Transcript Wyklad_nr10_Komp_W12.ppt

12.Komparatory
12.1. Wstęp
Komparatorami nazywamy układy, które porównują przychodzący
do układu sygnał analogowy z innym sygnałem analogowym lub
sygnałem odniesienia i wytwarzają binarny sygnał wyjściowy będący
wynikiem tego porównania.
Komparatorami są szeroko stosowane w procesie zamiany sygnałów
analogowych na sygnały cyfrowe. W swej najprostszej postaci
komparator można rozpatrywać jako 1-bitowy przetwornik analogowacyfrowy.
Komparatorami dzielimy na :
-komparatory pracujące w układzie otwartej pętli (nieregenracyjne),
- komparatory regeneracyjne,
-komparatory kombinacyjne.
Komparatory pracujące w układzie otwartej pętli (nieregeneracyjne)
są w zasadzie układami nieskompensowanych wzmacniaczy
operacyjnych.
W komparatorach regeneracyjnych stosowane jest dodatnie
sprzężenie zwrotne podobnie jak w układach przerzutników
bistabilnych.
Komparatorami kombinacyjne są połączeniem układów pracujących
w konfiguracji otwartej pętli i układów regeneracyjnych.
Rozwiązanie to pozwala uzyskać komparatory o bardzo dużej
szybkości działania.
12.2. Charakterystyki komparatorów
+ECC
vP
+
vN
-
vO
-EEE
Rys. 12.2.1. Symbol komparatora
Symbol komparatora jest identyczny ze symbolem wzmacniacza
operacyjnego, ponieważ komparator ma bardzo wiele identycznych
właściwości jak wzmacniacze o dużym wzmocnieniu.
12.2.1. Charakterystyki statyczne komparatorów
Charakterystykę statyczną idealnego komparatora pokazuje rys. 12.2.1.1.
vO
VOH
vP- vN
VOL
Rys. 12.2.1.1. Charakterystyka statyczna idealnego komparatora
Idealny komparator można zamodelować w postaci układu
(rys.12.2.1.2)
vP-vN
+
f(vP-vN)
vO
VOH dla (vP  vN )  0
f (v P  v N )  
VOL dla (vP  vN )  0
Rys. 12.2.1.2. Model idealnego komparatora
Charakterystykę statyczną komparatora o skończonej wartości
wzmocnienia przedstawia rys. 12.2.1.2.
vO
AV (vP-vN)
VOH
VIL
VIH
vP- vN
VOL
V
 VOL
Av  OH
VIH  VIL
Rys. 12.2.1.3. Charakterystyka statyczna komparatora o skończonej
wartości wzmocnienia
VIH i VIL reprezentują wartości napięć wejściowych koniecznych
do uzyskania nasycenia na wyjściu układu. Różnica tych napięć
nazywana jest rozdzielczością komparatora.
Oprócz skończonej wartości wzmocnienia rzeczywiste układy
komparatorów charakteryzują się napięciem niezrównoważenia VOS
(rys. 12.2.1.4)
vO
VOH
VOS
VIL
VIH
v P- v N
VOL
Rys. 12.2.1.4. Charakterystyka statyczna komparatora o skończonej
wartości wzmocnienia i napięciu niezrównoważenia
± VS
+
vP-vN
+
f(vP-vN)
vO
VOH dla (vP  vN )  0


f (vP  vN )   Av (vP  vN ) dla VIL  (vP  vN )  VIH

VOL dla (vP  vN )  0

Rys. 12.2.1.5. Model komparatora o skończonej wartości
wzmocnienia i napięciem niezrównoważenia
12.2.2. Charakterystyki dynamiczne komparatorów
vO
VOH
vO = (VOH+VOL)/2
VOL
t
vI
VIH
vI = (VIH+VIL)/2
VIL
tP
t
Rys. 12.2.2.1. Czas opóźnienia propagacji komparatora
Czas opóźnienia propagacji komparatora zależy od amplitudy sygnału
wejściowego. Sygnał wejściowy o większej wartości z reguły daje
w efekcie mniejszy czas opóźnienia propagacji. Istnieje górna granica
powyżej której dalsze zwiększanie wielkości sygnału wejściowego nie
daje skrócenia czasu propagacji. Parametrem określającym tą granicę
jest maksymalna szybkość zmiany napięcia wyjściowego SR (slew rate).
Właściwości komparatorów w dziedzinie częstotliwości określane są
podobnie jak wzmacniacze operacyjne, poprzez podanie wzmocnienia
różnicowego Av(0) i częstotliwości bieguna dominującego fc
Av (0) Av (0)
Av ( s ) 

s 1  s c
1
(12.2.2.1)
c
Układy komparatorów mają mniejsze wartości wzmocnienia
różnicowego Av(0) i większe wartości częstotliwości fc niż układy
wzmacniaczy operacyjnych.
Zdefiniujmy minimalne napięcie komparatora jako
VI (min) 
VOH  VOL
Av (0)
(12.2.2.2)
Wówczas
VOH VOL
t p /  c
t p / c  VOH  VOL 

 Av (0) [1  e
]VI (min)  Av (0) [1  e
] 
2
 Av (0) 
(12.2.2.3)
A zatem
tp(max) = τc ln(2) = 0,693 τc
(12.2.2.4)
Jeśli przyłożone napięcie do wejścia komparatora VI jest k razy
większe niż minimalne napięcie VI(min), wówczas
 2k 

t p  c ln 
 2k  1 
(12.2.2.5)
Przy bardzo dużym sygnale wejściowym czas opóźnienia propagacji
wyznacza maksymalna szybkość zmiany napięcia wyjściowego SR
(slew rate). Wówczas
V VOH  VOL
t p  T 

SR
2 SR
(12.2.2.6)
Przykład.
Parametry komparatora :
Av(0) = 80 dB, ωc = 103 rad/sek,
SR = 1V/sek, VOH – VOL = 1V
Dla sygnału wejściowego o wielkości VI = 10 mV określić czas
opóźnienia propagacji tp komparatora.
VI (min) 
VOH  VOL
1
 4  0,1 mV
Av (0)
10
k
VI
10 mV

100
VI (min) 0,1 mV
 2k  1  200 
  3 ln 
t p  c ln 
  5,01  sek
 2k 1  10  199 
VOH  VOL
1
tp 

 0,5  sek
6
2 SR
210
Z tych dwóch wartości tp jako czas opóźnienia propagacji przyjmujemy
większy czas opóźnienia, tj. 5,01 sek.
12.3. Komparatory pracujące w układzie otwartej pętli (komparatory
nieregeneracyjne)
+EDD
M6
M3
-
M4
M1
vO
M2
vI
CL
+
M5
M7
-ESS
12.3.1. Prosty układ komparatora
V500μA
+
-
Wejście
T1
Masa
500μA
T2
3Ω
T3 T4
4kΩ
T5 T6
T11
T9
1,2kΩ
10μA
Wyjście
1,2kΩ
750Ω
10μA
600Ω
T7
T8
600Ω
V+
12.3.2. Schemat komparatora LM111
5M
2,5M
λ
2
+
8
10k
vO
LM111
3
5M
Wyjście układów
logicznych MOS
1
4
-10V
12.3.3. Detektor poziomu dla fotodiody
12.3.4. Multiwibrator z wykorzystaniem układu komparatora
12.4. Komparatory regeneracyjne
Komparatory pracują niekiedy w bardzo zaszumionym środowisku.
Jeśli komparator jest układem szybkim a amplituda szumów duża
może wystąpić przypadkowe przełączanie sygnału na wyjściu
vI
t
vO
t
Rys. 12.4.1. Odpowiedź komparatora na zaszumiony sygnał wejściowy
Rozwiązaniem jest zastosowanie komparatorów z pętlą histerezy
(komparatory regeneracyjne)
vOH
vI
vO
vIWy
vIZa
vIWy
vIZa
vI
t
vOL
vO
t
Rys. 12.4.2. Odpowiedź komparatora z pętlą histerezy na zaszumiony
sygnał wejściowy
Istnieje kilka metod wprowadzenia histerezy do układu komparatora.
Wszystkie one opierają się na zasadzie dodatniego sprzężenia
zwrotnego. Sprzężenie to może być wprowadzone jako element
zewnętrzny (rys. 12.4.3.) lub wewnętrzny układu (rys.12.4.6).
vI
VCC
VEE
R
RL
1
vO
R
2
Rys. 12.4.3. Komparator z histerezą – zewnętrzna pętla dodatniego
sprzężenia zwrotnego
vO
vOH=VCC
βVCC
vI
vOL= -VEE
R1

R1  R2
vO
vOH=VCC
-βVEE
vI
vOL= -VEE
Rys. 12.4.4. Komparator z histerezą – przebiegi napięcia wyjściowego
przy wzroście i maleniu napięcia wyjściowego
vO
vOH=VCC
βVCC
vI
-βVEE
R1

R1  R2
vOL= -VEE
Rys. 12.4.5. Komparator z histerezą – charakterystyka wypadkowa
+EDD
M6
M7
M3
M4
vO
-
M1
M2
vI
+
M5
-ESS
Rys. 12.4.6. Komparator z histerezą – wewnętrzna pętla dodatniego
sprzężenia zwrotnego
12.5. Układ regeneracyjnego formowania impulsów na przykładzie
układu scalonego 555
Układ zawiera dwa komparatory nieregeneracyjne, przerzutnik SR
i tranzystor Q pracujący jako klucz. Wymagane jest tylko jedno
napięcie zasilania (VCC) o typowej wartości 5 V.
W układzie zamontowany jest rezystancyjny dzielnik napięcia,
zawierający trzy elementy o jednakowych wartościach, ustalający
poziomy załączenia komparatorów, tzn. VTH = 2/3 VCC dla
komparatora 1 i VTL = 1/3 VCC dla komparatora 2.
Przerzutnik bistabilny SR ma na wyjściu Q stan wysoki (+VCC),
a na wyjściu Q , stan niski (w przybliżeniu 0 V), jeśli przerzutnik
znajduje się w stanie załączonym (set), w stanie zerowania (reset)
na wyjściu Q mamy stan niski, a na wyjściu Q - wysoki.
Komparator 1
Próg
Wyjście
Komparator 2
Wyzwalanie
Przerzutnik
Rozładowanie
Masa
Rys. 12.5.1. Schemat blokowy układu scalonego 555
vI
2R
VCC
R
vO
RL
vI
VCC
VR= 1/3 VCC
vO
RL
vO
vOH=VCC
1/3VCC
vI
Rys. 12.5.2. Praca układu komparatora 2
vI
R
VCC
2R
vO
RL
vI
VCC
VR= 2/3 VCC
vO
RL
vO
vOH=VCC
2/3VCC
vI
Rys. 12.5.3. Praca układu komparatora 1
R
S
0V
0V
Stan poprzedni
5V
0V
0V
0V
5V
5V
5V
Q
5V
Q
Stan poprzedni
5V
0V
Stan niedozwolony Stan niedozwolony
Rys. 12.5.4. Tabela stanów przerzutnika bistabilnego RS
12.5. 1. Układ scalony 555 jako przerzutnik monostabilny
Rys. 12.5.5. Układ 555 jako przerzutnik monostabilny
t



RC
vC VCC 1e





12.5.1
Podstawiając vc = VTH = 2/3 VCC dla t = T otrzymujemy
T = R C ln3 = 1,1 R C
12.5.2
A zatem szerokość impulsu określona jest przez zewnętrzne
elementy R i C
12.5. 2. Układ scalony 555 jako przerzutnik astabilny
12.5. 2.1. Układ scalony 555 jako przerzutnik astabilny
vC VCC (VCC VTL ) e
t
C ( RA  RB )
przy czym t = 0, jest chwilą, gdy stan wysoki się rozpoczyna (TH).
Podstawiając vc = VTH = 2/3 VCC dla t = TH i VTL = 1/3 VCC
otrzymujemy
TH = C (RA + RB) ln2 = 0,69 C (RA + RB)
Łatwo zauważyć, że v0 będzie znajdować się w stanie niskim,
w przedziale czasu TL, w którym vC spadnie ze stanu VTH do VTL..
Eksponencjalny spadek tego napięcia można opisać zależnością
t



RB C
vC VTH 1e





Podstawiając vc = VTL = 1/3 VCC dla t = TL i VTH = 2/3 VCC
otrzymujemy
TL = C RB ln2 = 0,69 C RB
A zatem
T = TH + TL = 0,69 C (RA + 2RB)