Analogni komparateri

ime komparatora potječe od latinskog usporediti - usporediti. Uređaji kod kojih se mjerenje vrši usporedbom sa standardnim radom na ovom principu. Na primjer, vaga s jednakim krakom ili električni potenciometri.

Načelo djelovanja razlikuje električne, pneumatske, optičke, pa čak i mehaničke komparatere. Potonji se koriste za provjeru mjera krajnje duljine. Lenoir je 1792. godine u Parizu prvi put primijenio usporednik za provjeru krajnjih mjera, o čemu postoji članak u enciklopediji Brockhaus i Efron.

Ovaj mehanički komparator korišten je za provjeru standarda 1 m u formiranju francuskog metričkog sustava. Točnost mjerenja takvog komparatora pomoću sustava pomičnih poluga dosegla je 0,0005 mm. Za to je vrijeme bilo vrlo točno. Ali u ovom članku nećemo detaljno razmotriti mehaničke i druge usporednike, jer naša je zadaća komparatori napona.

Integrirani komparateri. Načelo djelovanja i sorte

Trenutno se komparateri uglavnom koriste u integriranom dizajnu. Malo bi ljudi pomislilo sastaviti komparator od diskretnih tranzistora. Štoviše, komparatori se koriste kao dio nekih sklopova.

Na primjer integrirani tajmer NE555 sadrži čak dva komparatora na ulazima, čime se, zapravo, postiže sva čar njegovog rada. Osim toga, mnogi moderni mikrokontroleri također imaju ugrađene komparatere. Ali, bez obzira na izvršenje, principi komparatora potpuno su isti.

Suvremeni komparateri u shemi vrlo su slični opampovima. Zapravo, ovo je isto operativno pojačalo, samo bez povratnih informacija i s vrlo velikim pojačanjem. Kompararator također ima dva ulaza, izravni i obrnuti (označeni krugom ili znakom minus).

Glavna funkcija komparatora je usporedba dva napona, od kojih je jedan primjer primjer ili referentni, a drugi je zapravo izmjeren. Izlazni signal komparatora može uzeti samo dvije vrijednosti: logičku nulu i logičku jedinicu, ali ne može se linearno mijenjati, poput operativnog pojačala.

Na izlazu komparatora u pravilu postoji izlaz tranzistor s otvorenim sakupljačem i odašiljačem. Stoga se može povezati bilo prema krugu s OE-om ili sljednikom odašiljača, ovisno o potrebama određenog kruga, kao što je prikazano na slici 1.

Slika 1a prikazuje uključenje izlaznog tranzistora u krug s zajedničkim emiterom. U tom se slučaju na izlaz kaskade mogu povezati TTL i CMOS - logika s naponom napajanja od + 5V. Ako se CMOS - logika napaja naponom od 15 V, tada se gornji izlaz otpornika od 1KΩ prema shemi treba povezati sa + 15V napajanjem.

Kada je izlazni tranzistor spojen prema krugu sljedbenika emitera, kao što je prikazano na slici 1b, napon na izlazu komparatora će varirati unutar + 15V ... -15V. Međutim, ovim uključivanjem, brzina komparatora znatno se smanjuje, a osim toga ulazi se „mijenjaju“, - ulazi se preokreću.

Slika 1

Kako provjeriti usporednik, živ ili ne živ?

Ako je LED uzastopno lemljen otpornikom R u krugu prikazanom na slici 1a spajanjem anode na napajanje od + 5V, a na ulaze se koristi napon pomoću otpornika, tada promjena ovih napona pomoću najmanje promjenjivih otpornika može uzrokovati bljeskanje LED-a. U kojem ćete redoslijedu primijeniti referentni i ulazni napon možete naći i dalje. Neka je takva shema ispitivanja mali praktični zadatak.

Logika komparatora

Funkcionalni dijagram usporednika prikazan je na slici 2.

Slika 2. Funkcionalni dijagram komparatora

S toliko ulaza i ulaznih signala moguće su dvije mogućnosti. U prvom slučaju, prikazanom na lijevoj strani slike, referentni napon se primjenjuje na invertirajući ulaz, a ulazni napon na neinvertirajući. Ako ulazni napon premaši referentni napon, na izlazu komparatora pojavit će se visoka razina (zapis 1). U protivnom ćemo imati logičku nulu.

U drugoj verziji, prikazanoj s desne strane slike, referentni napon se primjenjuje na izravni ulaz, a ulazni napon na invertirajući. U ovom slučaju, ako je ulazni napon veći od referentnog napona na izlazu komparatora, logička nula, inače, jedinstvo. Na slici 2 svi su ti zaključci prikazani u obliku matematičkih formula.

Ali ovdje pažljivi čitatelj može postaviti prikladno pitanje: „Pogledajte sliku 1, koliko ima prodajnih mjesta! Dakle, o kome oni razgovaraju, kakva je nula i gdje je ovdje jedinica? " U ovom slučaju govorimo o bazi izlaznog tranzistora, vjeruje se da je to izlaz operativnog pojačala, na koji se dovode ulazni signali. A izlazni tranzistor, kako je naznačeno u komentarima na slici 1, može se uključiti na bilo koji način.

Neke karakteristike analognih komparatora

Pri korištenju komparatora moraju se uzeti u obzir njihove karakteristike koje se mogu podijeliti na statičke i dinamičke. Statički parametri komparatora su oni koji se određuju u stabilnom stanju.

Prije svega, to je osjetljivost praga komparatora. Definira se kao minimalna razlika ulaznih signala kod kojih se na izlazu pojavljuje logički signal.

Pored ulaza i izlaza, mnogi usporednici imaju izlaze za napajanje odstupanja napona Ucm. Pomoću ovog napona vrši se potrebni pomak prijenosne karakteristike u odnosu na idealni položaj.

Jedan od glavnih parametara komparatora je histereza. Najlakši način za objašnjenje ovog fenomena je upotreba primjera s konvencionalnim relejem. Pustite radni napon zavojnice, na primjer, 12V, tada će relej raditi s njim. Ako nakon toga, postupno smanjujte napon napona zavojnice, tada će se relej otpustiti, na primjer, na naponu od 7 V. Ova razlika od čak 5 V za ovaj relej je histereza. No relej se neće ponovo uključiti, ako napon ostane na razini 7V, to se neće dogoditi. Da biste to učinili, ponovno podignite napon na 12V. A onda ...

Isto je promatrano i kod komparatora. Pretpostavimo da se ulazni napon ravnomjerno povećava u odnosu na referentni napon (primjenjuju se signali, kao što je prikazano na lijevom dijelu slike 2). Čim ulazni napon postane veći od referentnog napona (ne manji od vrijednosti osjetljivosti na prag), na izlazu komparatora pojavit će se logička jedinica.

Ako se ulazni napon sada počne glatko smanjivati, tada će se prijelaz s logičke jedinice na logičku nulu dogoditi kada je ulazni napon malo niži od referentnog napona. Razlika ulaznih napona kod tih „iznad referentnih“ i „ispod referentnih“ naziva se histerezom komparatora. Histereza komparatora je zbog prisutnosti pozitivnih povratnih informacija u njemu, koje su dizajnirane za suzbijanje "odskoka" izlaznog signala prilikom prebacivanja komparatora.

Kako je usporednik

Dijagram kruga na razini tranzistora prilično je složen, velik, ne baš jasan, ali praktički nije potreban. Ovo su dizajnerske karakteristike integriranog kruga, čini se da tranzistori ostaju svuda, čak i tamo gdje nisu potrebni. Stoga je bolje razmotriti pojednostavljeni funkcionalni dijagram komparatora, koji je prikazan na slici 3.

Slika 3. Pojednostavljeni funkcionalni dijagram komparatora

Dijagram prikazuje ulazni diferencijalni stupanj (DC), izlaznu logiku i krug pomaka razine.

Ulazni DC vrši glavno pojačanje razlike signala, a također, uz pomoć pristranog uređaja, omogućuje izvođenje željenog stanja na izlazu, što vam omogućuje odabir vrste logike (TTL, ESL, CMOS) s kojom ćete raditi.Ova postavka provodi se pomoću reznog otpora spojenog na terminale "balansiranje".

Komparatori za nadgradnju i memoriju

Neki moderni komparateri imaju rešetkasti ulaz: usporedba ulaznih signala događa se samo u trenutku napajanja odgovarajućeg impulsa. To vam omogućuje da usporedite ulazne signale u tom trenutku kada je to potrebno. Pa dobro, što god želite! Pojednostavljeni blok dijagram komparatora s rešetkama prikazan je na slici 4.

Slika 4. Pojednostavljeni blok dijagram usporednika

Usporedbe prikazane na ovoj slici imaju parafazni izlaz, poput okidača, gornji izlaz je izravan, a donji je označen krugom i obrnuto je. Uz to, ovdje je prikazan i ulaz C.

Na slici 4a rešetka ulaznih signala izvodi se na visokoj razini na ulazu C. Kada je rešetka na niskom nivou, grafička oznaka na ulazu C trebala bi imati mali krug (inverzijski znak).

Na Slici 4b, ulaz C za vrata ima crticu /, što označava da se rešetka pojavljuje na uzlaznom rubu impulsa. U slučaju kačenja na padajućem pročelju, crtica ima ovaj smjer.

Dakle, signal o rešetki nije ništa drugo nego rezolucija usporedbe. Rezultat usporedbe može se pojaviti na izlazu samo tijekom djelovanja impulsa vrata. No, neki modeli usporednika imaju memoriju (dovoljan je samo jedan okidač) i pamte rezultate usporedbe sve dok ne stigne sljedeći puls.

Trajanje strobos impulsa (njegov rub) mora biti dovoljno da ulazni signal prođe kroz istosmjerni kabel prije nego što memorijska ćelija uspije aktivirati. Upotreba rešetka povećava otpornost komparatora na buku, jer smetnje mogu samo u kratkom vremenu promijeniti puls komparatora. Često se usporednik naziva jednobitni ADC.

Klasifikacija komparatora

Kombinacijom parametara komparatori se mogu podijeliti u tri velike skupine. To su komparatori opće namjene, velike brzine i preciznosti. U amaterskoj praksi prvi se najčešće koriste.

Nemaju nadnaravni parametri za brzinu i dobitak, postojanje rešetka i memorije, komparatori široke primjene imaju svoja atraktivna svojstva i značajke. Oni imaju malu potrošnju energije, mogućnost rada na niskom naponu i činjenicu da se u jednom slučaju mogu smjestiti do četiri komparatora. Takva "obitelj" omogućuje u nekim slučajevima stvaranje vrlo korisnih uređaja. Jedan od tih uređaja prikazan je na slici 5.

Ovo je najjednostavniji pretvarač analognog signala u digitalni jedinstveni kod. Takav se kôd može pretvoriti u binarni oblik pomoću digitalne pretvorbe.

Slika 5. Shema pretvaranja analognog signala u digitalni unitarni kod

Krug sadrži četiri komparatora K1 ... K4. Referentni napon se primjenjuje na invertirajuće ulaze kroz otpornički razdjelnik, Ako je otpor otpornika isti, napon na invertirajućim ulazima komparatora je n * Uop / 4, gdje je n serijski broj komparatora. Ulazni napon se primjenjuje na ne-invertirajuće ulaze spojene zajedno. Kao rezultat usporedbe ulaznog napona s referentnim naponom na izlazima komparatora, dobivamo unitarni digitalni kod ulaznog napona.

Detaljnije ćemo razmotriti parametre usporednika opće namjene na primjeru rasprostranjenog i prilično pristupačnog komparatora LM311.

Komparatori serije LM311

Napon napajanja i radni uvjeti

Kao što je napisano u tehničkom listu, ti komparatori imaju ulazne struje tisuću puta manje od komparatora serije LM106 ili LM170, Pored toga, komparatori serije LM311 imaju širi raspon napajanja: od bipolarnih ± 15 V, kao i kod operativnih pojačala, do unipolarnih + 5 ... 15V.Ovaj široki raspon napajanja omogućuje uporabu usporednika serije LM311 zajedno s operativna pojačala, kao i s raznim nizovima logičkih sklopova: TTL, CMOS, DTL i drugi.

Pored toga, LM311 komparatori mogu izravno upravljati svjetiljkama i relejskim namotima s radnim naponima do 50V i strujama ne većim od 50mA. Osim LM311, postoje i komparateri LM111 i LM211. Ta se mikrocirkuta razlikuju u radnim uvjetima, uglavnom u temperaturi. Radni raspon LM311 je 0 ° C ... + 70 ° C (komercijalni raspon) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (industrijski), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (vojni prijem).

Potpuni domaći analozi LM311 komparatora su 521CA3, 554CA3 i neki drugi. Prilikom zamjene, ne trebate mijenjati krug, pa čak ni ne trebati ponovno raditi ploču. Trebali biste obratiti pažnju samo na činjenicu da su komparatori, poput ostalih mikrokontrole, dostupni u raznim slučajevima, pa kada ih kupite, trebate obratiti maksimalnu pozornost na to, posebno ako će se ta kupnja koristiti za popravak gotovog uređaja.

Na slici 7 prikazan je pinout (pinout) usporedbe LM311, izrađen u raznim slučajevima.

Slika 6. Usporednik LM311

Slika 7. Utvrđivanje (pinout) komparatora LM311, izrađeno u raznim slučajevima.

Zapravo se o komparaterima može napisati puno više. Uz njihovu pomoć možete i vi foto relej, termički relej, indikator električnog polja, kapacitivni relej i mnogi drugi korisni uređaji.

Nekoliko zanimljivih i korisnih sklopova može se naći u "lističu" komparatora LM311, gdje su navedeni kao tipični sklopni sklopovi. Upravo se u tom obliku komparateri koriste prilično često. Ovdje su samo opisi tipičnih shema danih na "tipičnom", engleskom jeziku. Ali čak i bez poznavanja stranog jezika, to možete shvatiti, barem uz pomoć internetskog prevoditelja Googlea.

Nastavak članka: Neki jednostavni komparacijski sklopovi

Boris Aladyskin