Comparatori analogici

nume comparatoare provenea din latină compara - compară. Dispozitive în care se efectuează măsurarea prin compararea cu o lucrare standard pe acest principiu. De exemplu, cântare cu brațe egale sau potențiometre electrice.

Principiul acțiunii face distincția între comparatori electrici, pneumatici, optici și chiar mecanici. Acestea din urmă sunt utilizate pentru verificarea măsurilor de lungime finală. Pentru prima dată, un comparator pentru verificarea măsurilor finale a fost aplicat la Paris de către Lenoir în 1792, deoarece există un articol în enciclopedia Brockhaus și Efron.

Acest comparator mecanic a fost utilizat pentru a verifica standardul de 1m în formarea sistemului metric francez. Precizia de măsurare a unui astfel de comparator folosind un sistem de pârghii mobile a ajuns la 0,0005mm. Pentru acea perioadă era foarte precis. Dar în acest articol nu vom lua în considerare în detaliu mecanici și alți comparatori, deoarece sarcina noastră este să comparatoare de tensiune.

Comparatoare integrate. Principiul acțiunii și soiurilor

În prezent, comparatoarele sunt utilizate în principal în proiectarea integrată. Puțini oameni s-ar gândi să asambleze un comparator din tranzistoare discrete. Mai mult, comparatoarele sunt utilizate ca parte a unor circuite.

De exemplu cronometru integrat NE555 conține până la două intrări, care, de fapt, obține tot farmecul operei sale. În plus, multe microcontrolere moderne au, de asemenea, comparatoare integrate. Dar, indiferent de execuție, principiile comparatorilor sunt exact aceleași.

Comparatorii moderni din schemă sunt foarte asemănătoare cu opamps-urile. De fapt, acesta este același amplificator operațional, doar fără feedback și cu un câștig foarte mare. Comparatorul are și două intrări, directe și invers (marcate cu un cerc sau un semn minus).

Principala funcție a comparatorului este de a compara două tensiuni, una dintre ele fiind exemplară sau de referință, iar cealaltă este măsurată efectiv. Semnalul de ieșire al comparatorului poate lua doar două valori: un zero logic și o unitate logică, dar nu poate fi modificat liniar, ca un amplificator operațional.

La ieșirea comparatorilor, de regulă, există o ieșire tranzistor cu colector deschis și emițător. Prin urmare, acesta poate fi conectat fie în funcție de un circuit cu un OE sau un adept al emițătorului, în funcție de cerințele unui anumit circuit, așa cum se arată în figura 1.

Figura 1a arată includerea unui tranzistor de ieșire într-un circuit cu un emițător comun. În acest caz, TTL și CMOS - logică cu o tensiune de alimentare de + 5V pot fi conectate la ieșirea cascadei. Dacă logica CMOS este alimentată cu o tensiune de 15V, atunci ieșirea superioară a rezistenței de 1KΩ în conformitate cu schema ar trebui să fie conectată la magistrala + 15V.

Când tranzistorul de ieșire este conectat în conformitate cu circuitul următorului emițătorului, așa cum se arată în figura 1b, tensiunea la ieșirea comparatorului va varia între + 15V ... -15V. Cu toate acestea, odată cu această includere, viteza comparatorului scade semnificativ și, în plus, intrările sunt „schimbate”, - intrările sunt inversate.

Figura 1

Cum să verifice comparatorul, viu sau nu viu?

Dacă un LED este soldat secvențial cu o rezistență R în circuitul prezentat în figura 1a prin conectarea anodului la o sursă de alimentare de + 5 V, iar tensiunea este aplicată la intrări cu ajutorul unor rezistențe, atunci schimbarea acestor tensiuni folosind rezistențe cel puțin variabile poate duce la blițul LED-ului. În ce secvență se aplică tensiunea de referință și de intrare se poate găsi în continuare. Fie o astfel de schemă de testare să fie o mică sarcină practică.

Logica comparatorului

Diagrama funcțională a comparatorului este prezentată în figura 2.

Figura 2. Schema funcțională a comparatorului

Cu atât de multe intrări și semnale de intrare, sunt posibile două opțiuni. În primul caz, prezentat în partea stângă a figurii, tensiunea de referință se aplică intrării inversate, iar tensiunea de intrare la cea care nu inversează. Dacă tensiunea de intrare depășește tensiunea de referință, la ieșirea comparatorului va apărea un nivel ridicat (log 1). În caz contrar, vom avea un zero logic.

În a doua versiune, prezentată în partea dreaptă a figurii, tensiunea de referință se aplică la intrarea directă, iar tensiunea de intrare la cea inversă. În acest caz, dacă tensiunea de intrare este mai mare decât tensiunea de referință la ieșirea comparatorului, logica zero, altfel, unitate. În figura 2, toate aceste concluzii sunt prezentate sub formă de formule matematice.

Dar aici un cititor atent poate avea o întrebare corectă: „Uitați-vă la figura 1, câte puncte de desfacere există! Deci despre care vorbește, despre ce fel de zero există și unde este unitatea aici? ” În acest caz, vorbim despre baza tranzistorului de ieșire, se crede că aceasta este ieșirea amplificatorului operațional, la care sunt furnizate semnalele de intrare. Iar tranzistorul de ieșire, așa cum este indicat în comentariile la Figura 1, poate fi pornit în orice mod.

Unele caracteristici ale comparatorilor analogici

Atunci când se utilizează comparatori, trebuie luate în considerare caracteristicile acestora, care pot fi împărțite în statice și dinamice. Parametrii statici ai comparatorului sunt cei care sunt determinați în stare constantă.

În primul rând, aceasta este sensibilitatea pragului comparatorului. Este definit ca diferența minimă a semnalelor de intrare la care apare un semnal logic la ieșire.

În plus față de intrare și ieșire, mulți comparatori au ieșiri pentru furnizarea tensiunii de polarizare Ucm. Folosind această tensiune, se realizează deplasarea necesară a caracteristicii de transfer în raport cu poziția ideală.

Unul dintre principalii parametri ai comparatorului este istereza. Cel mai simplu mod de a explica acest fenomen este să folosiți exemplul cu un releu convențional. Lăsați tensiunea de funcționare a serpentinei, de exemplu, 12V, apoi este cu ea că releul va funcționa. Dacă după aceea, reduceți treptat tensiunea de alimentare a bobinei, atunci releul se va elibera, de exemplu, la o tensiune de 7V. Această diferență de până la 5V pentru acest releu este histereză. Dar releul nu se va mai aprinde, dacă tensiunea rămâne la nivelul 7V, nu se va întâmpla. Pentru a face acest lucru, ridicați din nou tensiunea la 12V. Și apoi ...

La fel se observă și în cazul comparatorilor. Să presupunem că tensiunea de intrare crește lin în raport cu tensiunea de referință (semnalele sunt aplicate, așa cum se arată în partea din stânga din figura 2). Imediat ce tensiunea de intrare devine mai mare decât tensiunea de referință (nu mai puțin decât valoarea pragului de sensibilitate), la ieșirea comparatorului va apărea o unitate logică.

Dacă acum tensiunea de intrare începe să scadă lin, atunci trecerea de la o unitate logică la un zero logic va avea loc atunci când tensiunea de intrare este puțin mai mică decât tensiunea de referință. Diferența de tensiuni de intrare la aceste „peste referință” și „sub referință” se numește histereză a comparatorului. Istereza comparatorului se datorează prezenței unui feedback pozitiv în acesta, care este conceput pentru a suprima „respingerea” semnalului de ieșire la trecerea comparatorului.

Cum este comparatorul

Schema circuitului la nivelul tranzistorului este destul de complexă, mare, nu foarte clară, dar practic nu este necesară. Acestea sunt caracteristicile de proiectare ale circuitelor integrate, se pare că tranzistoarele stau peste tot, chiar și acolo unde nu este nevoie. Prin urmare, este mai bine să luăm în considerare o diagramă funcțională simplificată a comparatorului, care este prezentată în figura 3.

Figura 3. Schema funcțională simplificată a comparatorului

Diagrama prezintă stadiul diferențial de intrare (DC), logica de ieșire și circuitul de deplasare a nivelului.

DC-ul de intrare realizează amplificarea principală a semnalului de diferență și, de asemenea, cu ajutorul unui dispozitiv de părtinire, permite realizarea stării preferate la ieșire, ceea ce vă permite să alegeți tipul de logică (TTL, ESL, CMOS) cu care veți lucra.Această setare se realizează cu ajutorul unui rezistor de tundere conectat la bornele „echilibrare”.

Comparatori de gating și memorie

Unii comparatori moderni au o intrare de intrare: compararea semnalelor de intrare are loc numai în momentul furnizării impulsului corespunzător. Acest lucru vă permite să comparați semnalele de intrare în acel moment, în momentul în care este necesar. Ei bine, nu, ce îți place! În figura 4 este prezentată o diagramă bloc simplificată a unui comparator cu închidere.

Figura 4. Schema bloc simplificată a unui comparator

Comparatorii arătați în această figură au o ieșire cu parafază, ca un declanșator, ieșirea superioară este directă, iar cea inferioară, marcată cu un cerc, este în mod natural invers. În plus, poarta C este prezentată și aici.

În figura 4a, închiderea semnalelor de intrare este efectuată la un nivel ridicat la intrarea C. Când se face acces la un nivel scăzut, denumirea grafică la intrarea C ar trebui să aibă un cerc mic (semn de inversare).

În Fig. 4b, intrarea porții C are o liniuță /, ceea ce indică faptul că împingerea are loc la marginea în creștere a impulsului. În cazul acostării pe un front în cădere, bordul are această direcție.

Astfel, semnalul de închidere nu este altceva decât rezoluția comparației. Rezultatul comparației poate apărea la ieșire numai în timpul acțiunii impulsului porții. Dar unele modele de comparație au memorie (este suficient un singur declanșator pentru asta) și își amintesc rezultatul comparației până la venirea următorului impuls de acces.

Durata pulsului stroboscop (marginea acestuia) trebuie să fie suficientă pentru ca semnalul de intrare să treacă prin curent continuu înainte ca celula de memorie să aibă timp să se declanșeze. Utilizarea gating-ului mărește imunitatea la zgomot a comparatorului, deoarece interferența poate schimba starea comparatorului doar într-un timp scurt. Adesea, comparatorul se numește ADC cu un singur bit.

Clasificarea Comparatorilor

Printr-o combinație de parametri, comparatorii pot fi împărțiți în trei grupuri mari. Acestea sunt comparate cu scop general, de mare viteză și precizie. În practica amatorilor, primele sunt cel mai des utilizate.

Neavând parametri supranaturali pentru viteză și câștig, prezența gating-ului și a memoriei, comparatorii de aplicare largă au propriile lor caracteristici și caracteristici atractive. Au un consum redus de energie, capacitatea de a lucra la tensiune joasă și faptul că până la patru comparatori pot fi localizați într-un singur caz. O astfel de „familie” permite în unele cazuri să creeze dispozitive foarte utile. Unul dintre aceste dispozitive este prezentat în figura 5.

Acesta este cel mai simplu convertor al unui semnal analogic într-un cod unitar digital. Un astfel de cod poate fi transformat în binar folosind conversia digitală.

Figura 5. Schema de conversie a unui semnal analogic într-un cod unitar digital

Circuitul conține patru comparatori K1 ... K4. Tensiunea de referință se aplică intrărilor de inversare prin împărțitor rezistiv. Dacă rezistența rezistențelor este aceeași, atunci tensiunea la intrările inversoare ale comparatoarelor este n * Uop / 4, unde n este numărul de serie al comparatorului. Tensiunea de intrare se aplică intrărilor ne-inversoare conectate între ele. Ca rezultat al comparării tensiunii de intrare cu tensiunea de referință la ieșirile comparatoarelor, obținem un cod digital unitar al tensiunii de intrare.

Mai detaliat, vom lua în considerare parametrii comparatorilor cu scop general utilizând exemplul comparativului LM311 larg răspândit și destul de accesibil.

Comparatoare din seria LM311

Tensiunile de alimentare și condițiile de lucru

După cum este scris în fișa de date, acești comparatori au curenți de intrare de o mie de ori mai mici decât comparatoare din seria LM106 sau LM170. În plus, comparatoarele din seria LM311 au o gamă mai largă de tensiuni de alimentare: de la bipolari ± 15V, ca în amplificatoarele operaționale, la unipolare + 5 ... 15V.Această gamă largă de putere permite utilizarea comparatoarelor din seria LM311 împreună cu amplificatoare operaționale, precum și cu diverse serii de circuite logice: TTL, CMOS, DTL și altele.

În plus, comparatoarele LM311 pot controla direct lămpile și înfășurările releului cu tensiuni de funcționare de până la 50V și curenți care nu depășesc 50mA. În plus față de LM311, există și comparatori LM111 și LM211. Aceste microcircuite diferă în condiții de funcționare, în special în ceea ce privește temperatura. Domeniul de operare al LM311 este de 0 ° C ... + 70 ° C (interval comercial) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (industrial), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (acceptare militară).

Analogii interni completi ai comparatorului LM311 sunt 521CA3, 554CA3 și unii alții. Când înlocuiți, nu este necesar să schimbați circuitul și nici nu trebuie să refaceți placa de circuit. Ar trebui să acordați atenție doar faptului că comparatoarele, ca și alte microcircuite, sunt disponibile în diferite cazuri, așa că atunci când le cumpărați, ar trebui să acordați o atenție maximă acestui lucru, mai ales dacă această achiziție va fi folosită pentru repararea dispozitivului finisat.

Figura 7 prezintă pinuta (pinout) a comparatorului LM311, realizată în diferite cazuri.

Figura 6. Comparator LM311

Figura 7. Pinout (pinout) al comparatorului LM311, realizat în diferite cazuri.

De fapt, se pot scrie mult mai multe despre comparatori. Cu ajutorul lor puteți face releu foto, releu termic, indicator de câmp electric, releu capacitiv și multe alte dispozitive utile.

Mai multe circuite interesante și utile pot fi găsite în „fișa tehnică” a comparatorului LM311, unde sunt date ca circuite de comutare tipice. În această formă, comparatorii sunt folosiți destul de des. Iată doar descrieri ale schemelor tipice date în engleză „tipic”. Dar chiar și fără să cunoști o limbă străină, poți să-ți dai seama, cel puțin cu ajutorul unui traducător online Google.

Articol continuat: Unele circuite simple de comparare

Boris Aladyshkin