Компаратор - Comparator

Сурет 1. Салыстырғыштың қалай жұмыс істейтінін бейнелеу

Жылы электроника, а компаратор - екеуін салыстыратын құрылғы кернеулер немесе ағымдар және қайсысы үлкен екенін көрсететін сандық сигнал шығарады. Оның екі аналогтық кіріс терминалы бар және және бір екілік сандық шығу . Шығару өте жақсы

Компаратор арнайы мамандандырылған жоғарыпайда дифференциалды күшейткіш. Олар әдетте аналогтық сигналдарды өлшейтін және цифрландыратын құрылғыларда қолданылады, мысалы жақындатылған ADC, Сонымен қатар релаксациялық осцилляторлар.

Дифференциалды кернеу

Дифференциалды кернеулер өндіруші белгілеген шектерде болуы керек. LM111 отбасы сияқты ерте интеграцияланған компараторлар және LM119 отбасы сияқты кейбір жоғары жылдамдықты компараторлар дифференциалды кернеу диапазондарын электрмен жабдықтау кернеуінен едәуір төмен (36 В-қа қарсы ± 15 В) қажет етеді.[1] Рельстен рельске дейін компараторлар электрмен жабдықтау шегінде кез-келген дифференциалды кернеулерге жол береді. Биполярлық (қос рельсті) қоректену кезінде,

немесе бірполярлы қуаттанған кезде TTL /CMOS нәр беруші:

Бар нақты рельсті-рельсті компараторлар p-n-p LM139 отбасы сияқты кіріс транзисторлары кіріс потенциалының 0,3 вольтты төмендетуіне мүмкіндік береді төменде теріс жеткізілім рельсі, бірақ оның оң рельстен жоғары көтерілуіне жол бермеңіз.[2] LMH7322 сияқты ерекше ультра жылдам компараторлар кіру сигналының теріс рельстен төмен айналуына мүмкіндік береді және оң рельстің үстінде, тек 0,2 В.[3] Қазіргі заманғы рельстен рельске дейінгі компаратордың дифференциалды кіріс кернеуі (екі кіріс арасындағы кернеу) тек электрмен жабдықтаудың толық айналымымен шектеледі.

Op-amp кернеу компараторы

Қарапайым оп-амп компаратор

Ан жұмыс күшейткіші (op-amp) теңдестірілген айырмашылық кірісі бар және өте жоғары пайда. Бұл компараторлардың сипаттамаларына параллель және өнімділігі төмен талаптары бар қосымшаларда ауыстырылуы мүмкін.[4]

Компаратор схемасы екі кернеуді салыстырады және қайсысы үлкен екенін көрсету үшін 1 (керісінше жағындағы кернеу) немесе 0 (теріс жағындағы кернеу) шығарады. Салыстырғыштар көбінесе, мысалы, кірістің алдын-ала белгіленген мәнге жеткендігін тексеру үшін қолданылады. Көп жағдайда компаратор арнайы IC компараторының көмегімен іске асырылады, бірақ балама ретінде оп-амперді қолдануға болады. Салыстырмалы диаграммалар мен оп-амп диаграммаларында бірдей белгілер қолданылады.

Жоғарыдағы 1-суретте компаратор тізбегі көрсетілген. Алдымен схемада кері байланыс қолданылмайтындығына назар аударыңыз. Схема Вин мен VREF арасындағы кернеу айырмашылығын күшейтеді және ол Vout нәтижесін шығарады. Егер Vin VREF-тен үлкен болса, онда Vout-тағы кернеу оның оң қанығу деңгейіне көтеріледі; яғни оң жағындағы кернеуге дейін. Егер Вин VREF-тен төмен болса, онда Vout теріс жағындағы кернеуге тең болып, өзінің теріс қанығу деңгейіне түседі.

Іс жүзінде бұл тізбекті шуылға сезімталдығын төмендету үшін кернеудің гистерезис диапазонын қосу арқылы жақсартуға болады. Мысалы, 1-суретте көрсетілген схема Вин сигналы біраз шулы болған кезде де тұрақты жұмысты қамтамасыз етеді.

Бұл операциялық күшейткіш пен компаратор сипаттамаларының айырмашылығына байланысты,[5] пайдалану арқылы жұмыс күшейткіші компаратор ретінде арнайы компараторды қолданумен салыстырғанда бірнеше кемшіліктер бар:[6].

  1. Оп-амперлер кері байланыспен сызықтық режимде жұмыс істеуге арналған. Демек, оп-амп әдетте қаныққаннан қалпына келтірудің ұзақ уақытына ие. Барлық дерлік ампперлерде ішкі компенсация конденсаторы бар, олар орнатады өлтіру жылдамдығы жоғары жиілікті сигналдардың шектеулері. Демек, оп-амп көмегімен салақ компаратор жасайды көбеюдің кідірісі бұл ондаған микросекундқа жетуі мүмкін.
  2. Оп-амптерде ешқандай ішкі гистерезис болмағандықтан, баяу қозғалатын кіріс сигналдары үшін сыртқы гистерезис желісі әрдайым қажет.
  3. Оп-амптың тыныш ток сипаттамасы кері байланыс белсенді болған кезде ғана жарамды. Кірістер тең болмаған кезде кейбір оп-амперлерде тыныш ток күші жоғарылайды.
  4. Компаратор сандық логикамен оңай үйлесетін, шектеулі шығыс кернеулерін шығаруға арналған. Сандық логикамен үйлесімділікті оп-ампты компаратор ретінде пайдалану кезінде тексеру қажет.
  5. Кейбір көп секциялы оп-амперлер компаратор ретінде қолданылған кезде арна мен каналдың өзара әрекеттесуін көрсетуі мүмкін.
  6. Көптеген оп-амперлердің кірістері арасында артқы диодтары бар. Op-amp кірістері, әдетте, бір-бірін қадағалайды, сондықтан бұл жақсы. Бірақ компаратордың кірістері әдетте бірдей емес. Диодтар кірістер арқылы күтпеген ток тудыруы мүмкін.

Жұмыс

Бөлінген кернеу компараторы, әдетте, компаратор ретінде қолданылатын жалпы мақсаттағы жұмыс күшейткішінен жылдамырақ болады, сонымен қатар дәл, ішкі анықтамалық кернеу, реттелетін қосымша функцияларды қамтуы мүмкін. гистерезис және сағаттық кіру.

LM339 сияқты кернеуді салыстыратын арнайы чип цифрлық логикалық интерфейспен интерфейс жасауға арналған (а TTL немесе а CMOS ). Нәтиже - бұл сандық схемаларға нақты әлем сигналдарын интерфейс жасау үшін жиі қолданылатын екілік күй (қараңыз) аналогты-сандық түрлендіргіш ). Егер сигнал жолында, мысалы, тұрақты токтың реттелетін құрылғысынан тұрақты кернеу көзі болса, компаратор күшейткіштер каскадының эквиваленті болып табылады. Кернеу шамамен тең болған кезде шығыс кернеуі логикалық деңгейдің біріне түспейді, осылайша аналогтық сигналдар сандық доменге күтпеген нәтижелермен енеді. Бұл диапазонды мүмкіндігінше аз ету үшін күшейткіш каскад - бұл үлкен пайда. Схема негізінен тұрады Биполярлық транзисторлар. Өте жоғары жиіліктер үшін кіріс импеданс кезеңдер төмен. Бұл баяу, үлкен қанықтылықты азайтады P-N қиылысы биполярлық транзисторлар, әйтпесе ұзақ қалпына келтіру уақытына әкелуі мүмкін. Жылдам кішкентай Шотки диодтары, екілік логикалық құрылымдарда кездесетін сияқты, өнімділікті айтарлықтай жақсартады, дегенмен өнімділік аналогтық сигналдарды қолданатын күшейткіштер тізбектерінен қалып келеді. Бұл құрылғылар үшін қисаю жылдамдығының мәні жоқ. Қосымшалар үшін жарқыл ADC сегіз порт бойынша таратылған сигнал әрбір күшейткіштен кейінгі кернеу мен ток күшіне сәйкес келеді, ал резисторлар деңгей ауыстырғыштары ретінде әрекет етеді.

LM339 мұны an ашық коллектор шығу. Төңкерілетін кіріс инверсиялық емес кіріске қарағанда жоғары кернеуде болған кезде, компаратордың шығысы теріс қуат көзіне қосылады. Төңкерілмейтін кіріс инверсиялық кірістен жоғары болған кезде, шығыс «өзгермелі» болады (жерге кедергісі өте жоғары). Салыстырушы ретінде op amp-тің күшеюі осы теңдеумен берілген V (шығу) = V (кіру)

Негізгі сипаттамалар

Компаратордың негізгі міндетін, яғни екі кернеуді немесе токты салыстыруды түсіну оңай болғанымен, қолайлы компараторды таңдау кезінде бірнеше параметрлерді ескеру қажет:

Жылдамдық пен қуат

Жалпы компараторлар «жылдам» болса да, олардың схемалары жылдамдықтың классикалық айырбасынан қорғалмайды. Жоғары жылдамдықты компараторларда пропорциялардың арақатынасы үлкен транзисторлар қолданылады, демек, көп қуатты тұтынады.[7] Қолданбаға байланысты жоғары жылдамдықты немесе қуатты үнемдейтін компараторды таңдаңыз. Мысалы, кеңістікті үнемдейтін микросхема пакеттеріндегі (UCSP), DFN немесе SC70 пакеттеріндегі нано-қуаттағы компараторлар. MAX9027, LTC1540, LPV7215, MAX9060 және MCP6541 өте төмен қуатты, портативті қосымшалар үшін өте қолайлы. Сол сияқты, егер жылдамдықты сағат сигналын жасау үшін релаксациялық осциллятор тізбегін іске қосу үшін компаратор қажет болса, онда бірнеше нано секундтық кідірісі бар компараторлар қолайлы болуы мүмкін. ADCMP572 (CML шығысы), LMH7220 (LVDS шығысы), MAX999 (CMOS шығысы / TTL шығысы), LT1719 (CMOS шығысы / TTL шығысы), MAX9010 (TTL шығысы), және MAX9601 (PECL шығысы) - бұл жоғары жылдамдықтағы кейбір жақсы салыстырғыштардың мысалдары.

Гистерезис

Компартор әдетте кірістер арасындағы кернеу нөлдік вольттан өткенде шығыс күйін өзгертеді. Кірістегі әрдайым болатын шудың әсерінен болатын шағын кернеудің ауытқуы кіріс кернеуінің айырымы нөлдік вольтқа жақын болған кезде екі шығыс күйі арасында жағымсыз жылдам өзгерісті тудыруы мүмкін. Бұл шығыс тербелісінің алдын алу үшін аз гистерезис бірнеше милливольтты көптеген заманауи компараторларға біріктіреді.[8] Мысалы, LTC6702, MAX9021 және MAX9031 оларды кіріс шуынан сезінбейтін ішкі гистерезиске ие. Бір ауысу нүктесінің орнына гистерезис екеуін енгізеді: біреуі кернеудің жоғарылауына, ал екіншісінің төмендеуіне. Жоғары деңгейдің өшіру мәні (VTRIP +) мен төменгі деңгейдің айыру мәні (VTRIP-) гистерезис кернеуіне (VHYST) тең.

Егер компараторда ішкі гистерезис болмаса немесе кіріс шу ішкі гистерезиске қарағанда көп болса, онда сыртқы гистерезис желісін компаратордың инверсиясыз кірісіне шығудан оң кері байланыс арқылы құруға болады. Нәтижесінде Шмитт триггері тізбек қосымша шуылға қарсы иммунитетті және тазартқыш шығыс сигналын береді. Сияқты кейбір салыстырғыштар LMP7300, LTC1540, MAX931, MAX971 және ADCMP341 жеке гистерезис штыры арқылы гистерезис бақылауын қамтамасыз етеді. Бұл компараторлар кері байланыссыз және күрделі теңдеулерсіз бағдарламаланатын гистерезис қосуға мүмкіндік береді. Бөлінген гистерезис түйреуішін қолдану, егер кіріс импедансы жоғары болса, кірістер гистерезис желісінен оқшауланған жағдайда да ыңғайлы.[9] Гистерезис қосылған кезде компаратор гистерезис жолағындағы сигналдарды шеше алмайды.

Шығу түрі

Төмен қуатты CMOS сағаттық компараторы

Компараторларда тек екі шығу күйі болғандықтан, олардың шығысы нөлге жақын немесе қорек кернеуіне жақын. Биполярлық рельсті-рельсті компараторларда шығыс пен әр рельстің арасында аз кернеудің төмендеуін тудыратын жалпы эмитенттік шығысы бар. Бұл төмендеу қаныққан транзистордың эмитенттен коллекторлық кернеуіне тең. Шығару токтары жеңіл болған кезде, қаныққан MOSFET-ке сүйенетін CMOS рельсті-рельсті компараторлардың шығыс кернеулері рельс кернеулеріне қарағанда олардың биполярлы аналогтарына жақын болады.[10]

Шығарылымдар негізінде компараторларды да жіктеуге болады ашық дренаж немесе итеру - тарту. Ағынды судың шығысы ашық компараторлар сыртқы тарту кедергісін оң жеткізілімге дейін қолданады, бұл логиканың жоғары деңгейін анықтайды. Аралас кернеу жүйесін жобалау үшін ашық су төгетін компараторлар қолайлы. Логикалық деңгейдің шығысы үлкен кедергі болғандықтан, ашық ағызу компараторларын бірнеше компараторларды бір шинаға қосу үшін де пайдалануға болады. Итергіш-шығыс үшін ағытқыш резистор қажет емес, сонымен қатар ағынды судың ашық шығуынан айырмашылығы ток көзі болуы мүмкін.

Ішкі анықтама

Компараторлар үшін ең жиі қолданылатыны - кернеу мен тұрақты анықтамалықты салыстыру. Компараторларды өндірушілердің көпшілігі анықтамалық кернеу чипке біріктірілген компараторларды ұсынады. Сілтеме мен компараторды бір микросхемаға біріктіру кеңістікті үнемдеп қана қоймай, сонымен қатар сыртқы эталонмен салыстырғышқа қарағанда аз ток береді.[10] Сияқты сілтемелердің кең спектрі бар СК қол жетімді MAX9062 (200 мВ анықтама), LT6700 (400 мВ анықтама), ADCMP350 (600 мВ анықтама), MAX9025 (1.236 V анықтама), MAX9040 (2.048 В сілтеме), TLV3012 (1,24 В анықтама) және TSM109 (2,5 В анықтама).

Үздіксіз және сағаттық

Үздіксіз компаратор кез келген уақытта «1» немесе «0» шығарады, оның кірісіне жоғары немесе төмен сигнал түскен кезде және кірістер жаңартылған кезде тез өзгереді. Алайда, көптеген қосымшалар тек кейбір жағдайларда компаратордың шығуын талап етеді, мысалы, A / D түрлендіргіштерінде және жадында. Компараторды тек белгілі бір аралықта тоқтату арқылы жоғары дәлдікке және төмен қуатқа сағаттық (немесе динамикалық) компаратор құрылымымен қол жеткізуге болады, оны ысырмалы компаратор деп те атайды. Көбіне ысырылған компараторларда сағат жоғары болған кезде «регенерация фазасы» үшін күшті оң кері байланыс қолданылады, ал сағат аз болғанда «қалпына келтіру фазасы» болады.[11] Бұл тұрақты компаратордан айырмашылығы бар, ол тек әлсіз оң кері байланысты қолдана алады, өйткені қалпына келтіру кезеңі жоқ.

Қолданбалар

Бос детекторлар

Нольдік детектор берілген мәннің нөлге тең болғанын анықтайды. Салыстыру құралдары нөлдік анықтау үшін өте қолайлы, өйткені олар теңдестірілген кірістері бар және шығыс деңгейлері бақыланатын өте жоғары күшейткішке тең. Нөлдік детектор схемасы екі кіріс кернеуді салыстырады: белгісіз кернеу және эталондық кернеу, әдетте v деп аталадысен және vр. Эталондық кернеу, әдетте, инверсияланбайтын кірісте (+), ал белгісіз кернеу, әдетте, инверторлы кірісте (-) болады. (Электр схемасы белгілі бір кіріс екіншісінен үлкен болған кезде шығысқа қатысты кірістерді олардың белгісіне сәйкес бейнелейтін болады.) Егер кірістер шамамен тең болмаса (төменде қараңыз), шығыс оң немесе теріс болады, мысалы ± 12 V. Нөлдік детектор жағдайында кіріс кернеулері шамамен тең болған кезде анықталады, бұл анықтамалық кернеу белгілі болғандықтан белгісіз кернеудің мәнін береді.

Салыстырғышты нөлдік детектор ретінде пайдалану кезінде дәлдік шектеулі; кернеу айырымының шамасы күшейткіштің күшейтуіне көбейтілген кезде кернеу шектерінде болған кезде нөлдің шығысы беріледі. Мысалы, егер пайда 10 болса6, ал кернеу шектері ± 6 В, егер кернеу айырмашылығы 6 мкВ-тан аз болса, нөлдік нәтиже шығады. Мұны өлшеудегі негізгі белгісіздік деп атауға болады.[12]

Өткізгіштің нөлдік детекторлары

Бұл типтегі детектор үшін компаратор әр рет анықтайды ак импульс полярлықты өзгертеді. Импульстің полярлығын өзгерткен сайын компаратордың шығысы күйін өзгертеді, яғни оң импульс үшін HI (жоғары), ал теріс импульс үшін LO (төмен) кіріс сигналын квадраттайды.[13]

Релаксациялық осциллятор

Компараторды а құру үшін пайдалануға болады релаксациялық осциллятор. Мұнда жағымды және жағымсыз кері байланыс қолданылады. Оң кері байланыс болып табылады Шмитт триггері конфигурация. Жалғыз, а екі қабатты мультивибратор. Алайда, баяу кері байланыс RC тізбегі арқылы іске қосу схемасы автоматты түрде тербеліске әкеледі. Яғни, RC тізбегінің қосылуы истеретикалық бистебльге айналады мультивибратор ішіне тұрақты мультивибратор.[14]

Деңгей ауыстырғышы

Ұлттық жартылай өткізгіш LM393

Бұл тізбектегідей ашық дренажды шығысы бар жалғыз компаратор қажет LM393, TLV3011 немесе MAX9028. Схема қолайлы кернеу кернеуін қолдану арқылы аударылатын кернеулерді таңдауда үлкен икемділікті қамтамасыз етеді. Сондай-ақ, биполярлық ± 5 В логиканы бірполярлы 3 В логикаға аударуға мүмкіндік береді. MAX972.[10]

Аналогты-сандық түрлендіргіштер

Компаратор кіріс кернеуі берілген шектен жоғары немесе төмен екенін анықтау функциясын орындайтын болса, ол 1 битті орындайды кванттау. Бұл функция цифрлық түрлендіргіштердің барлық аналогтарында қолданылады (мысалы жарқыл, құбыр, дәйекті жуықтау, дельта-сигма модуляциясы, бүктеу, интерполяциялау, қос көлбеу және басқалары) көп биттік кванттауға қол жеткізу үшін басқа құрылғылармен бірге.[15]

Терезе детекторлары

Салыстырғыштарды терезе детекторы ретінде де қолдануға болады. Ішінде терезе детекторы, компаратор екі кернеуді салыстыру үшін және берілген кіріс кернеуінің кернеу астында немесе жоғары кернеуде екенін анықтау үшін қолданылады.

Абсолютті детекторлар

Салыстырғыштарды абсолютті мән детекторларын құру үшін пайдалануға болады. Абсолюттік мән детекторында екі кернеудің абсолюттік мәндерін салыстыру үшін екі компаратор мен сандық логикалық қақпа қолданылады.[16]

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ LM111 / LM211 / LM311 деректер кестесі. Texas Instruments. Тамыз 2003. Алынып тасталды 2014-07-02.
  2. ^ LM139 / LM239 / LM339 / LM2901 / LM3302 деректер кестесі. Texas Instruments. Тамыз 2012. Тексерілді 2014-07-02.
  3. ^ LMH7322 деректер кестесі. Texas Instruments. Наурыз 2013. Алынып тасталды 2014-07-02.
  4. ^ Мальмштадт, Энке және Крауч, электроника және ғалымдарға арналған аспаптар, Бенджамин / Каммингс баспасы, Инк., 1981, ISBN  0-8053-6917-1, 5 тарау.
  5. ^ Opamp vs Comparator
  6. ^ Рон Манчини «Компараторлармен жобалау, «EDN, 29 наурыз, 2001 жыл.
  7. ^ Рогенмосер, Р .; Kaeslin, H, «Транзисторлық өлшемдердің субмикрондық CMOS тізбектеріндегі қуат тиімділігіне әсері», Қатты күйдегі тізбектер, IEEE журналы 32-том, 7-шығарылым, 1997 ж. Шілде. Бет (тер): 1142–1145.
  8. ^ Рон Манчини «Салыстырғыштарға гистерезис қосу Мұрағатталды 2005-02-21 Wayback Machine, «EDN, 3 мамыр, 2001 жыл.
  9. ^ AN3616, Maxim Integrated Products, Салыстырғыштарға қосымша гистерезис қосу.
  10. ^ а б c AN886, Maxim Integrated Products, Салыстырғышты дұрыс таңдау.
  11. ^ Pedro M. Figueiredo, João C. Vital (2009). Аналогты-цифрлы түрлендіргіштердегі офсеттік төмендету әдістері: талдау, дизайн және сауда. Спрингер. 54-62 бет. ISBN  978-1-4020-9715-7.
  12. ^ Мальмштадт, Ховард V.; Энке, Кристи Дж.; Крауч, Стэнли Р. (қаңтар 1981), Ғалымдарға арналған электроника және аспаптар, The Benjamin / Cummings Publishing Co, б.108–110, ISBN  978-0-8053-6917-5
  13. ^ Ғалымдарға арналған электроника және аспаптар. Мальмштадт, Энке және Крауч, Бенджамин / Каммингс Publishing Co., In., 1981, s.230.
  14. ^ Пол Хоровиц пен Уинфилд Хилл: Электроника өнері, Кембридж университетінің баспасы, екінші басылым, Кембридж 1989 ж., 284–285 бб.
  15. ^ Филлип Аллен мен Дуглас Холберг: CMOS аналогтық схемасын жобалау, Оксфорд университетінің баспасы, екінші басылым, Оксфорд 2002 ж.
  16. ^ «Иранманеш, С., Родригес-Виллегас, Е. (2016). Төмен қуатты абсолютті мәнді салыстыру схемасын CMOS енгізу. IEEE NEWCAS, маусым 2016». дои:10.1109 / NEWCAS.2016.7604807. S2CID  10810576. Журналға сілтеме жасау қажет | журнал = (Көмектесіңдер)

Сыртқы сілтемелер