Analoga komparatorer

namn komparatorer kom från latinska jämför - jämför. Enheter där mätningen utförs genom att jämföra med standardarbetet enligt denna princip. Till exempel vågar med lika arm eller elektriska potentiometrar.

Handlingsprincipen skiljer mellan elektriska, pneumatiska, optiska och till och med mekaniska komparatorer. De senare används för att kontrollera mått på slutlängden. För första gången applicerades en komparator för verifiering av slutåtgärder i Paris av Lenoir 1792, eftersom det finns en artikel i uppslagsverket Brockhaus och Efron.

Denna mekaniska komparator användes för att kontrollera 1 m-standarden vid bildandet av det franska metriska systemet. Mätnoggrannheten för en sådan komparator med ett system med rörliga spakar nådde 0,0005 mm. För den tiden var det mycket korrekt. Men i den här artikeln kommer vi inte i detalj att överväga mekaniska och andra komparatorer, eftersom vår uppgift är att spänningskomparatorer.

Integrerade komparatorer. Handlingsprincip och sorter

För närvarande används komparatorer främst i integrerad design. Få människor skulle tänka på att montera en komparator från diskreta transistorer. Dessutom används komparatorer som en del av vissa kretsar.

Till exempel integrerad timer NE555 innehåller så många som två komparatorer vid ingångarna, som faktiskt uppnås all charm i hans arbete. Dessutom många moderna mikrokontroller har också inbyggda komparatorer. Men oavsett exekvering är komparatorernas principer exakt desamma.

Moderna komparatorer i schemat liknar opampar. I själva verket är detta samma operativa förstärkare, bara utan feedback och med en mycket hög förstärkning. Jämföraren har också två ingångar, direkt och invers (markerad med en cirkel eller minustecken).

Komparatorns huvudfunktion är att jämföra två spänningar, varav en är exemplifierande eller referens, och den andra mäts faktiskt. Komparatorns utsignal kan endast ta två värden: en logisk noll och en logisk enhet, men kan inte ändras linjärt, som en operationsförstärkare.

Vid komparatorernas utgång finns det som regel en utgång transistor med öppen samlare och emitter. Därför kan den anslutas antingen enligt en krets med en OE eller en emitterföljare, beroende på kraven för en viss krets, såsom visas i figur 1.

Fig. La visar införandet av en utgångstransistor i en krets med en gemensam sändare. I detta fall kan TTL och CMOS - logik med en matningsspänning på + 5V anslutas till kaskadens utgång. Om CMOS-logiken drivs av en spänning på 15V, bör topputgången på 1KΩ-motståndet enligt schemat anslutas till + 15V kraftbussen.

När utgångstransistorn är ansluten enligt emitterföljarkretsen, såsom visas i figur Ib, kommer spänningen vid komparatorns utgång att variera inom + 15V ... -15V. Men med denna inkludering minskar komparatorns hastighet avsevärt, och dessutom "byts" ingångarna på platser - ingångarna inverteras.

Figur 1

Hur kontrollerar jag komparatorn, levande eller inte levande?

Om en lysdiod sekvensiellt är lödd med ett motstånd R i kretsen som visas i figur 1a genom att ansluta anoden till en + 5V strömförsörjning, och spänning appliceras på ingångarna med hjälp av motstånd, kan ändring av dessa spänningar med åtminstone variabla motstånd få lysdioden att blinka. I vilken sekvens som ska tillämpas kan referens- och ingångsspänningen hittas ytterligare. Låt ett sådant testschema vara en liten praktisk uppgift.

Jämförarens logik

Funktionsdiagram över komparatorn visas i figur 2.

Figur 2. Funktionsdiagram över komparatorn

Med så många ingångar och insignaler är två alternativ möjliga. I det första fallet, som visas på vänster sida av figuren, appliceras referensspänningen på inverteringsingången, och ingångsspänningen till den icke-inverterande. Om ingångsspänningen överskrider referensspänningen visas en hög nivå vid komparatorns utgång (log. 1). Annars har vi en logisk noll.

I den andra versionen, som visas på höger sida av figuren, appliceras referensspänningen på direktingången och ingångsspänningen till den inverterande. I detta fall, om ingångsspänningen är större än referensspänningen vid komparatorns utgång, logisk noll, annars, enhet. I figur 2 visas alla dessa slutsatser i form av matematiska formler.

Men här kan en uppmärksam läsare ha en rättvis fråga: ”Titta på figur 1, hur många butiker finns det! Så vilken talar de om, vilken typ av noll finns det och var är enheten här? ” I det här fallet talar vi om basen på utgångstransistorn, det tros att detta är utgången från den operativa förstärkaren, till vilken insignalerna levereras. Och utgångstransistorn, som anges i kommentarerna till figur 1, kan slås på på något sätt.

Vissa egenskaper hos analoga komparatorer

När man använder komparatorer måste deras egenskaper beaktas, som kan delas upp i statisk och dynamisk. De statiska parametrarna för komparatorn är de som bestäms i stabilt tillstånd.

Först och främst är detta komparatorns tröskelkänslighet. Det definieras som minsta skillnaden mellan insignalerna vid vilka en logisk signal visas vid utgången.

Förutom ingång och utgång har många komparatorer utgångar för matning av förspänning Ucm. Med hjälp av denna spänning utförs den nödvändiga förskjutningen av överföringskarakteristiken relativt det ideala läget.

En av komparatorernas huvudparametrar är hysteres. Det enklaste sättet att förklara detta fenomen är att använda exemplet med ett konventionellt relä. Låt spolens driftsspänning, till exempel 12V, då är det där reläet kommer att fungera. Om efter det gradvis minskar spolens matningsspänning, kommer reläet att frigöra till exempel vid en spänning på 7V. Denna skillnad på så mycket som 5V för detta relä är hysteres. Men reläet kommer inte att slås på igen, om spänningen förblir på 7V-nivån kommer det inte att hända. För att göra detta, höj spänningen igen till 12V. Och sedan ...

Detsamma observeras med komparatorer. Anta att ingångsspänningen stiger jämnt i förhållande till referensspänningen (signaler appliceras, som visas i den vänstra delen av figur 2). Så snart ingångsspänningen blir högre än referensspänningen (inte mindre än tröskelkänslighetsvärdet) visas en logisk enhet vid komparatorns utgång.

Om ingångsspänningen nu börjar minska smidigt kommer övergången från en logisk enhet till en logisk noll att inträffa när ingångsspänningen är något lägre än referensspänningen. Skillnaden i ingångsspänningar vid dessa "över referensen" och "under referensen" kallas komparatorns hysteres. Komparatorns hysteres beror på närvaron av positiv återkoppling i den, som är utformad för att undertrycka "studsningen" av utsignalen vid omkoppling av komparatorn.

Hur är komparatorn

Kretsschemat på transistornivå är ganska komplicerat, stort, inte särskilt tydligt men praktiskt taget inte nödvändigt. Detta är designfunktionerna för integrerade kretsar, det verkar som om transistorer sticker ut överallt, även om det inte behövs. Därför är det bättre att överväga ett förenklat funktionsdiagram över komparatorn, som visas i figur 3.

Figur 3. Förenklad funktionsdiagram över komparatorn

Diagrammet visar ingångsskillnadssteget (DC), utgångslogiken och nivåskiftkretsen.

Ingången DC utför huvudförstärkningen av skillnadssignalen, och också med hjälp av en förspänningsenhet gör det möjligt att utföra det föredragna tillståndet vid utgången, vilket gör att du kan välja vilken typ av logik (TTL, ESL, CMOS) som du måste arbeta med.Denna inställning utförs med ett trimmotstånd anslutet till terminalerna "balansering".

Gating och minneskomparatorer

En del moderna komparatorer har en grindingång: jämförelsen av insignaler sker endast vid tillförseln av motsvarande puls. Detta gör att du kan jämföra insignalerna vid det ögonblicket när det krävs. Tja, rätt, vad du vill! Ett förenklat blockschema över en komparator med grindning visas i figur 4.

Figur 4. Förenklat blockschema över en jämförare

Jämförarna som visas i denna figur har en parafasutgång, som en trigger, den övre utgången är direkt, och den nedre, markerad med en cirkel, är naturligtvis omvänd. Dessutom visas grind C också här.

I fig. 4a är insignalerna grindade på en hög nivå vid ingång C. Vid grindning på en låg nivå bör den grafiska beteckningen vid ingång C ha en liten cirkel (inversionsskylt).

I fig. 4b har grindingången C ett streck /, vilket indikerar att grindningen inträffar längs pulsens stigande kant. Vid grindar på en fallande front har instrumentbrädan denna riktning.

Således är gatesignalen inget annat än upplösningen av jämförelsen. Resultatet av jämförelsen kan visas vid utgången endast under grindpulsen. Men vissa komparatormodeller har minne (bara en utlösare räcker för detta) och kom ihåg jämförelsesresultatet tills nästa grindpuls kommer.

Strobepulsens längd (dess kant) måste vara tillräcklig för att insignalen ska passera genom DC innan minnecellen har tid att utlösa. Användningen av grindar ökar komparatorns brusimmunitet, eftersom interferens kan ändra komparatorns tillstånd endast på kort tid gatorpuls. Ofta kallas komparatorn en enda bit ADC.

Klassificering av komparatorer

Med en kombination av parametrar kan komparatorer delas in i tre stora grupper. Dessa är komparatorer för allmänna ändamål, hög hastighet och precision. I amatörpraxis används de förstnämnda ofta.

Att inte ha några övernaturliga parametrar för hastighet och förstärkning, närvaron av grindar och minne, har komparatorer med bred applikation sina egna attraktiva egenskaper och funktioner. De har låg energiförbrukning, förmågan att arbeta vid låg spänning och det faktum att upp till fyra komparatorer kan placeras i ett fall. En sådan "familj" tillåter i vissa fall att skapa mycket användbara enheter. En av dessa anordningar visas i figur 5.

Detta är den enklaste omvandlaren för en analog signal till en digital enhetskod. En sådan kod kan konverteras till binär med digital konvertering.

Bild 5. Diagram över en analog signal till digital enhetskodkonverterare

Kretsen innehåller fyra komparatorer K1 ... K4. Referensspänningen appliceras på inverteringsingångarna igenom resistiv avdelare. Om motståndets motstånd är densamma är spänningen vid komparatorernas inverterande ingångar n * Uop / 4, där n är komparatorns serienummer. Ingångsspänningen appliceras på de icke-inverterande ingångarna som är anslutna tillsammans. Som ett resultat av att jämföra ingångsspänningen med referensspänningen vid komparatorernas utgångar får vi en enhetlig digital kod för ingångsspänningen.

Mer detaljerat kommer vi att överväga parametrarna för allmänna komparatorer genom att använda exemplet på den utbredda och ganska prisvärda komparatorn LM311.

LM311-seriejämförare

Matningsspänningar och arbetsförhållanden

Såsom skrivs i databladet har dessa komparatorer ingångsströmmar tusen gånger mindre än komparatorer i serien LM106 eller LM170. Dessutom har LM311-seriens komparatorer ett större utbud av matningsspänningar: från bipolär ± 15V, som i driftsförstärkare, till unipolär + 5 ... 15V.Detta breda effektområde tillåter användning av LM311-serien jämförare tillsammans med driftsförstärkare, liksom med olika serier av logikkretsar: TTL, CMOS, DTL och andra.

Dessutom kan LM311-komparatorerna direkt styra lampor och relälindningar med driftsspänningar upp till 50V och strömmar som inte överstiger 50mA. Förutom LM311 finns det också komparatorer LM111 och LM211. Dessa mikrokretsar skiljer sig i driftsförhållanden, främst i temperatur. Driftsområdet för LM311 är 0 ° C ... + 70 ° C (kommersiellt intervall) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (industriell), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (militär acceptans).

Fullständiga inhemska analoger av komparatorn LM311 är 521CA3, 554CA3 och några andra. När du byter ut behöver du inte byta krets och behöver inte ens göra om kretskortet. Du bör bara uppmärksamma det faktum att komparatorer, liksom andra mikrokretsar, finns i olika fall, så när du köper dem bör du vara uppmärksam på detta, särskilt om det här köpet kommer att användas för att reparera den färdiga enheten.

Figur 7 visar utspänningen (pinout) hos LM311-komparatorn, tillverkad i olika fall.

Bild 6. Jämförelse LM311

Bild 7. Pinout (pinout) av LM311-komparatorn, gjord i olika fall.

Egentligen kan mycket mer skrivas om komparatorer. Med deras hjälp kan du göra foto relä, termiskt relä, elektriskt fältindikator, kapacitivt relä och många andra användbara enheter.

Flera intressanta och användbara kretsar kan hittas i ”databladet” i LM311-komparatorn, där de ges som typiska kopplingskretsar. Det är i denna form som komparatorer används ganska ofta. Här är bara beskrivningar av typiska scheman som ges på "typiska", engelska. Men om du inte ens vet ett främmande språk kan du ta reda på det, åtminstone med hjälp av en onlineöversättare Google.

Fortsatt artikel: Några enkla komparatorkretsar

Boris Aladyshkin