Компараторы. 
Системы автоматического управления. 
Прецизионное управление лазерным излучением

Компараторы преобразуют аналоговый сигнал в дискретный, их можно считать одноразрядным АЦП. Это ОУ без образ ной связи с преобразователем уровня выходного сигнала. Они имеют дифференциальный вход и один или два противофазных выхода. На выходах формируются сигналы логического уровня (ТТЛ, КМОП или ЭСЛ):

Можно подавать изменяющиеся напряжения (/1 и {/₂ на оба входа.

Результат работы идеального компаратора при поступлении на его вход гармонического сигнала показан на рис. 4.6. На выходе такого компаратора в идеальном случае формируются прямоугольные импульсы, начало которых строго совпадает с моментом пересечения входным сигналом опорного уровня (в данном случае нулевого), а конец их совпадает по времени с обратным пересечением.

Рис. 4.6. Моделирование в программе Ки&'/и работы компаратора при идеальном гармоническом сигнале на его входе.

Основные параметры компаратора [51 56]:

• 1) погрешность Ццх тт «^с которой компаратор может различать входные сигналы по разным входам;
• 2) быстродействие /_Здр — скорость отклика, определяемая задержкой срабатывания и временем нарастания сигнала;
• 3) нагрузочная способность /вых «способность управлять определенным числом входов цифровых микросхем.

Применительно к погрешности по п. 1 в литературе встречается термин «чувствительность». Этот термин можно оспорить. Под чувствительностью следует понимать такую численную характеристику, которая тем больше, чем лучше это свойство. Это же относится к понятию «точность». Если чувствительностью назвать погрешность, то, например, увеличение этой величины вдвое должно означать увеличение вдвое чувствительности компаратора.

Ниже приведены особенности применения компараторов.

1. Идеальный компаратор реагирует на сколь угодно малые отличия входных сигналов, т. е. не имеет гистерезиса. Поскольку дифференциальный сигнал на входе в момент срабатывания приближается к нулю с ограниченной скоростью, наличие ВЧ-шума приводит к многократным пересечениям сигналом нулевого уровня и к множеству срабатываний. В результате выходной импульс начинается серией коротких импульсов, которые трудно выявить на осциллографе. Они могут быть ложно сосчитаны счетчиком при дальнейшей обработке. Иногда это усугубляется особенностями компаратора, как, например, в случае быстродействующего ТТЛ-компаратора КР597СА1. В момент срабатывания входное сопротивление изменяется скачком, что уменьшает напряжение на входе, в результате происходит обратное срабатывание и увеличение входного сопротивления, и т. д. При медленном изменении входного сигнала на выходе наблюдается ВЧ-серия срабатываний компаратора.

На рис. 4.7 показан пример работы компаратора при наличии шумов во входном сигнале.

Аналогичное явление происходит даже при идеальном с виду сигнале (т. е. при сигнале, шумы в котором составляют не более 1%), при использовании компараторов с большим входным током. Это явление проявляется сильнее при медленном нарастании входного сигнала. Поэтому не рекомендуются компараторы с большим входным током. Если они используются, следует применять меры против этого явления:

• — уменьшение выходного сопротивления источников сигналов по обоим входам (например, применение повторителей);
• — увеличение амплитуды входных сигналов (для увеличения скорости нарастания сигнала вблизи нулевого значения);
• — введение гистерезиса.

Рис. 4.7. Моделирование в программе Уі.чБіт работы компаратора при зашумленном гармоническом сигнале на его входе.

• 2. Часто выходной каскад компаратора выполнен в виде транзистора с открытым коллектором (КР554САЗ, К1401СА1). Такой выход следует подключать через резистор на источник положительного питания (+5 В для ТТЛ или +9 В для КМОП микросхем), как показано на рис. 4.8. Допускается объединение таких выходов в монтажное «И», т. е. два коллектора можно объединять на общую коллекторную нагрузку. Все же желательно все логические операции выполнять на чисто цифровой технике. Иногда эмиттер выходного транзистора соединен только с внешним выводом микросхемы, его следует соединять с общей шиной (кроме случаев ЭСЛ-логики, см. п. 3).
• 3. Компараторы по ЭСЛ-технологии порой требуют подключения эмиттерной нагрузки на выходе, как все элементы ЭСЛ-серии (рис. 4.9). Они характеризуются большим быстродействием, но худшей помехоустойчивостью. Для преобразования аналогового сигнала в ЭСЛ-уровни приемник с линии в линейном режиме даст лучшие результаты.
• 4. Коэффициент разветвления компараторов (нагрузочная способность выхода), как правило, нс слишком большой (в отношении элементов отечественной электронной техники). Желательно выход компаратора соединять только с одним входом логического элемента, а все разветвления осуществлять с выхода этого элемента.
• 5. При значительной величине входного сигнала влияние нелинейности внутренних цепей приводит к искажению формы выходного сигнала. Желательно ограничить изменения входных сигналов в пределах ±5 В, например, резистивным делителем, как показано на рис. 4.10.
• 6. Для введения гистерезиса можно использовать небольшую положительную обратную связь, как показано на рис. 4.11. Компаратор в этом случае превращается в триггер Шмитта. Триггером он становится потому, что его состояние зависит от истории. Под гистерезисом понимают свойство триггера, при котором порог обратного срабатывания ниже порога прямого срабатывания.

Рис. 4.8. Принципиальная схема добавления коллекторной нагрузки на выходе компаратора

Рис. 4.9. Принципиальная схема включения эмиттерной нагрузки на выходе компаратора.

Рис. 4.10. Принципиальная схема включения резистивного делителя на входе компаратора.

Рис. 4.11. Принципиальная схема внесения гистерезиса в компаратор.

7. В отличие от ОУ, допускающих варьирование напряжений питания в широких пределах, компараторы требуют достаточно точной установки паспортных значений. Исключением является выходной каскад с открытым коллектором (см. выше).

Реальные компараторы имеют ограниченное быстродействие и ограниченную чувствительность, поэтому при большой величине сигнала (0,5 В и более) и высоком отношении сигнал / шум (более 20) в ряде случаев множества импульсов на выходе компаратора не наблюдается. Однако гарантировать отсутствие умножения количества фронтов нельзя. Поэтому если наличие этих импульсов недопустимо, следует контролировать форму и характер фронтов.

Рис. 4.12. Компараторы 1121С А1. Назначение выводов:

/ - и_т = +5 В; 5 — С/щ = -12 В; 9-общий; ІЗ — І1п2 = +12 В.

Рис. 4.13. Компараторы 1401СА1, 1401СА2. Назначение выводов:

З — ііт = +15 В; 12 — ІІі = -15 В; выводы 1. 2,13 и 14 — с общим коллектором, их необходимо соединять через резистор /?к = = 1 кОм с источником смещения б’п* = +5 В для совместимости с ТТЛ-лої икон, или с ?/_Гм = +9 В для КМОП-логикн.

Рис. 4.14. Компараторы 1401 САЗ. Назначение выводов (по имеющимся сведениям):

?-и", =-12В;Я-?/п2 = +12 В.

Рис. 4.15. Компараторы 521СА1 и 554СА1. Назначение выводов, обозначенных 51 и 52 выбор компаратора; в таблице состояний /, — низкий уровень. Н высокий уровень. О/? — объединение по «ИЛИ».

Рис. 4.16. Компараторы 521СА2 и 554СА2, назначение выводов ясно из схемы включения.

Рис. 4.17. Компараторы 521 САЗ и 554САЗ. Назначение выводов (для компаратора 554САЗ номера выводов даны в скобках): 2 (3) — неинвертирующий вход, 3 (4) — инвертирующий вход; 4 (6) — питание С/_П| = -15 В; 6 (5) — строб; 8(11) — питание С/|ц = -15 В.

Рис. 4.18. Компараторы 521СА4 и 554СА4 и схемы включения на примере компаратора 521СА4 для согласования с ТТЛ либо ЭСЛ логическими схемами.

Рис. 4.19. Компаратор 521СА5, назначение выводов ясно из схемы включения.

Рис. 4.20. Компараторы 597СА1,597СА2 и сдвоенный компаратор 54САЗ. Назначение выводов: 3, 4, 5, 6 (САЗ) — баланс.

Рис. 4.21. Компараторы СМР401 и СМР402. Назначение выводов:

3 — цифровое питание 1/т = +5 В (тах{С/щ+} = +7 В): 4 и 13 — аналоговое питание (4 — {/л2> 13 — 1/т при условии: тах{С_П1 — Ци} = +16 В); 14 — «цифровая земля».

Таблица 4.1.

Характеристики отечественных компараторов

Тип микросхемы.
К554СА1.	3,5.				2,5…6.	— 1…0.	0,5.	11,5 (6,5).	+12,-6.
К554СА2.	5,0.				2,5…4.	— 1…0.	1,6.	9(8).	+ 12,-6.
К554САЗ.		0,1.	0,01.		2,5—4,5.	;	;	6(5).	±15.
К521СА4.			;	;	2,6.	0,5−0.	;	18,7(7,5).	±9, +5.
К521СА5.				1,5.	— 0,96… -0,78.	0,35.		5,3(2,7).	±12,-6.
К597СА1.				;		— 1,9…-1,6.	;	27(22).	— 5,2, +5.	6,5.
К597СА2.				;	2,5−4,5.	0,5—0.	;	42(34).	— 6, +5.
К597САЗ.		0,25.	0,1.	;	7—9.	0,3−2.	;	2,6(1).	±15.
К1401СА1.		0,25.	0,05.		;	0,4.	;	2*.	±15.
К1401СА2.		0,25.	0,05.		;	0,4.		2*.	±15.
К1121С А1.			0,4.		2,4.	0,4.	;	30(15).	±15.

* при сопротивлении нагрузки 2 кОм.

оо Таблица 4.2.

Сравнительные характеристики о I счес I венных и некоторых зарубежных компараторов

На рис. 4.12 и 4.13 показаны условные графические обозначения и назначение выводов отечественных компараторов, на рис. 4.11 — пример зарубежного компаратора СМР401.