Рис. 3.. Гістерезисна схема порівняння зі зміщеною характеристикою (а) та її передавальна характеристика (б); схема порівняння (в)

Слід зазначити, що в даному випадку напрям зміщення передавальної характеристики співпадає з полярністю джерела зміщення. Якщо для підклю-чення напруги зміщення використовувати інвертуючий вхід ОП (рис. 3.5, а), то напрям зміщення передавальної характеристики буде протилежний полярності напруги джерела зміщення.

Рис. 3.. Гістерезисна схема порівняння при незбігу полярності напруг Uвx і Езм (а) та її передавальна характеристика (б)

Аналіз розглянутих схем порівняння показує, що з погляду логіки побудови всі вони повторюють різні варіанти схем підсилювачів на ОП. Відмінністю, що створює нову якість, є використання вхідної напруги, рівень якої відповідає умові Uвх.max > Uвих.max / КU. Очевидно, що якщо КU прагне до нескінченності (для однопорогових схем порівняння) або КU (для гістерезисних схем порівняння), амплітуда вхідного сигналу Uвх.max може прагнути до нуля.

Таким чином, властивості конкретної схеми визначаються умовою її застосування. В даному випадку це рівень вхідної напруги, конкретне значення якої переводить схему з режиму підсилювача в режим пристрою порівняння.

Застосування гістерезисних схем порівняння дозволяє у разі дії зовнішніх перешкод значно підвищити надійність порівняння напруг. Так, на рис. 3.6 показані тимчасові діаграми роботи однопорогової і гістерезисних схем порівняння у разі, коли вхідний сигнал окрім корисної складової містить деякий високочастотний сигнал перешкоди. Очевидно, що в разі використання однопорогової схеми порівняння на виході пристрою буде сформовано декілька вихідних імпульсів (так званий «брязкіт» вихідної напруги), що затруднюють отримання однозначного результату. У разі використання гістерезисного компаратора з правильним вибором напруг спрацьовування і відпуску цього вдається уникнути і отримати на виході однозначний результат порівняння.

Рис. 3.. Тимчасові діаграми, що ілюструють роботу однопорогової і гістерезисної схем порівняння в умовах дії напруги перешкоди: вхідний сигнал (а), вихідний сигнал однопорогової (б) і гістерезисної (в) схем порівняння

Розділ 4. Інтегральні компаратори

Як було відмічено вище, інтегральні компаратори відрізняються від схем порівняння, виконаних на ОП загального застосування, тим, що їх вихідний сигнал узгоджений за рівнем із напругами, використовуваними в цифровій техніці для відображення сигналів логічних нуля і одиниці. Розробка таких ІС, що мають (як і стандартний ОП) два входи (інвертуючий і неінвертуючий), була зумовлена тим, що хоча схеми порівняння на ОП і можуть забезпечити високу точність порівняння вхідних напруг і сформувати на виході сигнали необхідних (цифрових) рівнів, вони вимагають для цього введення великого числа додаткових елементів і, як правило, не можуть забезпечити потрібної швидкодії.

Швидкодію компараторів прийнято характеризувати їх часом відновлення tвід. Цей час вимірюється при подачі на його входи деяких стандартних сигналів: на неінвертуючий вхід подається постійна напруга 0,1 В, а на інвертуючий вхід – напруга тієї ж полярності, але з амплітудою, що перевищує рівень 0,1 В на величину напруги відновлення Uвід = 5 мВ. В цьому випадку час відновлення визначається як часовий інтервал між моментом рівності напруг на входах компаратора і моментом, коли його вихідна напруга досягне деякого порогового рівня Uпор (рис. 4.1), яке визначається рівнем спрацьовування логічних схем.

Рис. 4.. Визначення часу відновлення компаратора: Uвх н  і Uвх і – напруги на неінвертуючому та інвертуючому входах; Uпор і U' – порогова напруга і напруга лог. 1 цифрової схеми

Як випливає з рис. 4.1, tвід можна розбити на два інтервали: час затримки tз, протягом якого вихідна напруга компаратора залишається незмінною, і час наростання tн, причому tз >> tн. Пояснюється це тим, що нормальним режимом роботи транзисторів ОП є їх робота в активній області. При використанні ОП в режимі порівняння напруг, оскільки |Uвх ОП| > |Uвих.max| / KU0, то його транзистори потрапляють в режим насичення, що супроводжується накопиченням в базових областях надмірного заряду неосновних носіїв. Розсмоктування цього заряду вимагає значного часу, що й знижує швидкодію схеми порівняння на ОП загального застосування. Тому при розробці інтегральних компараторів застосовують спеціальні схемотехнічні рішення, направлені на запобігання роботі транзисторів схеми із заходом у область насичення. Таке рішення дозволяє понизити tвід інтегральних компараторів до сотень наносекунд.

У додатку наведені типові параметри найбільш поширених інтегральних компараторів напруги, які характеризуються тими ж параметрами, що й ОП загального застосування. Тому при формуванні необхідного виду їх передавальної характеристики можливе використання всіх раніше розглянутих схемотехнічних рішень для ОП.

Зі сказаного можна визначити області застосування компараторів різних типів.

Компаратори на ОП загального застосування звичайно використовуються при розробці високоточних схем порівняння, працюючих із вхідними сигналами, що повільно змінюються.

Інтегральні компаратори застосовуються тоді, коли необхідно забезпечити високу швидкодію пристроїв, які розробляються, при цьому залежно від конкретних вимог використовують стандартні високоточні або високошвидкісні компаратори.

Висновок

Отже, в аналогових і аналогово-цифрових ЕОМ, пристроях автоматики, схемах обробки аналогової інформації часто виникає необхідність порівняння напружень або перетворення їх в цифрову форму. Для цієї мети використовуються елементи, що виробляють при рівності двох напружень цифровий сигнал, який може бути використаний в системах управління аналогової ЕОМ для організації операцій умовного переходу, зміни коефіцієнтів передачі окремих ланцюгів, режимів роботи операційних блоків, вироблення сигналів переривання обчислювального процесу в аналогово-цифровій ЕОМ.

Компаратор – елемент, що виконує логічну операцію порівняння аналогових величин, поданих електричними напруженнями.

Ідеальний компаратор повинен перейти з одного стану в інший практично вмить без тимчасових затримок, що відповідає нескінченно широкому частотному діапазону схеми. Крім цього, схема компаратора не повинна вносити зміщення характеристики «вихід – вхід» при зміні температури і живильних напружень.

Параметри ідеального компаратора