenet er å bruke eksemplet med et konvensjonelt stafett. La driftsspenningen til spolen, for eksempel 12V, så er det med det reléet vil fungere. Hvis du gradvis reduserer spolens forsyningsspenning, vil reléet for eksempel frigjøre ved en spenning på 7V. Denne forskjellen på så mye som 5V for dette stafetten er hysterese. Men reléet vil ikke slå på igjen, hvis spenningen holder seg på 7V-nivået, vil det ikke skje. For å gjøre dette, løft spenningen igjen til 12V. Og så ...

Det samme observeres med komparatorer. Anta at inngangsspenningen stiger jevnt i forhold til referansespenningen (signaler påføres, som vist i venstre del av figur 2). Så snart inngangsspenningen blir høyere enn referansespenningen (ikke mindre enn terskelfølsomhetsverdien), vil det vises en logisk enhet ved komparatorens utgang.

Hvis inngangsspenningen nå begynner å avta jevnt, vil overgangen fra en logisk enhet til en logisk null skje når inngangsspenningen er litt lavere enn referansespenningen. Forskjellen i inngangsspenninger ved disse "over referansen" og "under referansen" kalles komparatorens hysterese. Hysteresen til komparatoren skyldes tilstedeværelsen av positive tilbakemeldinger i den, som er designet for å undertrykke "avvisningen" av utgangssignalet når du bytter komparator.

Hvordan er komparatoren

Kretsdiagrammet på transistornivå er ganske sammensatt, stort, lite tydelig, men praktisk talt ikke nødvendig. Dette er designfunksjonene til integrerte kretsløp, det ser ut til at transistorer stikker ut overalt, selv der det ikke er nødvendig. Derfor er det bedre å vurdere et forenklet funksjonsdiagram av komparatoren, som er vist i figur 3.

Figur 3. Forenklet funksjonsdiagram av komparatoren

Diagrammet viser inngangs differensialtrinnet (DC), utgangslogikken og nivåskiftkretsen.

Inngangsstrømmen utfører hovedforsterkningen av differansesignalet, og også ved hjelp av en forspenningsenhet gjør det mulig å utføre den foretrukne tilstanden ved utgangen, som lar deg velge hvilken type logikk (TTL, ESL, CMOS) som du må jobbe med.Denne innstillingen utføres ved hjelp av en trimmemotstand koblet til terminalene "balansering".

Gates og hukommelseskomparatorer

Noen moderne komparatorer har en gating-inngang: sammenligningen av inngangssignaler skjer bare i tilførselsøyeblikket for den tilsvarende puls. Dette lar deg sammenligne inngangssignalene i det øyeblikket når det kreves. Vel, akkurat hva du vil! Et forenklet blokkskjema over en komparator med inngangsport er vist i figur 4.

Figur 4. Forenklet blokkskjema over en komparator

De komparatorene som er vist i dette figuren har en parafaseutgang, som en utløser, den øvre utgangen er direkte, og den nedre, merket med en sirkel, er naturlig invers. I tillegg er også port C vist her.

I fig. 4a er inngangssignalene inngjerdet på et høyt nivå ved inngang C. Når portene på et lavt nivå, skal den grafiske betegnelsen ved inngang C ha en liten sirkel (inversjonstegn).

På fig. 4b har portinngangen C en streke /, som indikerer at porten oppstår på stigende kant av pulsen. Når det gjelder port på en fallende front, har streken denne retningen.

Dermed er gatesignalet ikke annet enn oppløsningen av sammenligningen. Resultatet av sammenligningen kan vises ved utgangen bare under portens puls. Men noen komparatormodeller har minne (bare en trigger er nok for dette) og husk sammenligningsresultatet til neste gatingpuls kommer.

Varigheten av strobepulsen (dens kant) må være tilstrekkelig for at inngangssignalet skal passere gjennom likestrømmen før minnecellen har tid til å utløse. Bruken av portene øker komparatorens støyimmunitet, siden interferens kan endre komparatorens tilstand bare på kort tid. Ofte kalles komparatoren en enbits ADC.

Klassifisering av komparatorer

Ved en kombinasjon av parametere kan komparatorer deles inn i tre store grupper. Dette er komparatorer til generell bruk, høy hastighet og presisjon. I amatørpraksis blir de førstnevnte ofte brukt.

Ikke har noen overnaturlige parametere for hastighet og forsterkning, tilstedeværelsen av port og minne, har komparatorer med bred applikasjon sine egne attraktive egenskaper og funksjoner. De har lavt strømforbruk, evnen til å jobbe ved lav spenning, og det faktum at opptil fire komparatorer kan være lokalisert i ett tilfelle. En slik "familie" lar i noen tilfeller lage veldig nyttige enheter. En av disse enhetene er vist på figur 5.

Dette er den enkleste omformeren av et analogt signal til en digital enhetskode. En slik kode kan konverteres til binær ved bruk av digital konvertering.

Figur 5. Skjema for konvertering av et analogt signal til en digital enhetskode

Kretsen inneholder fire komparatorer K1 ... K4. Referansespenningen tilføres de inverterende inngangene gjennom resistiv skillelinje. Hvis motstanden til motstandene er den samme, er spenningen ved inverteringsinngangene til komparatorene n * Uop / 4, hvor n er serienummeret til komparatoren. Inngangsspenning tilføres de ikke-inverterende inngangene som er koblet sammen. Som et resultat av å sammenligne inngangsspenningen med referansespenningen ved utgangene til komparatorene, får vi en enhetlig digital kode for inngangsspenningen.

Mer detaljert vil vi vurdere parametrene til sammenligningsformål til generelle formål ved å bruke eksemplet på den omfattende og ganske rimelige komparatoren LM311.

Sammenlignere av LM311-serien

Forsyningsspenninger og arbeidsforhold

Som skrevet i databladet, har disse komparatorene inngangsstrømmer tusen ganger mindre enn komparatorer av serien LM106 eller LM170. I tillegg har komparatorene i LM311-serien et bredere spekter av forsyningsspenninger: fra bipolar ± 15V, som i driftsforsterkere, til unipolar + 5 ... 15V.Dette brede kraftsortimentet tillater bruk av komparatorene i LM311-serien i forbindelse med driftsforsterkere, så vel som med forskjellige serier med logiske kretsløp: TTL, CMOS, DTL og andre.

I tillegg kan LM311-komparatorene styre lampene og reléviklingene direkte med driftsspenninger opp til 50V og strømmer som ikke overstiger 50 mA. I tillegg til LM311, er det også komparatorer LM111 og LM211. Disse mikrokretsene er forskjellige i driftsforhold, hovedsakelig i temperatur. Driftsområdet for LM311 er 0 ° C ... + 70 ° C (kommersielt område) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (industriell), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (militær aksept).

Fulle innenlandske analoger av LM311-komparatoren er 521CA3, 554CA3 og noen andre. Når du bytter ut, trenger du ikke bytte krets og trenger ikke engang gjøre om kretskortet. Du bør bare ta hensyn til det faktum at komparatorer, som andre mikrokretser, er tilgjengelige i forskjellige tilfeller, så når du kjøper dem, bør du være mest oppmerksom på dette, spesielt hvis dette kjøpet vil bli brukt til å reparere den ferdige enheten.

Figur 7 viser pinout (pinout) til LM311-komparatoren, laget i forskjellige tilfeller.

Figur 6. Sammenligning LM311

Figur 7. Pinout (pinout) av LM311-komparatoren, laget i forskjellige tilfeller.

Egentlig kan det skrives mye mer om komparatorer. Med deres hjelp kan du gjøre foto stafett, termisk relé, elektrisk feltindikator, kapasitivt relé og mange andre nyttige enheter.

Flere interessante og nyttige kretser kan finnes i "databladet" til LM311-komparatoren, der de er gitt som typiske svitsjekretser. Det er i denne formen komparatorer blir brukt ganske ofte. Her er bare beskrivelser av typiske ordninger gitt på "typisk", engelsk. Men selv uten å ha et fremmedspråk, kan du finne ut av det, i det minste med hjelp av en online oversetter Google.

Fortsatt artikkel: Noen enkle komparatorkretser

Boris Aladyshkin

Comments

[#1 Nicholas]

Takk for artikkelen! Jeg er veldig takknemlig for deg, alt er enkelt og rimelig. Jeg tror denne artikkelen vil være nyttig for mange, den er lettere å forstå fra det grunnleggende og senere implementere den.

[#2 herlighet]

Alt er i orden, men det er vanligvis ingen hysterese i komparatorer. Det oppnås ved å koble inngangen "+" gjennom en skillelinje på motstandene til utgangen. Hystereseverdien bestemmes av verdien av skillemotstanden.

[#3 Aleksey]

Tusen takk for artikkelen, det hjalp mye.