przejść 710

Liniowe układy scalone
Komparatory napięcia i ich zastosowanie
Komparator
●
●
●
●
Zadaniem komparatora jest wytworzenie
sygnału logicznego 0 lub 1 na wyjściu w
zależności od znaku różnicy napięć
wejściowych
Jest elementarnym przetwornikiem A/C
jednobitowym
Ogniwo pośrednie między układami
analogowymi a cyfrowymi
Komparatory analogowe (w odróżnieniu od
cyfrowych)
Komparator
●
Zastosowanie:
–
W układach formujących,
–
Przetwornikach A/C
–
Dyskryminatorach amplitudy
–
Generatorach
–
Wzmacniaczach odczytu
Komparator a wzmacniacz
operacyjny
●
●
Komparator jest szczególnym rodzajem
wzmacniacza operacyjnego
–
o bardzo dużym wzmocnieniu
–
Przeznaczony do pracy z otwartą pętlą
W zasadzie każdy wzmacniacz operacyjny
może pracować jako komparator
Różnice pomiędzy komparatorem a
wzmacniaczem operacyjnym
●
Komparatory są układami o wiele szybszymi niż
wzmacniacze
–
Komparator jako układ pracujący z otwartą pętlą
może być tak zaprojektowany aby otrzymać max.
szerokość pasma i minimalny czas narastania
napięcia wyjściowego bez uwzględniania
przesunięć fazowych i kompensacji częstotliwości
–
Czas wyjścia ze stanu nasycenia w komparatorze
jest krótszy niż we wzmacniaczu (który pracuje
tylko w zakresie liniowym)
Różnice pomiędzy komparatorem a
wzmacniaczem operacyjnym
●
●
●
Poziomy napięcia na wyjściu komparatora są
dostosowane do wymagań typowych układów
cyfrowych (TTL, CMOS)
Wzmacniacze dysponują szerokim zakresem
napięcia wyjściowego
Stosując wzmacniacz operacyjny zamiast
komparatora należy dodać układ
dostosowujący poziomy napięć na wyjściu
wzmacniacza do odpowiedniego poziomu
sygnału cyfrowego
Różnice pomiędzy komparatorem a
wzmacniaczem operacyjnym
●
●
●
Komparatory mają zwykle szerszy niż
wzmacniacze zakres napięcia wejściowego
Wejściowe napięcie niezrównoważenia oraz
jego współczynnik cieplny są na ogół większe w
komparatorach niż we wzmacniaczach
Komparatory (zwłaszcza te o dużej szybkości)
mają mniejsze rezystancje wejściowe i większe
wejściowe prądy polaryzujące niż wzmacniacze
Parametry komparatorów
●
●
Zbliżone do parametrów wzmacniacza
operacyjnego – różnice wynikają z cyfrowego
charakteru napięcia wyjściowego
Przy wyborze komparatora należy brać pod
uwagę dwie cechy:
–
Szybkość
–
dokładność
Czułość komparatora
●
●
Określa dokładność komparatora
Najmniejsza wartość napięcia wejściowego
różnicowego prawidłowo wykrywana przez
układ
Wejściowe napięcie
niezrównoważenia
●
●
●
Wartość wejściowego napięcia różnicowego
wytwarzająca określone napięcie na wyjściu
We wzm.op. przy UO=0, dla komparatorów przy
pewnym umownym napięciu (najczęściej progu
logicznego)
Dla komparatora μA710 napięcie progu wynosi
dla remp. 0 st.C – 1,5 V, dla +25 st.C – 1,4 V,
dla +70 st.C – 1,2 V
Współczynnik cieplny wejściowego
napięcia niezrównoważenia
●
●
Zmiana wejściowego napięcia
niezrównoważenia przy zmianie temperatury o
1 st. C (podobnie jak dla wzm. op.)
Napięcie niezrównoważenia można wyzerować
za pomocą dodatkowych obwodów (jak we
wzm. op.), ale osiągnięta korzyść nie jest duża
– komparatory o większym napięciu
niezrównoważenia mają większy współczynnik
cieplny a wyzerowanie napięcia
niezrównoważenia nie powoduje kompensacji
jego zmian cieplnych
Wejściowe prądy polaryzujące
Wejściowy prąd niezrównoważenia
●
●
●
Wejściowy prąd polaryzujący – średnia wartość
prądów polaryzujących oba wejścia
Wejściowy prąd niezrównoważenia – różnica
wejściowych prądów polaryzujących zmierzona
przy napięciu wyjściowym rożnym napięciu
progu logicznego
Współczynnik cieplny wejściowego prądu
niezrównoważenia – zmiana prądu przy
zmianie temperatury o 1 st.C (nA / st.C)
Wzmocnienie napięciowe
●
●
Stosunek zmiany napięcia wyjściowego do
zmiany różnicowego napięcia wejściowego
zmierzony przy napięciu na wyjściu bliskim
napięciu progu logicznego
Zależy od temperatury i wartości napięć
zasilających
Współczynnik tłumienia sygnału
współbieżnego
●
●
●
CMRR – takie samo znaczenie jak we wzm. op.
Stosunek zmiany współbieżnego napięcia
wejściowego do zmiany wejściowego napięcia
niezrównoważenia, jaka następuje w tym
zakresie [dB]
Zależny od temperatury
Czas odpowiedzi
●
●
Czas upływający od chwili podania na wejście
komparatora określonego skoku napięcia, do
chwili gdy napięcie wyjściowe osiągnie poziom
progu logicznego
Czas odpowiedzi na sygnał sinusoidalny
(najczęściej przy amplitudzie 30mV i
częstotliwości 30 MHz)
Inne parametry
●
Maksymalne dopuszczalne napięcie wejściowe
●
Maksymalne dopuszczalne różnicowe napięcie wejściowe
●
Zakres zmian napięcia wejściowego
●
Zakres zmian różnicowego napięcia wejściowego
●
Poziomy napięcia wyjściowego (odpowiadające 0 i 1)
●
●
Maksymalne prądy wyjściowe - max. prąd jaki może
wpływać do zacisku wyjściowego oraz max. prą jaki
można pobrać z wyjścia komparatora
Obciążalność wyjściowa (fan out) – liczba bramek
logicznych określonego rodzaju którymi można obciążyć
komparator
●
Rezystancja wyjściowa
●
Pobór mocy
Budowa komparatora
●
●
Część analogowa i cyfrowa
Trudny do zaprojektowania - ze względu na
przeciwstawne wymagania – problemem jest
pogodzenie
Budowa komparatora
●
●
●
●
●
Układ wejściowy – wzmacniacz różnicowy o bardzo dużym
wzmocnieniu zasilany przez odpowiednie układy
polaryzacji
Układy polaryzacji zapewniają odseparowanie od zasilania
części cyfrowej
Wzmacniacz powinien mieć szerokie pasmo częstotliwości
i dużą szybkość zmian napięcia wyjściowego
Część cyfrowa – jest układem do przesuwania poziomów,
dającym na wyjściu standardowe poziomy logiczne (np.
TTL)
Niektóre komparatory mają możliwość konfiguracji z
różnymi poziomami cyfrowymi na wyjściu (LM111) w
zależności od dołączenia dodatkowych obwodów
zewnętrznych
Zastosowanie komparatorów i wzmacniaczy
operacyjnych w układach porównujących
●
●
Zadanie: porównywanie analogowych sygnałów
wejściowych (napięciowych lub prądowych) z
sygnałami odniesienia, sygnał cyfrowy na wyjściu
stwierdza, czy czy sygnał wejściowy jest większy od
sygnału odniesienia lub czy mieści się w określonym
przedziale napięć
Typy układów porównujących (dyskryminatorów):
–
Detektor przejścia przez zero
–
Dyskryminator progowy
–
Dyskryminator okienkowy
Detektor przejścia przez zero
●
●
●
Wytwarza sygnał wyjściowy zmieniający stan za
każdym razem, gdy wartość analogowego sygnału
wejściowego przekracza poziom zerowy
Przydatny przy analizie widma częstotliwościowego
– zamienia sygnał w ciąg impulsów prostokątnych
o szerokościach zależnych od częstotliwości –
redukcja szumów i zniekształceń – dalsza obróbka
– metodami cyfrowymi)
Zastosowanie: w systemach przetwarzania i
obróbki danych analogowych, układy pamięci
analogowych, badanie korelacji sygnałów
Detektor przejścia przez zero (1)
●
●
●
●
●
Poziom na wyjściu - TTL
Wyjście jest w stanie 1
gdy sygnał wejściowy jest
dodatni, 0 – gdy ujemny
Na wejściu – filtr
wybierający żądany
zakres częstotliwości
Układ strobujący
Poziomu napięcia
strobującego powinny być
poziomami TTL
Detektor przejścia przez zero (2)
●
●
●
Komparator LM111
Poziomy napięcia
wyjściowego zgodne z
poziomami układów
logicznych MOS
Przy napięciach zasilania
+5V i -10V uzyskuje się
wartość napięcia
wyjściowego 4,5V dla stanu
logicznego 1 i -9,5 V dla 0
Detektor przejścia przez zero ze
wzmacniaczem operacyjnym (1)
●
●
●
Dioda Zenera – ogranicznik
napięcia
Poziom napięcia zależy od
kierunku prądu I2 i jest równy
albo napięciu zenera UZ albo
napięciu na diodzie Zenera UF
spolaryzowanej w kier.
przewodzenia
Zmiana stanu napięcia
następuje przy I2 = 0, ponieważ
I1=I2+IB – w chwili zmiany
stanu I1=IB i następuje
zrównanie prądu
polaryzującego z prądem
wejściowym
Detektor przejścia przez zero ze
wzmacniaczem operacyjnym (1) c.d.
●
●
●
●
Dla zmniejszenia błędu
spowodowanego prądem
polaryzującym włącza się rezystor R
między wejścia nieodwracające i masę
Zmiana stanu napięcia wyjściowego w
układzie idealnym powinna
następować przy napięciu wejściowym
równym 0
W rzeczywistości z powodu
wejściowego napięcia
niezrównoważenia i prądu
niezrównoważenia zmiana następuje
przy wartości UI=UIO+IIOR
Napięcie niezrównowążenia można
skompensować znanymi metodami
Detektor przejścia przez zero ze
wzmacniaczem operacyjnym (2)
●
●
●
●
Napięcie wyjściowe jest
równe napięciu Zenera
jeśli UI<0.
Jeżeli UI>0 – napięcie
wyjściowe =0,7V
Dobierając diodę o
odpowiednim napięciu
Zenera można stosować
ten układ do współpracy
z układami logicznymi
różnych typów
Potencjometr – do
kompensacji napięcia
niezrównoważenia
Dyskryminator progowy
●
Wytwarza na swym wyjściu sygnał logiczny, będący rezultatem
porównania wartości napięci (prądu) sygnału wejściowego z
napięciem (prądem) odniesienia
●
Napięcie wyjściowe przyjmuje 2
warości UOmax lub UOmin zależnie
od znaku różnicy napięć UI i
napięcia odniesienia UR
●
●
Wartości wyjściowe napięć
zależą od komparatora
Minimalizacja napięcia
niezrównoważenia wywołanego
przez prądy polaryzujące –
dobrać R1 = R2, przy czym
wartości rezystorów nie powinny
być duże (< 200 Ohm)
Wady prostego dyskryminatora
progowego
●
●
●
W przypadku bardzo wolno zmiennego sygnału
wejściowego napięcie wyjściowe może na pewien
czas przyjąc wartość pośrednią między UOmax i UOmin
gdy punkt pracy komparatora znajduje się w liniowym
obszarze charakterystyki UO=f(UI), odpowiadającym
małej różnicy UI i UR
Powstaje niebezpieczeństwo oscylacji – komparator
jest równy wówczas wzmacniaczowi operacyjnemu o
dużym wzmocnieniu bez kompensacji
częstotliwościowej
Na wejściu często występują szumy nakładające się
na przebieg sygnału i powodujące przypadkowe
zmiany stanu na wyjściu , gdy wartość UI jest bliska UR
Dyskryminator progowy z histerezą
●
●
Dzielnik rezystorowy R2, R3 powoduje powstanie dodatniego
sprzężenia zwrotnego
Napięcia progowe:
R3
R2
U p1=U R
U Omin
R 2R 3
R 2R 3
●
Napięcie histerezy
R3
R2
U p2 =U R
U Omax
R 2R3
R 2R3
R 2 U Omax−U Omin 
U H =U p2−U p1=
R 2 R3
Dyskryminator progowy z histerezą
c.d.
●
●
●
W celu minimalizacji błędów powodowanych
przez wejściowe prądy polaryzujące należy
dobrać R1 i R2 możliwie małe i R1 = R2 || R3
Stosunek rezystorów w sprzężeniu dodatnim
powinien być mniejszy od wzmocnienia
napięciowego komparatora. Jeśli ten warunek
nie jest spełniony mogą powstać oscylacje w
układzie – stąd wynika minimalna wartość
napięcia histerezy
Dyskryminator napięcia z histerezą zwany jest
tez układem Schmitta
Dyskryminator progowy z
regulowaną histerezą (1-stronnie)
●
●
●
●
●
Dioda D1 powoduje przerwanie
obwodu dodatniego sprzężenia
zwrotnego, gdy napięcie wyjściowe
jest równe dolnemu poziomowi
logicznemu.
Dolny próg dyskryminacji jest
zawsze równy napięciu odniesienia
UR, górny można zmieniać przez
zmianę wartości R2
UZ > UR
R3 słuzy do ograniczania prądu
diody Zenera
R4 – do rozładowywania
pojemności pasożytniczej D2
Dyskryminator napięcia ze wzmacniaczem
operacyjnym - sumujący
●
●
●
●
●
Zawiera 2 rezystory sumujące
Jako napięcia odniesienia – dodatnie
lub ujemne napięcie zasilające (jeśli
są stabilizowane)
Próg dyskryminacji reguluje się
stosunkiem R1/R2
Poziom napięcia wyjściowego zalezy
od kierunku prądu I3
Porównanie następuje przy:
 
R1
R1
U I =− U R U IO 1
 I IO R1
R2
R2
●
●
2-gi składnik – błąd spowodowany
napięciem niezrównoważenia
R3 zmiejsza błąd spowodowany
prądami polaryzującymi
Dyskryminator napięcia ze wzmacniaczem
operacyjnym - różnicowy
●
●
●
●
Potrzebny jest tylko jeden
rezystor sumujący
Napięcie UR musi być równe
żądanemu progowi
dyskryminacji
Źródłami błędu w układzie
są : napięcie
niezrównoważenia
wzmacniacza oraz CMRR
Wprowadzając słabe
sprzężenie zwrotne dodatnie
otrzymuje się dyskryminator
z histerezą
Dyskryminatory okienkowe
●
●
●
Dyskryminator okienkowy powinien wytwarzać
na swym wyjściu sygnał logiczny stwierdzający
czy wartość napięcia wejściowego zawiera się
w określonym przedziale napięć odniesienia
Zastosowanie: technika pomiarowa, układy
sygnalizacyjne
Stosuje się 2 komparatory lub jeden podwójny
Dyskryminator okienkowy na
CA 3290
●
●
Progi dyskryminacji
wyznacza dzielnik
rezystorowy R1, R2, R3.
Dioda świeci się gdy
napięcie wejściowe jest
większe od napięcia Up1 na
wejściu (-) K2 i nie
przekracza wartości Up2 na
wejściu (+) K1
Duża impedancja
wejściowa wynikająca z
właściwości komparatora
CA 3290 – stopień
wejściowy z tranzystorów
MOS
Dyskryminator okienkowy ze
wzmacniaczem operacyjnym
●
●
●
Gdy UI+UR<0 dioda D2 przewodzi a
D1 zablokowana
Napięcie w punkcie A jest równe 0 i
przez rezystor R/4 nie płynie prąd
Ogranicznik napięcia
współpracujący z W2 powoduje
zmiane znaku napięcia wyjściowego
w chwili gdy Id zmienia znak:
U I U R U
 
=I d =0
R
R
R
●
Czyli przy napięciu wejściowym:
U I =−U R −U
Dyskryminator okienkowy ze
wzmacniaczem operacyjnym c.d.
●
●
Gdy UI+UR<0 – D1 przewodzi i
napięcie na wyjściu W1 równe
jest -1/2 (UI+UR)
Górna granica okna :
U I U R  U 1/2U 1U R 
 
−
=I d =0
R
R
R
R/4
●
a więc:
U I =−U RU
●
●
Środek okna dyskryminacji jest
równy napięciu odniesienia UR z
odwrotnym znakiem,a szerokość
okna wynosi 2ΔU
Zmieniając UR można przesuwać
okno bez zmiany jego szerokości