Komparátor - Comparator

Ilustrace toho, jak funguje komparátor

V elektronice je komparátor zařízení, které porovnává dvě napětí nebo proudy a vydává digitální signál indikující, který je větší. Skládá se ze dvou analogových vstupních svorek a a jeden binární digitální výstup . Výstup je ideálně ${\ displaystyle V _ {+}}$ ${\ displaystyle V _ {-}}$ ${\ displaystyle V _ {\ text {o}}}$

{\ displaystyle V _ {\ text {o}} = {\ begin {cases} 1, & {\ text {if}} V _ {+}> V _ {-}, \\ 0, & {\ text {if}} V _ {+} <V _ {-}. \ End {cases}}}

Komparátor se skládá ze specializovaného diferenciálního zesilovače s vysokým ziskem . Obvykle se používají v zařízeních, která měří a digitalizují analogové signály, jako jsou ADC s postupnou aproximací , stejně jako relaxační oscilátory .

Diferenční napětí

Diferenční napětí musí zůstat v mezích stanovených výrobcem. Rané integrované komparátory, jako je řada LM111, a některé vysokorychlostní komparátory jako řada LM119 vyžadují diferenciální rozsahy napětí podstatně nižší než napětí napájecího zdroje (± 15 V vs. 36 V). Komparátory rail-to-rail umožňují jakékoli rozdílové napětí v rozsahu napájecího zdroje. Při napájení z bipolárního (dual rail) napájení

{\ displaystyle V_ {S-} \ leq V _ {+}, V _ {-} \ leq V_ {S+},}

nebo při napájení z unipolárního napájecího zdroje TTL / CMOS ,

{\ Displaystyle 0 \ leq V _ {+}, V _ {-} \ leq V _ {\ text {cc}}}

.

Specifické komparátory typu rail-to-rail se vstupními tranzistory pnp , jako je řada LM139, umožňují, aby vstupní potenciál klesl o 0,3 voltů pod zápornou napájecí lištu, ale nedovoluje, aby se zvýšil nad kladnou kolejnici. Specifické ultrarychlé komparátory, jako LMH7322, umožňují kmitání vstupního signálu pod zápornou kolejnicí a nad kladnou kolejnicí, i když s úzkým okrajem pouze 0,2 V. Diferenční vstupní napětí (napětí mezi dvěma vstupy) moderní kolejnice- komparátor na kolejnici je obvykle omezen pouze plným proudem napájení.

Komparátor napětí operačního zesilovače

Jednoduchý komparátor operačního zesilovače

Operační zesilovač (op-amp) má dobře vyvážený vstup rozdíl a velmi vysoký zisk . To je souběžné s charakteristikami komparátorů a může být nahrazeno v aplikacích s požadavky na nízký výkon.

Komparační obvod porovnává dvě napětí a výstupy buď 1 (napětí na kladné straně) nebo 0 (napětí na záporné straně), aby indikoval, které je větší. Komparátory se často používají například ke kontrole, zda vstup dosáhl nějaké předem stanovené hodnoty. Ve většině případů je komparátor implementován pomocí vyhrazeného komparátoru IC, ale jako alternativa mohou být použity operační zesilovače. Porovnávací diagramy a diagramy operačního zesilovače používají stejné symboly.

Obrázek 1 výše ukazuje obvod komparátoru. Nejprve si všimněte, že obvod nepoužívá zpětnou vazbu. Obvod zesiluje rozdíl napětí mezi Vin a VREF a výstup vydává na Vout. Pokud je Vin větší než VREF, pak napětí na Vout stoupne na kladnou úroveň nasycení; to znamená k napětí na kladné straně. Pokud je Vin nižší než VREF, pak Vout klesne na úroveň záporné saturace, která se rovná napětí na negativní straně.

V praxi lze tento obvod zlepšit začleněním rozsahu hysterezního napětí, aby se snížila jeho citlivost na šum. Obvod ukázaný na obrázku 1 například poskytne stabilní provoz, i když je signál Vin poněkud hlučný.

Důvodem je rozdíl v charakteristikách operačního zesilovače a komparátoru, použití operačního zesilovače jako komparátoru představuje několik nevýhod ve srovnání s použitím vyhrazeného komparátoru.

Operační zesilovače jsou navrženy pro provoz v lineárním režimu s negativní zpětnou vazbou. Operační zesilovač má tedy obvykle delší dobu zotavení z nasycení. Téměř všechny operační zesilovače mají interní kompenzační kondenzátor, který ukládá omezení rychlosti přeběhu pro vysokofrekvenční signály. V důsledku toho operační zesilovač vytvoří nedbalý komparátor se zpožděním šíření, které může být až desítky mikrosekund.
Protože operační zesilovače nemají žádnou vnitřní hysterezi, je pro pomalu se pohybující vstupní signály vždy nutná externí hysterezní síť.
Specifikace klidového proudu operačního zesilovače je platná pouze tehdy, když je aktivní zpětná vazba. Některé operační zesilovače vykazují zvýšený klidový proud, když vstupy nejsou stejné.
Komparátor je navržen tak, aby produkoval dobře omezená výstupní napětí, která lze snadno propojit s digitální logikou. Kompatibilitu s digitální logikou je třeba ověřit při použití operačního zesilovače jako komparátoru.
Některé zesilovače s více sekcemi mohou při použití jako komparátory vykazovat extrémní interakci kanál-kanál.
Mnoho operačních zesilovačů má mezi svými vstupy diody zády k sobě. Vstupy operačního zesilovače obvykle na sebe navazují, takže je to v pořádku. Vstupy komparátoru však obvykle nejsou stejné. Diody mohou způsobit neočekávaný proud prostřednictvím vstupů.

Pracovní

Dedikovaný komparátor napětí bude obecně rychlejší než univerzální operační zesilovač používaný jako komparátor a může také obsahovat další funkce, jako je přesné, interní referenční napětí, nastavitelná hystereze a vstup s hodinovým hradlem.

Specializovaný čip pro komparaci napětí, jako je LM339, je navržen pro propojení s digitálním logickým rozhraním (na TTL nebo CMOS ). Výstup je binární stav, který se často používá k propojení signálů reálného světa s digitálními obvody (viz převodník analogového signálu na digitální ). Pokud je v signálové cestě pevný zdroj napětí, například z DC nastavitelného zařízení, je komparátor ekvivalentem kaskády zesilovačů. Když jsou napětí téměř stejná, výstupní napětí nespadne do jedné z logických úrovní, takže analogové signály vstoupí do digitální domény s nepředvídatelnými výsledky. Aby byl tento rozsah co nejmenší, má kaskáda zesilovače vysoký zisk. Obvod se skládá převážně z bipolárních tranzistorů . Pro velmi vysoké frekvence je vstupní impedance stupňů nízká. To snižuje saturaci pomalých, velkých bipolárních tranzistorů PN přechodu, které by jinak vedly k dlouhým dobám obnovy. Rychlé malé Schottkyho diody , jako ty, které se nacházejí v binárních logických provedeních, výrazně zlepšují výkon, i když výkon stále zaostává za obvody se zesilovači využívajícími analogové signály. Rychlost přeběhu nemá pro tato zařízení žádný význam. U aplikací ve flash ADC distribuovaný signál přes osm portů odpovídá zesílení napětí a proudu po každém zesilovači a odpory se pak chovají jako řadiče úrovně.

LM339 toho dosahuje s výstupem s otevřeným kolektorem . Pokud je invertující vstup na vyšším napětí než neinvertující vstup, výstup komparátoru se připojí k zápornému napájecímu zdroji. Pokud je neinvertující vstup vyšší než invertující vstup, výstup je „plovoucí“ (má velmi vysokou impedanci vůči zemi). Zisk op amp jako komparátoru je dán touto rovnicí V (out) = V (in)

Klíčové specifikace

I když je snadné pochopit základní úkol komparátoru, tj. Porovnávání dvou napětí nebo proudů, při výběru vhodného komparátoru je třeba zvážit několik parametrů:

Rychlost a síla

Zatímco obecně jsou komparátory „rychlé“, jejich obvody nejsou imunní vůči klasickému kompromisu mezi rychlostí a energií. Vysokorychlostní komparátory používají tranzistory s většími poměry stran, a proto také spotřebovávají více energie. V závislosti na aplikaci vyberte buď komparátor s vysokou rychlostí, nebo ten, který šetří energii. Například nano napájené komparátory v balíčcích s úsporou čipů (UCSP), DFN nebo SC70, jako jsou MAX9027 , LTC1540 , LPV7215 , MAX9060 a MCP6541, jsou ideální pro přenosné aplikace s extrémně nízkým výkonem. Podobně pokud je komparátor potřebný k implementaci obvodu relaxačního oscilátoru pro vytvoření vysokorychlostního hodinového signálu, pak mohou být vhodné komparátory s několika nano sekundami zpoždění šíření. ADCMP572 (výstup CML), LMH7220 (výstup LVDS), MAX999 (výstup CMOS / výstup TTL), LT1719 (výstup CMOS / výstup TTL), MAX9010 (výstup TTL) a MAX9601 (výstup PECL) jsou příklady některých dobrých vysokorychlostních komparátorů .

Hystereze

Komparátor obvykle mění svůj výstupní stav, když napětí mezi jeho vstupy prochází přibližně nulovými volty. Malé kolísání napětí způsobené šumem, vždy přítomné na vstupech, může způsobit nežádoucí rychlé změny mezi dvěma výstupními stavy, když se rozdíl vstupního napětí blíží nulovým voltům. Aby se zabránilo této výstupní oscilaci, je do mnoha moderních komparátorů integrována malá hystereze několika milivoltů. Například LTC6702 , MAX9021 a MAX9031 mají vnitřní hysterezi, která je znecitlivuje od vstupního šumu. Místo jednoho spínacího bodu zavádí hystereze dva: jeden pro stoupající napětí a jeden pro klesající napětí. Rozdíl mezi vypínací hodnotou vyšší úrovně (VTRIP+) a vypínací hodnotou nižší úrovně (VTRIP-) se rovná napětí hystereze (VHYST).

Pokud komparátor nemá vnitřní hysterezi nebo je-li vstupní šum větší než vnitřní hystereze, lze pomocí kladné zpětné vazby z výstupu na neinvertující vstup komparátoru vybudovat externí hysterezní síť. Výsledný spouštěcí obvod Schmitt poskytuje další odolnost proti rušení a čistší výstupní signál. Některé komparátory, jako například LMP7300 , LTC1540 , MAX931 , MAX971 a ADCMP341, také poskytují ovládání hystereze prostřednictvím samostatného hysterezního pinu. Tyto komparátory umožňují přidat programovatelnou hysterezi bez zpětné vazby nebo komplikovaných rovnic. Použití vyhrazeného kolíku hystereze je také vhodné, pokud je impedance zdroje vysoká, protože vstupy jsou izolovány od sítě hystereze. Když je přidána hystereze, pak komparátor nemůže vyřešit signály v pásmu hystereze.

Typ výstupu

Komparátor s taktovaným CMOS s nízkým výkonem

Protože komparátory mají pouze dva výstupní stavy, jejich výstupy jsou buď blízko nuly, nebo blízko napájecího napětí. Bipolární komparátory kolej-kolej mají společný emitorový výstup, který vytváří malý pokles napětí mezi výstupem a každou kolejnicí. Tento pokles se rovná napětí kolektor-emitor nasyceného tranzistoru. Když jsou výstupní proudy slabé, výstupní napětí komparátorů CMOS rail-to-rail, které se spoléhají na nasycený MOSFET, se pohybují blíže k napětí kolejnic než jejich bipolární protějšky.

Na základě výstupů mohou být komparátory také klasifikovány jako open-drain nebo push-pull . Komparátory s koncovým stupněm s otevřeným odtokem používají externí pull-up rezistor na kladné napájení, které definuje logickou vysokou úroveň. Komparátory s otevřeným odtokem jsou vhodnější pro konstrukci systému se smíšeným napětím. Vzhledem k tomu, že výstup má pro vysokou logiku vysokou impedanci, lze k připojení více komparátorů k jedné sběrnici použít také komparátory s otevřeným odtokem. Výstup push-pull nepotřebuje pull-up rezistor a může také na rozdíl od výstupu s otevřeným odtokem dodávat proud.

Interní reference

Nejčastější aplikací pro komparátory je srovnání napětí a stabilní reference. Většina výrobců komparátorů také nabízí komparátory, ve kterých je na čipu integrováno referenční napětí. Kombinace reference a komparátoru v jednom čipu nejen šetří místo, ale také odebírá méně napájecího proudu než komparátor s externí referencí. K dispozici jsou integrované obvody se širokou škálou referencí, jako MAX9062 (reference 200 mV), LT6700 (reference 400 mV), ADCMP350 (reference 600 mV), MAX9025 (reference 1,236 V), MAX9040 (reference 2,048 V), TLV3012 (reference 1,24 V ) a TSM109 (2,5 V reference).

Souvislé versus taktované

Nepřetržitý komparátor vydá buď „1“ nebo „0“, kdykoli je na jeho vstup aplikován vysoký nebo nízký signál, a při aktualizaci vstupů se rychle změní. Mnoho aplikací však vyžaduje pouze komparační výstupy v určitých případech, například v A/D převodnících a paměti. Pouze strobováním komparátoru v určitých intervalech lze dosáhnout vyšší přesnosti a nižšího výkonu s taktovanou (nebo dynamickou) strukturou komparátoru, nazývanou také latched komparátor. Často blokované komparátory využívají silnou pozitivní zpětnou vazbu pro „regenerační fázi“, když jsou hodiny vysoké, a mají „resetovací fázi“, když jsou hodiny nízké. To je v kontrastu s kontinuálním komparátorem, který může využívat pouze slabou pozitivní zpětnou vazbu, protože zde není žádné resetovací období.

Aplikace

Nulové detektory

Nulový detektor identifikuje, kdy je daná hodnota nulová. Komparátory jsou ideální pro srovnávací měření detekce nuly, protože jsou ekvivalentní zesilovači s velmi vysokým ziskem s vyváženými vstupy a regulovanými výstupními limity. Obvod nulového detektoru porovnává dvě vstupní napětí: neznámé napětí a referenční napětí, obvykle označované jako v _u a v _r . Referenční napětí je obvykle na neinvertujícím vstupu (+), zatímco neznámé napětí je obvykle na invertujícím vstupu (-). (Schéma zapojení by zobrazovalo vstupy podle jejich znaménka vzhledem k výstupu, když je konkrétní vstup větší než druhý.) Pokud nejsou vstupy téměř stejné (viz níže), je výstup buď kladný nebo záporný, například ± 12 V. V případě nulového detektoru je cílem detekovat, kdy jsou vstupní napětí téměř stejná, což udává hodnotu neznámého napětí, protože referenční napětí je známé.

Při použití komparátoru jako nulového detektoru je přesnost omezená; výstup nula je dán vždy, když je velikost rozdílu napětí vynásobená ziskem zesilovače v mezích napětí. Například, v případě, že zesílení je 10 ⁶ , a mezní hodnoty napětí jsou ± 6 V, potom výstupní nuly bude mít v případě, že rozdíl napětí je menší než 6 mV. Dalo by se to označit za zásadní nejistotu měření.

Detektory nulového přechodu

U tohoto typu detektoru komparátor detekuje pokaždé, když střídavý puls změní polaritu. Výstup komparátoru mění stav pokaždé, když puls mění svou polaritu, to znamená, že výstup je HI (vysoký) pro kladný puls a LO (nízký) pro negativní puls se čtverci vstupního signálu.

Relaxační oscilátor

K vytvoření relaxačního oscilátoru lze použít komparátor . Používá pozitivní i negativní zpětnou vazbu. Pozitivní zpětnou vazbou je konfigurace spouště Schmitt . Sám je spouštěčem bistabilní multivibrátor . Pomalá negativní zpětná vazba přidaná do spouště RC obvodem však způsobí, že obvod automaticky osciluje. To znamená, že přidání RC obvodu změní hysteretický bistabilní multivibrátor na astabilní multivibrátor .

Měnič úrovně

National Semiconductor LM393

Tento obvod vyžaduje pouze jeden komparátor s otevřeným vypouštěcím výstupem jako v LM393 , TLV3011 nebo MAX9028 . Obvod poskytuje velkou flexibilitu při výběru napětí, která mají být přeložena, pomocí vhodného tahového napětí. Umožňuje také překlad bipolární ± 5 V logiky na unipolární 3 V logiku pomocí komparátoru jako MAX972 .

Analogově digitální převodníky

Když komparátor vykonává funkci určující, zda je vstupní napětí nad nebo pod daným prahem, v podstatě provádí 1bitovou kvantizaci . Tato funkce se používá téměř ve všech analogově-digitálních převodnících (jako je blesk , potrubí, postupná aproximace , delta-sigma modulace , skládání, interpolace, duální sklon a další) v kombinaci s jinými zařízeními k dosažení vícebitové kvantizace.

Okenní detektory

Komparátory lze použít také jako detektory oken. V detektoru okna se komparátor používá ke srovnání dvou napětí a určení, zda je dané vstupní napětí pod napětím nebo přepětím.

Detektory absolutní hodnoty

Komparátory lze použít k vytvoření detektorů absolutní hodnoty. V detektoru absolutní hodnoty se ke srovnání absolutních hodnot dvou napětí používají dva komparátory a digitální logická brána.

Viz také

Reference

Tento článek včlení materiál public domain z dokumentu General Services Administration : "Federal Standard 1037C" .

Languages

In other projects