Входы и выходы компараторов. Напряжение питания.

Компараторы играют важную роль при сопряжении аналоговых (линейных) входных сигналов с миром цифровой техники. Компараторы не имеют частотной компенсации и не могут использоваться в качестве линейных усилителей.

В данной статье подробно рассмотрим компараторы, уделяя основное внимание их входным и выходным характеристикам, некритичности в отношении к напряжению источника питания и способам подачи сигналов и защиты входов.

Входы, выходы компараторов. Напряжение питания.

Напряжение питания и выходы

Большинство компараторов имеют выход с открытым коллектором, предназначенный для запуска логических входов (разумеется, с резистором подвески на шину питания) и сильноточных/высоковольтных нагрузок.

Традиционные биполярные компараторы, аналогичные LM311 или LM393, допускают питание до 36 V и нынче зовутся «высоковольтными».

Некоторое число скоростных моделей (например, биполярный LT1016 или КМОП серии TLC/LMC попадают в промежуточную группу, с напряжением 10-15 В.

Наконец, стремительно размножившиеся «низковольтовые» КМОП компараторы с однополярным питанием (серии LMV, TLV и ADCMP600), работающие с общим питанием не выше .

В последнюю категорию попадают особо быстрые (ADCMP572: 0.15 ns) и некоторые малопотребляющие (MCP6541: 0.6 pA тип., ISL28197: 0.8 pA тип.). Плюс есть довольно много промежуточных вариантов.

Компараторы повышенного быстродействия (521,    527,    529,    360,    361,    Am686 (КР597СА2),     LT1016 и т.п.) в большинстве случаев имеют выходные каскады с активной нагрузкой. Они предназначены для управления 5-вольтовой цифровой логикой и обычно имеют 4 вывода питания — U+, U-, UKK(+5) и земля.

Следует обратить внимание на то, что для работы большинства компараторов необходимо использовать источники и положительного и отрицательного напряжения даже в том случае, если на входе никогда не появляется отрицательный сигнал. Примерами могут служить элементы 306,     710(К554СА2)    и    711(521СА1), а также компараторы с активной нагрузкой, перечисленные выше. 

Необходимость иметь источник отрицательного напряжения для обеспечения работы компаратора в аппаратуре, использующей только положительное напряжение, доставляет определенные неудобства. В связи с этим полезно знать характеристики компараторов, которые могут питаться лишь от положительного напряжения (например, 311,    319,     339,     393,     AD790    и    TLC372/4). Действительно, они могут работать с одним источником питания 5 В. Это существенное достоинство для цифровых систем. При работе от одного источника +5 В компараторы 339, 393, 365, СА3290, НА4905, LT1017/18, AD790 и TLC372/4 имеют входной диапазон в режиме синфазного сигнала, достигающий уровня земли. Они созданы специально для работы с одним источником питания и за исключением элементов 4905 и 790 имеют всего два вывода питания (U+ и земля). При работе от расщепленного питания выход будет опускаться до U-. Кроме того, некоторые из них обладают довольно необычным свойством. Они способны работать от одного источника питания с напряжением лишь 4 — 2 В.

Говоря об источниках питания, следует упомянуть, что некоторые компараторы спроектированы для работы при малом токе питания. В общем случае, менее 0,5 мА. Примерами могут служить компараторы  LP311,    LP339, TLC373/4,    TLC339,    TLC393  TLC3702/4, LT1017/8, МС14574  и    LP365. Последние два элемента представляют собой счетверенные компараторы с программируемым рабочим током. Малая мощность достигается ценой низкого быстродействия с временем реакции порядка нескольких микросекунд.

Входы

Синфазное входное напряжение. Как и при работе с операционными усилителями, сигнал на входе компаратора необходимо удерживать в рабочем диапазоне синфазных напряжений. Компараторы, предназначенные для работы с низким напряжением питания (3…5 В), допускают входные напряжения уровня земли и даже на несколько десятых вольта ниже. Некоторые допускают сигналы с уровнем положительного питания («rail-to-rail» входы). К первому типу относятся TLC372/3702 («OD»/ «RR»), а ко второму — LMC7221/7211 («OD»/ «RR»). Но с двуполярными сигналами работать не получится, если, конечно, не взять только что упомянутый компаратор и не подключить его землю к отрицательному напряжению. Но тогда сигнал на выходе тоже будет привязан к отрицательному напряжению, что, скорее всего, разработчику не поможет. В такой ситуации нужен компаратор с двуполярным питанием (например, LM311 или LT1016), но большинство из них не могут работать рядом с уровнями питания.

Подобно операционным усилителям, всё многообразие имеющихся компараторов имеет напряжение смещения, исчисляемое чаще всего милливольтами, но можно найти модели и поточнее. Несколько моделей предоставляют внешние выводы подстройки, но, как и в случае с операционными усилителями, недорогие модели с возможностью подстройки (LM311) имеют гораздо больший температурный коэффициент напряжения смещения, чем исходно более точные (прецизионные) варианты. Например, для LT1011 – «улучшенного LM311» объявлен температурный коэффициент 4 μВ/°C тип. (15 μВ/°C max), в то время как никто из производителей копий оригинального LM311 даже не затрудняется его указанием. Кроме того, в схемах, требующих точности входного порогового уровня, следует избегать тяжёлой перегрузки выхода компаратора.

Напряжение смещения имеет интересную особенность. Температурные градиенты, возникающие при нагреве выходного каскада, ухудшают параметры смещения входа. Возможно даже состояние «тарахтения» — медленной генерации в выходном каскаде, которая возникает, когда входной сигнал болтается возле дифференциального нуля (возле порога переключения). Все потому, что тепло, от выходного каскада, меняет за счёт температурного коэффициента порог и заставляет вход переключиться.

Предостережения по входным сигналам. Входные цепи компараторов требуют некоторых мер предосторожности общего характера. Везде, где это возможно, надо использовать гистерезис. В противном случае придётся разбираться с ложными переключениями. Чтобы понять, в чём причина, надо вообразить компаратор без гистерезиса, в котором входной дифференциальный сигнал, только что прошедший нулевую отметку, растёт вверх достаточно медленно, потому что речь идёт об аналоговой величине.

Разница потенциалов входов уже в 2 мВ вызовет изменение состояния выхода со временем процесса порядка 50 ns и менее. Т.е. в системе возникает быстрый цифровой фронт с амплитудой 3000 мВ, вызывающий токовые иголки в источнике питания и близлежащих цепях. Отсутствие наводок величиной как минимум несколько милливольт на входные цепи в такой ситуации следует трактовать как чудо, а несколько милливольт легко забьют разницу в 2 mV. Всё это ведёт к появлению множественных переключений и генерации. Вот почему схемы с чувствительными компараторами требуют приличного гистерезиса в дополнении к аккуратной разводке печатной платы и развязкой питания. Можно также применить небольшой ускоряющий конденсатор параллельно резистору обратной связи (См. схему в разделе «Управление цифровой логикой от компараторов и операционных усилителей»).

В общем случае не стоит подавать на вход компаратора сигнал с высокоомного источника. Такие конфигурации требуют промежуточного буфера на операционном усилителе. Если большое быстродействие не требуется, скоростных компараторов лучше избегать, потому что они усугубляют все перечисленные проблемы многократно. Кроме того, некоторые модели более чувствительны к наводкам, нежели прочие. Например, тот же LM311.

Есть ещё одно сходство с операционным усилителем, вызывающее затруднения, если подразумевается (ошибочно), что входы имеют бесконечный импеданс и, соответственно, не потребляют ток. Но этот самый входной ток является очень важным параметром компараторов. Ток и характер его изменения под действием входного дифференциального напряжения. Для разгона, взгляните на график тока двух входов вечно юного LM311.

Входы, выходы компараторов. Измеренное значение входного тока в образце LM311
Рисунок 1. Измеренное значение входного тока в образце LM311

Легко заметить, что нулевым он не является (отрицательная полуплоскость почему-то сверху).
Что при этом происходит? Во входных каскадах многих компараторов стоят биполярные транзисторы, а входной ток имеет величину от десятков наноампер до десятков микроампер. Входной каскад — это просто дифференциальный каскад с большим усилением. Входной ток в таких каскадах изменяется, когда сигнал переходит через уровень переключения. Кроме того, схема защиты может вызвать дополнительное изменение тока на удалении нескольких вольт от порога.

Рассмотрим входной каскад LM311 подробнее. Его упрощённая схема приведена на рисунке.

Входы, выходы компараторов. Упрощённая схема входного каскада LM311 - классического биполярного компаратора.
Рисунок 2. Упрощённая схема входного каскада LM311 - классического биполярного компаратора

Каскад состоит из pnp повторителей, нагруженных источниками тока, которые передают сигнал на npn дифференциальный усилитель. Входные повторители имеют β = 2000. Но даже эта впечатляющая величина не избавляет от входного тока величиной –35 nA на сбалансированных входах. Важнее то, что токи меняются в противоположных направлениях на 10% при появлении разбаланса. Это происходит из-за того, что дифференциальный усилитель перекидывает свой рабочий ток, с одной стороны, на другую, выводя из равновесия входные повторители.

Токовая «ступенька» при нулевом дифференциальном сигнале является на самом деле плавным переходом величиной примерно 100 мВ, что видно на увеличенном фрагменте. Именно такая разница напряжений нужна, чтобы полностью переключить дифференциальный усилитель из одного состояния в другое. Поэтому, в отличие от операционного усилителя, где за балансом присматривает обратная связь, в компараторе с биполярными входными каскадами при изменении входного сигнала меняется и входной ток, что ведёт к разного рода сложностям, если источник имеет недостаточно низкий импеданс.

Вообразим, к примеру, что надо получить выходную ступеньку, когда медленно возрастающий входной сигнал (от источника с конечным сопротивлением) пересекает нулевой потенциал. Это легко. Подключаем сигнал к инвертирующему входу, а землю — к неинвертирующему. Если поступить так, то на выходе будут быстрые множественные переключения при пересечении входом нуля. Проблема в том, что кратковременное изменение входного тока (отрицательного) вблизи нуля приводит к смене направления изменения входного сигнала на противоположное, запуская новый переход на выходе. Этот колебательный процесс продолжается некоторое время, пока входной сигнал не покинет, наконец, область нестабильности. Гистерезис (возможно, с небольшим ускоряющим конденсатором) в общем случае исправляет такое поведение, но полезно понимать порождающие его причины.

График, рассмотренный выше, таит и другие сюрпризы. А именно: резкое изменение входного тока, когда дифференциальное входное напряжение вырастает до 6В. Причиной тому служит симметричный ограничитель на стабилитронах (рисунок 2). Он добавлен, чтобы исключить обратный пробой эмиттер-база во втором n-p-n каскаде. Дифференциальное напряжение достаточно большое, чтобы вызвать ограничение означает, что на входе p-n-p имеется отрицательный потенциал, оттягивающий весь ток эмиттера. Значит, базовый ток удвоился (ток второго транзистора отбирается через цепь ограничения, отсюда и «удвоился»), а база второго транзистора в паре осталась совсем без тока. Увеличенная область графика на рисунке 1 показывает подробности, отсутствующие в официальных справочных данных на LM311. А именно ступенчатое увеличение входного тока при большом отрицательном напряжении на входах. Это происходит из-за снижения беты входного транзистора при снижении уровня Ucc. Почему неинвертирующий вход ведёт себя иначе?

Вероятнее всего измерения проводятся с заземлённым опорным входом. Значит, второй вход получает всё тестовое дифференциальное напряжение и в какой-то момент попадает в зону в районе Ucc, где перестаёт работать источник тока в эмиттере входного транзистора. Для другого входа входное напряжение растёт вниз, где проблем с рабочим диапазоном источника тока нет.

Для схем, где необходим очень низкий входной ток, имеется масса компараторов с МОП транзисторами на входе. К ним, например, относятся TLC372, TLC3702, TLC393 и LMC7221. Зато у них меньше напряжение питания (до 16 В, против 36 В у «высоковольтных» биполярных моделей) и низкая точность напряжения смещения (опять же, по сравнению с биполярными). Если случится, что требуются точностные параметры конкретного компаратора, но с меньшим входным током, то придётся ставить на вход согласованную пару полевых транзисторов.

Небольшой гистерезис — штука полезная, поэтому некоторые компараторы (особенно низковольтные с однополярным питанием) имеют встроенный гистерезис величиной несколько милливольт. Некоторые модели, например, серии ADCMP5xx и 6xx фирмы Analog Devices позволяют менять его величину.

Некоторые компараторы имеют неожиданно низкий допуск на входное дифференциальное напряжение. В некоторых случаях всего (например, у AD790, LM306 или LT1016), хотя напряжение питания (разница между «U+» и «U») может достигать 36 В. Здесь помогут диодные ограничители, т.к. чрезмерная разница потенциалов на входе уменьшает бету и вызывает появление неустранимой ошибки смещения, а иногда может даже вызвать разрушение перехода база-эмиттер входных транзисторов. Компараторы общего назначения с напряжением питания до 36 В в общем случае лучше в этом отношении и допускают входные напряжения в диапазоне 30 В (LM311, LM393, LT1011 и т.д.).

Быстродействие

О компараторах принято думать, как об идеальных переключающихся элементах, для которых некоторая небольшая разница входных потенциалов вызывает резкое переключение выхода. На самом деле для небольших сигналов компараторы больше похожи на операционные усилители, а переключательные характеристики зависят от усиления на высоких частотах. В итоге, чем меньше дополнительное напряжение или «запас по сигналу», т.е. разница между необходимым для насыщения выхода и имеющимся напряжением, тем сильнее увеличивается время распространения, и (часто) уменьшается скорость нарастания выходного сигнала. Спецификации обычно включают график «зависимости времени реакции от величины перегрузки». На рисунках приведены данные для LM311.

Входы, выходы компараторов. Напряжение питания.
Входы, выходы компараторов. Время отклика компаратора LM311
Время отклика компаратора LM311 при различных выходных перегрузках. Схема 3
Время отклика компаратора LM311 при различных выходных перегрузках. Схема 4

Время отклика компаратора LM311 при различных выходных перегрузках.

Стоит особо отметить ухудшение параметров в конфигурации с выходным транзистором в режиме повторителя, т.е. с меньшим усилением. Увеличение сигнала на входе ускоряет реакцию, потому что снижение усиления на высокой частоте передавливается большей амплитудой сигнала. Кроме того, больший ток внутренних каскадов быстрее перезаряжает внутренние ёмкости.

За скорость приходится платить рассеиваемой мощностью (здесь низковольтовые компоненты выглядят очень хорошо) и склонностью к генерации.

Таблица характеристик большинства компараторов

ТипЗамечанияКоличество в корпусеВремя переключения (тип), нсUсдв(макс), мВIсм(макс), мкАСинф. вх. напряжение (мин), ВСинф. вх. напряжение (макс), ВАбс. макс. диф. входное напряжение Uдиф, ВИсточник питания U+мин.,ВИсточник питания U+макс.,ВИсточник питания U-мин.,ВИсточник питания U-макс.,ВИсточник питания общий мин., ВИсточник питания общий макс., ВТип. коэфф. усиления, 103Вывод землиОдин источник +5ВСовместимость с ТТЛОткрытый коллекторАктивная нагрузкаИнверсный выходСтробированиеПамятьМакс. напряж. для подкл. Нагрузки, В
СМР0111102.80.9U-U+115300-30536500-++-+---32
СМР02Прецизионный11900.80.003U-U+115300-30536500-++-+---32
СМР04Прецизионный вариант 3394130010.1-0.330363360-30336200++++_---30
СМР05Быстрый прецизионный1400.61.2U-U+556-5.2-189.52416+-+-+--+-
LM306Большой выходной ток1286.55-77512--3-12-3040+-+-+-+-24
LM311Склонен к генерации; широко распространен, сдвоенный-23111/220030.1U+-30U-+30305300-304.536200++++----40
LF311311 на МОП-транзисторах120045.0E-5U+-30U-+30305300-304.536200-+++----40
LP311Маломощный 311120007.50.1U-U-+30303300-30336200-+++----40
LM31928040.5U-U+55300-304.53640-+++----36
LM339Самый распространенный; маломощный; сдвоенный 3934/2130050.25-0.33636236--236200++++----30
LP339Маломощный вариант 33941000050.025-0.33636236--236500++++----30
TLC339На МОП-транзисторах; сдвоенный-3934/2250050.005-0.3U+18316--316-++++----18
TLC3702На МОП-транзисторах, счетверенный-37042/4250050.005-0.3U+18316--316-+++-+---U+
LM360Аналогичен 760114520U-U+54.56.5-4.5-6.59133+-+-++---
LM361Аналогичен 529114530-665515-6-1511303+-+-+++-7
LP365Программируемый; технические данные при Iyст= 10 мкА4200060.075-0.336362360-36436300-+++----36
TLC372На МОП-транзисторах; счетверенный-3742/4650101 пкА-0.31818218--218200++++----18
СМР404Маломощный4350010.05-0.3U+U+530--530400++++-----
TL510CTL514С-сдвоенный½303.520-7751014-5-7152133+-+-+-+--
NE5212117.520-5565--5-9.510.5-+-+-+-+--
NE5222147.520-5565--5-9.510.5-+-+-+-+--
NE527529 со схемой Дарлингтона13362-665510-6-101020-+-+-+++-15
NE529120620-665510-6-101020-+-+-+++-15
Ат685ЭСЛ; как СМР-0716210-4466--5.2-9.7141600+----+++-
Ат686Самый быстрый из ТТЛ-компараторов19210-4465--6-9.714-+-+-+-+--
Ат687ЭСЛ27210-4465--5.2-9.714-+----+++-
Bt687ЭСЛ; самый быстрый 687 типа21.8-3.33.35--5.2--12100+----+++-
AD790KБыстрый с одним источником + 5 В1350.33-1818153.5180-183.53610+++-+--+-
TL810C510 без стробирования;820 С-сдвоенный½303.520-7751014-5-7152133+-+-+----
LT1011Улучшенный 31111500.50.025U—0,6U++0,6363360-36336500-+++--+-50
LT1016Самый быстрый с одним источником +5 В110310U-U+54.570-75143+++-++-+-
LT1017Маломощный22000010.015-0.340401.140--1.140500+++-+----
LT1018Маломощный2600010.075-0.340401.140--1.1402000+++-+----
LT1040Микромощный1800000.50.0003U-+0,3U+-0,32.816--2.816-+++-+++--
SP1650BЭСЛ; 1651 быстрее23.52010-32.555--5.2----+-----++-
EL2018CБыстрый, точный, высоковольтный12030.3U-U+364.518-4.5-1893640+-+-+-++-
EL2019CБыстрый, высоковольтный, тактируемый1650.3U-U+364.518-4.5-18936-+-+-+-++-
СА3290АНа МОП-транзисторах21000104.0E-5U—5U++536436--436150++++----36
RC4805AСамый быстрый из прецизионных1220.31.2-4434.55.5-4.5-16-2220+-+-+--+-
НА4905Гибкий выходной каскад41507.50.15U-U+155300-30533400-++-+----
VC7695Сверхбыстрый11.555-553.5-6--6-12-+----+-+-
VC7697Самый быстрый из сдвоенных2255-553.5-6--6-12-+----+-+-
SP9685ЭСЛ; быстрый вариант Ат68512.3520-5355--5.2--12300+----+++-
SP9687ЭСЛ; быстрый вариант Ат68722.8520-5355--5.2--12300+----+++-
МС14574КМОП, программируемый; технические данные при 100 мкА420000305.0E-5-0.5U++0,5U+315--318100+++-+---U+
SP93808Сверхбыстрый октальный813.59U-U+3.81.57.3-4.9-5.56.51320+---++-+-
Смотрите также:
К началу ↑