Компараторы
Очень часто бывает нужно установить, какой из двух сигналов больше, или определить, когда сигнал достигнет заданного значения. Например, при генерации треугольных колебаний через конденсатор пропускают положительный или отрицательный ток, полярность тока изменяют в тот момент, когда амплитуда достигает заданного пикового значения. Со многими подобными задачами помогут справиться компараторы.
Простейшим компаратором является дифференциальный усилитель с большим коэффициентом усиления, построенный на основе транзисторов или операционных усилителей.
В зависимости от знака разности входных напряжений операционный усилитель оказывается в положительном или отрицательном насыщении. Коэффициент усиления по напряжению обычно превышает 100 000, поэтому, для того чтобы выход усилителя не насыщался, напряжение на входах должно быть равно долям милливольта.
Промышленность выпускает специальные интегральные схемы, предназначенные для использования в качестве компараторов. К ним относятся, например, интегральные схемы типа LM306, LM311, LM393, NE527 и TLC372. Эти кристаллы обладают очень высоким быстродействием и даже не принадлежат к семейству операционных усилителей. Например, для схемы типа NE521 скорость нарастания составляет несколько тысяч вольт в 1 мкс. Для компараторов обычно не используют термин «скорость нарастания». Вместо этого говорят о задержке распространения относительно сигнала, заданного на вход.
Попробуем ответить на вопрос: можно ли использовать операционные усилители в качестве компараторов?
Иногда операционный усилитель используют в качестве компаратора, в основном, когда нужен только один простой компаратор. Фазовая компенсация, необходимая для стабильной работы операционного усилителя, означает, что он будет работать очень медленно в качестве компаратора. Но если требования к скорости не важны, операционного усилителя может быть достаточно. Но возникают ситуации, когда некоторые из них работают хорошо … некоторые работают не так, как ожидалось. Почему?
Во многих операционных усилителях присутствуют встроенные диоды между входными клеммами, включенные противоположно друг другу (иногда два или более последовательных диода). Эти диоды защищают входные транзисторы от обратного пробоя их соединений база-эмиттер. При многих процессах в интегральных схемах происходит сбой на дифференциальном входе, приблизительно в 6 В. Это может значительно изменить или повредить транзистор. На входном каскаде NPN, показанном ниже, диоды D1 и D2 обеспечивают защиту.
В большинстве распространенных применений операционного усилителя на входах почти нулевое напряжение, и эти диоды никогда не включаются. И такая защита может стать проблемой для работы компаратора. У нас будет ограниченный диапазон дифференциального напряжения (0,7 В или около того) для переключения одного входа на другой, неожиданно потянувшего его напряжение. В некоторых цепях это может быть совершенно неприемлемо.
Проблема в том, что производители операционных усилителей не всегда сообщали о наличии этих диодов. Производители чаще просто предполагают, что мы собираемся использовать операционный усилитель в качестве операционного усилителя.
Вот несколько рекомендаций, которые могут помочь:
Операционные усилители общего назначения с боковыми входными транзисторами PNP обычно не имеют входных защит. Например, LM324 , LM358 , OPA234 , OPA2251 и OPA244 .Эти операционные усилители обычно относятся к типу «с одним источником питания». Т.е. они имеют синфазный диапазон, который простирается до отрицательной клеммы питания или немного ниже. Их часто можно определить по входному току смещения, указанному как отрицательное число. Это говорит о том, что входной ток смещения вытекает из входных контактов. Однако стоит обратить внимание, что высокоскоростные операционные усилители, использующие входы PNP, обычно имеют входные защиты, поскольку это вертикальные PNP с более низким напряжением пробоя.
Суть … если вы планируете использовать операционный усилитель в качестве компаратора, будьте осторожны. Изучите его поведение на макете, проверяя влияние одного входного напряжения на другое.
Выходные каскады компараторов обычно обладают большей гибкостью в применениях, чем выходные каскады операционных усилителей. В обычном ОУ используют двухтактный выходной каскад, который обеспечивает размах напряжения в пределах между значениями напряжения питания. В выходном каскаде компаратора эмиттер, как правило, бывает заземлен и выход снимается с «открытого коллектора». С помощью внешнего резистора «притяжения», подключенного к источнику напряжения, можно сделать так, чтобы сигнал на выходе изменялся в пределах, скажем, от +5 В до потенциала земли. Описанная схема подошла бы для управления логическими схемами типа ТТЛ, получившими широкое распространение в цифровой электронике. Такая схема изображена на рисунке ниже.
Напряжение на выходе переключается с уровня +5 В на уровень потенциала земли, когда напряжение на входе становится отрицательным. Эта схема представляет собой пример использования компаратора для аналого цифрового преобразования.
При желании можно представить, что внешний «притягивающий» резистор дополняет внутреннюю схему компаратора и выступает в качестве коллекторной нагрузки для выходного транзистора n-р-n типа. В связи с тем, что выходной транзистор работает как насыщенный или разомкнутый переключатель, строгих требований к величине сопротивления резистора не предъявляют. Обычно сопротивление выбирают в диапазоне от нескольких сотен до нескольких тысяч ом. Небольшие величины сопротивления обеспечивают большую скорость переключения и повышают помехоустойчивость. Правда, за счет увеличения рассеиваемой мощности. (При использовании операционного усилителя в качестве компаратора, «притягивающий» резистор был бы не нужен.)
Компаратор сравнивает напряжение, которое поступает на один из его входов, с опорным напряжением, которое присутствует на другом его входе. Стоит заметить, что в качестве опорного и сигнального может использоваться любой из двух входов компараторов.
Если опорный сигнал подается на неинвертирующий вход (+), а сигнальный подается на инвертирующий (-), то такой компаратор будет инвертирующим. Когда сигнальное входное напряжение больше опорного, то выходное напряжение принимает значение отрицательного напряжения насыщения и остаётся неизменным пока сигнальное входное напряжение не уменьшиться ниже опорного напряжения, в этом случае на выходе будет напряжение положительного насыщения. Фактически на выходе можно устанавливать логическую «1» или «0».
