View
218
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Liniowe układy scalone
Komparatory napięcia i ich zastosowanie
Komparator
● Zadaniem komparatora jest wytworzenie sygnału logicznego 0 lub 1 na wyjściu w zależności od znaku różnicy napięć wejściowych
● Jest elementarnym przetwornikiem A/C jednobitowym
● Ogniwo pośrednie między układami analogowymi a cyfrowymi
● Komparatory analogowe (w odróżnieniu od cyfrowych)
Komparator
● Zastosowanie:– W układach formujących,
– Przetwornikach A/C
– Dyskryminatorach amplitudy
– Generatorach
– Wzmacniaczach odczytu
Komparator a wzmacniacz operacyjny
● Komparator jest szczególnym rodzajem wzmacniacza operacyjnego – o bardzo dużym wzmocnieniu
– Przeznaczony do pracy z otwartą pętlą
● W zasadzie każdy wzmacniacz operacyjny może pracować jako komparator
Różnice pomiędzy komparatorem a wzmacniaczem operacyjnym
● Komparatory są układami o wiele szybszymi niż wzmacniacze– Komparator jako układ pracujący z otwartą pętlą
może być tak zaprojektowany aby otrzymać max. szerokość pasma i minimalny czas narastania napięcia wyjściowego bez uwzględniania przesunięć fazowych i kompensacji częstotliwości
– Czas wyjścia ze stanu nasycenia w komparatorze jest krótszy niż we wzmacniaczu (który pracuje tylko w zakresie liniowym)
Różnice pomiędzy komparatorem a wzmacniaczem operacyjnym
● Poziomy napięcia na wyjściu komparatora są dostosowane do wymagań typowych układów cyfrowych (TTL, CMOS)
● Wzmacniacze dysponują szerokim zakresem napięcia wyjściowego
● Stosując wzmacniacz operacyjny zamiast komparatora należy dodać układ dostosowujący poziomy napięć na wyjściu wzmacniacza do odpowiedniego poziomu sygnału cyfrowego
Różnice pomiędzy komparatorem a wzmacniaczem operacyjnym
● Komparatory mają zwykle szerszy niż wzmacniacze zakres napięcia wejściowego
● Wejściowe napięcie niezrównoważenia oraz jego współczynnik cieplny są na ogół większe w komparatorach niż we wzmacniaczach
● Komparatory (zwłaszcza te o dużej szybkości) mają mniejsze rezystancje wejściowe i większe wejściowe prądy polaryzujące niż wzmacniacze
Parametry komparatorów
● Zbliżone do parametrów wzmacniacza operacyjnego – różnice wynikają z cyfrowego charakteru napięcia wyjściowego
● Przy wyborze komparatora należy brać pod uwagę dwie cechy:– Szybkość
– dokładność
Czułość komparatora
● Określa dokładność komparatora● Najmniejsza wartość napięcia wejściowego
różnicowego prawidłowo wykrywana przez układ
Wejściowe napięcie niezrównoważenia
● Wartość wejściowego napięcia różnicowego wytwarzająca określone napięcie na wyjściu
● We wzm.op. przy UO=0, dla komparatorów przy
pewnym umownym napięciu (najczęściej progu logicznego)
● Dla komparatora μA710 napięcie progu wynosi dla remp. 0 st.C – 1,5 V, dla +25 st.C – 1,4 V, dla +70 st.C – 1,2 V
Współczynnik cieplny wejściowego napięcia niezrównoważenia
● Zmiana wejściowego napięcia niezrównoważenia przy zmianie temperatury o 1 st. C (podobnie jak dla wzm. op.)
● Napięcie niezrównoważenia można wyzerować za pomocą dodatkowych obwodów (jak we wzm. op.), ale osiągnięta korzyść nie jest duża – komparatory o większym napięciu niezrównoważenia mają większy współczynnik cieplny a wyzerowanie napięcia niezrównoważenia nie powoduje kompensacji jego zmian cieplnych
Wejściowe prądy polaryzująceWejściowy prąd niezrównoważenia
● Wejściowy prąd polaryzujący – średnia wartość prądów polaryzujących oba wejścia
● Wejściowy prąd niezrównoważenia – różnica wejściowych prądów polaryzujących zmierzona przy napięciu wyjściowym rożnym napięciu progu logicznego
● Współczynnik cieplny wejściowego prądu niezrównoważenia – zmiana prądu przy zmianie temperatury o 1 st.C (nA / st.C)
Wzmocnienie napięciowe
● Stosunek zmiany napięcia wyjściowego do zmiany różnicowego napięcia wejściowego zmierzony przy napięciu na wyjściu bliskim napięciu progu logicznego
● Zależy od temperatury i wartości napięć zasilających
Współczynnik tłumienia sygnału współbieżnego
● CMRR – takie samo znaczenie jak we wzm. op.● Stosunek zmiany współbieżnego napięcia
wejściowego do zmiany wejściowego napięcia niezrównoważenia, jaka następuje w tym zakresie [dB]
● Zależny od temperatury
Czas odpowiedzi
● Czas upływający od chwili podania na wejście komparatora określonego skoku napięcia, do chwili gdy napięcie wyjściowe osiągnie poziom progu logicznego
● Czas odpowiedzi na sygnał sinusoidalny (najczęściej przy amplitudzie 30mV i częstotliwości 30 MHz)
Inne parametry● Maksymalne dopuszczalne napięcie wejściowe
● Maksymalne dopuszczalne różnicowe napięcie wejściowe
● Zakres zmian napięcia wejściowego
● Zakres zmian różnicowego napięcia wejściowego
● Poziomy napięcia wyjściowego (odpowiadające 0 i 1)
● Maksymalne prądy wyjściowe - max. prąd jaki może wpływać do zacisku wyjściowego oraz max. prą jaki można pobrać z wyjścia komparatora
● Obciążalność wyjściowa (fan out) – liczba bramek logicznych określonego rodzaju którymi można obciążyć komparator
● Rezystancja wyjściowa
● Pobór mocy
Budowa komparatora
● Część analogowa i cyfrowa● Trudny do zaprojektowania - ze względu na
przeciwstawne wymagania – problemem jest pogodzenie
Budowa komparatora● Układ wejściowy – wzmacniacz różnicowy o bardzo dużym
wzmocnieniu zasilany przez odpowiednie układy polaryzacji
● Układy polaryzacji zapewniają odseparowanie od zasilania części cyfrowej
● Wzmacniacz powinien mieć szerokie pasmo częstotliwości i dużą szybkość zmian napięcia wyjściowego
● Część cyfrowa – jest układem do przesuwania poziomów, dającym na wyjściu standardowe poziomy logiczne (np. TTL)
● Niektóre komparatory mają możliwość konfiguracji z różnymi poziomami cyfrowymi na wyjściu (LM111) w zależności od dołączenia dodatkowych obwodów zewnętrznych
Zastosowanie komparatorów i wzmacniaczy operacyjnych w układach porównujących
● Zadanie: porównywanie analogowych sygnałów wejściowych (napięciowych lub prądowych) z sygnałami odniesienia, sygnał cyfrowy na wyjściu stwierdza, czy czy sygnał wejściowy jest większy od sygnału odniesienia lub czy mieści się w określonym przedziale napięć
● Typy układów porównujących (dyskryminatorów):
– Detektor przejścia przez zero
– Dyskryminator progowy
– Dyskryminator okienkowy
Detektor przejścia przez zero
● Wytwarza sygnał wyjściowy zmieniający stan za każdym razem, gdy wartość analogowego sygnału wejściowego przekracza poziom zerowy
● Przydatny przy analizie widma częstotliwościowego – zamienia sygnał w ciąg impulsów prostokątnych o szerokościach zależnych od częstotliwości – redukcja szumów i zniekształceń – dalsza obróbka – metodami cyfrowymi)
● Zastosowanie: w systemach przetwarzania i obróbki danych analogowych, układy pamięci analogowych, badanie korelacji sygnałów
Detektor przejścia przez zero (1)
● Poziom na wyjściu - TTL
● Wyjście jest w stanie 1 gdy sygnał wejściowy jest dodatni, 0 – gdy ujemny
● Na wejściu – filtr wybierający żądany zakres częstotliwości
● Układ strobujący
● Poziomu napięcia strobującego powinny być poziomami TTL
Detektor przejścia przez zero (2)
● Komparator LM111
● Poziomy napięcia wyjściowego zgodne z poziomami układów logicznych MOS
● Przy napięciach zasilania +5V i -10V uzyskuje się wartość napięcia wyjściowego 4,5V dla stanu logicznego 1 i -9,5 V dla 0
Detektor przejścia przez zero ze wzmacniaczem operacyjnym (1)
● Dioda Zenera – ogranicznik napięcia
● Poziom napięcia zależy od kierunku prądu I
2 i jest równy
albo napięciu zenera UZ albo
napięciu na diodzie Zenera UF
spolaryzowanej w kier. przewodzenia
● Zmiana stanu napięcia następuje przy I
2 = 0, ponieważ
I1=I
2+I
B – w chwili zmiany
stanu I1=I
B i następuje
zrównanie prądu polaryzującego z prądem wejściowym
Detektor przejścia przez zero ze wzmacniaczem operacyjnym (1) c.d.
● Dla zmniejszenia błędu spowodowanego prądem polaryzującym włącza się rezystor R między wejścia nieodwracające i masę
● Zmiana stanu napięcia wyjściowego w układzie idealnym powinna następować przy napięciu wejściowym równym 0
● W rzeczywistości z powodu wejściowego napięcia niezrównoważenia i prądu niezrównoważenia zmiana następuje przy wartości U
I=U
IO+I
IOR
● Napięcie niezrównowążenia można skompensować znanymi metodami
Detektor przejścia przez zero ze wzmacniaczem operacyjnym (2)
● Napięcie wyjściowe jest równe napięciu Zenera jeśli U
I<0.
● Jeżeli UI>0 – napięcie
wyjściowe =0,7V
● Dobierając diodę o odpowiednim napięciu Zenera można stosować ten układ do współpracy z układami logicznymi różnych typów
● Potencjometr – do kompensacji napięcia niezrównoważenia
Dyskryminator progowy● Wytwarza na swym wyjściu sygnał logiczny, będący rezultatem
porównania wartości napięci (prądu) sygnału wejściowego z napięciem (prądem) odniesienia
● Napięcie wyjściowe przyjmuje 2 warości U
Omax lub U
Omin zależnie
od znaku różnicy napięć UI i
napięcia odniesienia UR
● Wartości wyjściowe napięć zależą od komparatora
● Minimalizacja napięcia niezrównoważenia wywołanego przez prądy polaryzujące – dobrać R
1 = R
2, przy czym
wartości rezystorów nie powinny być duże (< 200 Ohm)
Wady prostego dyskryminatora progowego
● W przypadku bardzo wolno zmiennego sygnału wejściowego napięcie wyjściowe może na pewien czas przyjąc wartość pośrednią między U
Omax i U
Omin
gdy punkt pracy komparatora znajduje się w liniowym obszarze charakterystyki U
O=f(U
I), odpowiadającym
małej różnicy UI i U
R
● Powstaje niebezpieczeństwo oscylacji – komparator jest równy wówczas wzmacniaczowi operacyjnemu o dużym wzmocnieniu bez kompensacji częstotliwościowej
● Na wejściu często występują szumy nakładające się na przebieg sygnału i powodujące przypadkowe zmiany stanu na wyjściu , gdy wartość U
I jest bliska U
R
Dyskryminator progowy z histerezą
● Dzielnik rezystorowy R2, R
3 powoduje powstanie dodatniego
sprzężenia zwrotnego
● Napięcia progowe:
● Napięcie histerezy
U p1=U R
R3
R2R3
U Omin
R2
R2R3
U p2=U R
R3
R2R3
U Omax
R2
R2R3
U H=U p2−U p1=R2U Omax−U Omin
R2R3
Dyskryminator progowy z histerezą c.d.
● W celu minimalizacji błędów powodowanych przez wejściowe prądy polaryzujące należy dobrać R
1 i R
2 możliwie małe i R
1 = R
2 || R
3
● Stosunek rezystorów w sprzężeniu dodatnim powinien być mniejszy od wzmocnienia napięciowego komparatora. Jeśli ten warunek nie jest spełniony mogą powstać oscylacje w układzie – stąd wynika minimalna wartość napięcia histerezy
● Dyskryminator napięcia z histerezą zwany jest tez układem Schmitta
Dyskryminator progowy z regulowaną histerezą (1-stronnie)
● Dioda D1 powoduje przerwanie
obwodu dodatniego sprzężenia zwrotnego, gdy napięcie wyjściowe jest równe dolnemu poziomowi logicznemu.
● Dolny próg dyskryminacji jest zawsze równy napięciu odniesienia U
R, górny można zmieniać przez
zmianę wartości R2
● UZ > U
R
● R3 słuzy do ograniczania prądu
diody Zenera
● R4 – do rozładowywania
pojemności pasożytniczej D2
Dyskryminator napięcia ze wzmacniaczem operacyjnym - sumujący
● Zawiera 2 rezystory sumujące
● Jako napięcia odniesienia – dodatnie lub ujemne napięcie zasilające (jeśli są stabilizowane)
● Próg dyskryminacji reguluje się stosunkiem R
1/R
2
● Poziom napięcia wyjściowego zalezy od kierunku prądu I
3
● Porównanie następuje przy:
● 2-gi składnik – błąd spowodowany napięciem niezrównoważenia
● R3 zmiejsza błąd spowodowany
prądami polaryzującymi
U I=−R1
R2
U RU IO1R1
R2 I IO R1
Dyskryminator napięcia ze wzmacniaczem operacyjnym - różnicowy
● Potrzebny jest tylko jeden rezystor sumujący
● Napięcie UR musi być równe
żądanemu progowi dyskryminacji
● Źródłami błędu w układzie są : napięcie niezrównoważenia wzmacniacza oraz CMRR
● Wprowadzając słabe sprzężenie zwrotne dodatnie otrzymuje się dyskryminator z histerezą
Dyskryminatory okienkowe
● Dyskryminator okienkowy powinien wytwarzać na swym wyjściu sygnał logiczny stwierdzający czy wartość napięcia wejściowego zawiera się w określonym przedziale napięć odniesienia
● Zastosowanie: technika pomiarowa, układy sygnalizacyjne
● Stosuje się 2 komparatory lub jeden podwójny
Dyskryminator okienkowy na CA 3290
● Progi dyskryminacji wyznacza dzielnik rezystorowy R
1, R
2, R
3.
Dioda świeci się gdy napięcie wejściowe jest większe od napięcia U
p1 na
wejściu (-) K2 i nie przekracza wartości U
p2 na
wejściu (+) K1
● Duża impedancja wejściowa wynikająca z właściwości komparatora CA 3290 – stopień wejściowy z tranzystorów MOS
Dyskryminator okienkowy ze wzmacniaczem operacyjnym
● Gdy UI+U
R<0 dioda D
2 przewodzi a
D1 zablokowana
● Napięcie w punkcie A jest równe 0 i przez rezystor R/4 nie płynie prąd
● Ogranicznik napięcia współpracujący z W2 powoduje zmiane znaku napięcia wyjściowego w chwili gdy I
d zmienia znak:
● Czyli przy napięciu wejściowym:
U I
RU R
RUR
=I d=0
U I=−U R−U
Dyskryminator okienkowy ze wzmacniaczem operacyjnym c.d.
● Gdy UI+U
R<0 – D
1 przewodzi i
napięcie na wyjściu W1 równe jest -1/2 (U
I+U
R)
● Górna granica okna :
● a więc:
● Środek okna dyskryminacji jest równy napięciu odniesienia U
R z
odwrotnym znakiem,a szerokość okna wynosi 2ΔU
● Zmieniając UR można przesuwać
okno bez zmiany jego szerokości
U I
RU R
RUR
−1/2U 1U R
R /4=I d=0
U I=−U RU
Recommended