Принцип работы компаратора при сравнении сигналов разной полярности

Если брать ОУ в качестве компаратора, то схему можно показать следующим образом:

Рис. 88. Компаратор для сравнения сигналов разной полярности на базе ОУ

При использовании ОУ необходимо на его выходе устанавливать согласующий элемент. Согласующий элемент должен таким образом работать, чтобы обеспечивать выходной уровень сигнала соответствующий напряжениям логических уровней цифровых интегральных схем, на вход которых будет подаваться сигнал с выхода компаратора.

Для ТТЛ: U_огр. = +3 В, тогда U¹ = +3,7 В, а U⁰ = –0,7 В.

Схема такого устройства на базе интегрального компаратора имеет вид:

Рис. 89. Компаратор для сравнения сигналов разной полярности на базе ИС компаратора

Рассмотрим работу схемы на базе интегрального компаратора. Работу схемы поясним следующими временными диаграммами.

Рис. 90. Временные диаграммы работы компаратора

В исходном состоянии, когда состояние выхода компаратора определяется опорным напряжением, так как это опорное напряжение определяет дифференциальный сигнал между входами компаратора.

.

(145)

Если считать, что входное сопротивление компаратора бесконечно большое, то . Тогда эквивалентная схема для определения потенциала U_А будет иметь вид:

Рис. 91. Схема определения при
.	(146)

Поэтому за счет большого K_u на выходе данного компаратора в данной ситуации будет высокий уровень логической единицы.

По мере увеличения входного сигнала (в данном случае он положительный) потенциал точки А определяется как результат воздействия двух источников:

Рис. 92. Схема определения при
По этой схеме потенциал можно найти по следующей формуле:
.	(147)

Поэтому величина дифференциального сигнала между входами компаратора будет уменьшаться и стремиться к нулю.

При некотором значении U_х потенциал точки А станет больше нуля. Это меняет полярность дифференциального сигнала между входами компаратора. И за счет большого K_u компаратор резко переключается. В данном случае на выходе схемы будет низкий уровень логического нуля.

Исходя из этого идеальную характеристику преобразования этой схемы можно найти приравнивая потенциал точки А к нулю.

.

(148)

И если , то (то есть сравнение сигналов происходит по модулю).

Анализ систематических и случайных ошибок в работе компаратора при сравнении сигналов разной полярности

Рассмотрим схему компаратора, приведенную на рис. 93.

Рис. 93. Схема компаратора

Сначала учтем возникновение систематических ошибок от конечного значения K_u и R_вх при и. С учетом этого составим эквивалентную схему, приведенную на рис. 94.:

Рис. 94. Эквивалентная схема с учетом ошибок

Здесь входная часть компаратора учтена в виде комбинации входного дифференциального и синфазных сопротивлений. Как уже известно, учитывая аналогию входной части компаратора и ОУ, значение синфазного сопротивления, равно:

.

(149)

И так как здесь схема без отрицательной обратной связи, то при анализе ошибок влиянием синфазного сопротивления можно пренебречь и представить эквивалентную схему в более простом виде.

Рис. 95. Эквивалентная схема без учета синфазных входных сопротивлений

В этой эквивалентной схеме усилительные свойства компаратора учтены в виде эквивалентного источника напряжения, ЭДС которого равна .

В этом эквивалентном источнике R_вых определяет реальное выходное сопротивление компаратора (приводится в справочнике). Учитывая, что в большинстве применений выполняется условие согласования по напряжению , то влиянием выходного сопротивления пренебрежем.

Теперь, чтобы найти характеристику преобразования для рассматриваемого случая надо определить потенциалы точек А и Б. Потенциал т. Б легко выражается через потенциал т. А:

.

(150)

U_A легко определить, используя принцип суперпозиции:

.	(151)
Уравнение для выходного напряжения имеет вид:
.
После подстановки значения потенциала UA получим:
.	(152)

Это уравнение надо решить относительно U_х, потому что это и будет то входное напряжение, при котором схема переключится при конечных значениях K_u и R_вх. Решение имеет вид:

.

(153)

Анализ этого уравнения показывает, что при и, характеристика преобразования приближается к идеальной.

Анализ ошибок компаратора для сравнения сигналов разной полярности от наличия входных токов и напряжения смещения нуля

При малом уровне входного сигнала или при его отсутствии, а так же при малой величине опорного напряжения исходное состояние выхода компаратора может определяться ошибками за счет входных токов и напряжения смещения нуля. Если это состояние не соответствует логике устройства его надо правильно скомпенсировать или учесть заранее при расчете внешних цепей, подключенных к компаратору.

Для этого также воспользуемся эквивалентной схемой в предположении равенства нулю входного и опорного сигнала:

Рис. 96. Эквивалентная схема учета ошибок от входных токов и напряжения смещения нуля

На эквивалентной схеме не учитываются синфазные сопротивления и направление входных токов и полярность напряжения смещения нуля выбрано произвольно.

Для нахождения характеристики преобразования в данном случае также необходимо определить потенциал в точках А и Б используя методы эквивалентных преобразований.

При расчете потенциалов в точке А и Б напряжение смещения нуля, представленного в виде эквивалентного источника напряжения с нулевым внутренним сопротивлением, можно не учитывать, а потом просто в соответствии с его полярностью добавить или вычесть к полученным потенциалам. Потенциал т. А, используя метод эквивалентных преобразований, можно записать в виде:

.

(154)

Для записи этого уравнения использовался принцип суперпозиции.

Пусть .

Рис. 97. К пояснению эквивалентных преобразований
.	(155)

Пусть .

,	(156)

тогда:

Решая последнее уравнение, получим, что выражение для выходного напряжения имеет следующий вид:
.	(157)

Для компенсации ошибок от наличия входных токов желательно выбирать , тогда:

,

(158)

где – паспортный параметр компаратора (разность входных токов).

Таким образом, мы нашли напряжение на выходе компаратора при отсутствии входного сигнала, которое, в зависимости от знака разности входных токов и полярности напряжения смещения нуля, может быть напряжением логического нуля или напряжением логической единицы. Поэтому чтобы его привести к необходимому логическому состоянию надо соответствующим образом изменить полярность напряжения в скобках, которое в данном случае и определяет ошибку компаратора, приведенную ко входу от наличия входных токов и напряжения смещения нуля.

Контрольные вопросы

1. Принцип работы, источники ошибок, особенности схемотехники интегральных компараторов.

2. Компаратор при сравнении сигналов разной полярности.

3. Ошибки в работе компаратора при сравнении сигналов разной полярности.