Analóg komparátorok

név komparátor jött a latin összehasonlítani - összehasonlítani. Azok az eszközök, amelyekben a mérést elvégezzük, összehasonlítva egy ezen elv elvégzésével végzett szokásos munkával. Például egyenlőkarú mérlegek vagy elektromos potenciométerek.

A működés elve különbséget tesz az elektromos, pneumatikus, optikai és akár mechanikus komparátorok között. Ez utóbbiakat a véghosszmérések ellenőrzésére használják. Első alkalommal Párizsban, 1792-ben Lenoir alkalmazta a végintézkedések ellenőrzésére szolgáló összehasonlítót, mivel a Brockhaus és az Efron enciklopédiaban van egy cikk.

Ezt a mechanikus összehasonlítót használták az 1m-es szabvány ellenőrzésére a francia metrikus rendszer kialakításakor. Egy ilyen komparátor mérési pontossága mozgatható karok rendszerével elérte a 0,0005 mm-t. Abban az időben nagyon pontos volt. De ebben a cikkben nem foglalkozunk részletesen a mechanikus és egyéb komparátorokkal, mivel a mi feladatunk feszültség komparátorok.

Integrált komparátorok. A cselekvés elve és a fajták

Jelenleg a komparátorokat elsősorban az integrált tervezésben használják. Kevés ember gondolná egy összehasonlító összeállítását különálló tranzisztorokból. Sőt, a komparátorokat egyes áramkörök részeként használják.

Például beépített NE555 időzítő akár két összehasonlítót is tartalmaz a bemeneteknél, amely valójában munkájának minden varázsa. Ezen kívül sok modern mikrokontrollerek beépített komparátorokkal is rendelkeznek. De a végrehajtástól függetlenül az összehasonlító alapelvek pontosan ugyanazok.

A séma modern összehasonlítói nagyon hasonlóak az opampokhoz. Valójában ez ugyanaz az operációs erősítő, csak visszajelzés nélkül és nagyon nagy nyereséggel. A komparátornak két bemenete van, közvetlen és fordított (körrel vagy mínusz jellel jelölve).

Az összehasonlító fő funkciója két feszültség összehasonlítása, amelyek közül az egyik példaértékű vagy referencia, a másik pedig ténylegesen meg van mérve. Az összehasonlító kimeneti jele csak két értéket vehet fel: logikai nullát és logikai egységet, de nem változtatható lineárisan, mint egy operációs erősítő.

A komparátorok kimeneten általában egy kimenet található tranzisztor nyitott kollektorral és kibocsátóval. Ezért az áramkört össze lehet kötni egy OE-val vagy egy emitter-követővel, az adott áramkör követelményeitől függően, amint az az 1. ábrán látható.

Az 1a. Ábra egy kimeneti tranzisztor beépítését mutatja egy közös emitterrel ellátott áramkörbe. Ebben az esetben a TTL és a CMOS - logika + 5 V tápfeszültséggel csatlakoztatható a kaszkád kimenetéhez. Ha a CMOS - logikát 15 V feszültség táplálja, akkor a séma szerint az 1Kohm ellenállás felső kimenetét a + 15 V tápegységhez kell csatlakoztatni.

Ha a kimeneti tranzisztor az emitter követő áramköre szerint csatlakozik, amint az az 1b. Ábrán látható, akkor a komparátor kimenetén a feszültség + 15 V ... -15 V tartományon belül változhat. Ezzel a beépítéssel azonban az összehasonlító sebessége jelentősen csökken, és emellett a bemeneteket „cserélik”, - a bemenetek fordítva vannak.

1. ábra

Hogyan lehet ellenőrizni az összehasonlítót, életben vagy sem?

Ha egy LED-et egymás után forrasztunk egy R ellenállással az 1a. Ábrán bemutatott áramkörben az anód + 5 V tápegységhez történő csatlakoztatásával, és ellenállásokkal feszültséget vezetünk a bemenetekre, akkor ezen feszültség megváltoztatása legalább változó ellenállásokkal a LED villogását okozhatja. A referencia- és a bemeneti feszültség alkalmazására melyik sorrendben találhat további információkat. Legyen egy ilyen tesztrendszer kis gyakorlati feladat.

Az összehasonlító logikája

Az összehasonlító működési diagramját a 2. ábra mutatja.

2. ábra: Az összehasonlító működési rajza

Olyan sok bemenet és bemeneti jel esetén két lehetőség lehetséges. Az első esetben, amelyet az ábra bal oldalán mutatunk, a referenciafeszültséget a fordított bemenetre, a bemeneti feszültséget a nem-invertáló bemenetre kell alkalmazni. Ha a bemeneti feszültség meghaladja a referenciafeszültséget, akkor a kompresszor kimenetén magas szint jelenik meg (1. log). Ellenkező esetben logikai nulla lesz.

Az ábra jobb oldalán látható második változatban a referencia feszültséget a közvetlen bemenetre, a bemeneti feszültséget az invertáló feszültségre kell alkalmazni. Ebben az esetben, ha a bemeneti feszültség nagyobb, mint a referencia feszültség a komparátor kimenetén, akkor a logika nulla, ellenkező esetben az egység. A 2. ábrán ezeket a következtetéseket matematikai képletek formájában mutatjuk be.

De itt egy figyelmes olvasónak valós kérdése lehet: „Nézd meg az 1. ábrát, hogy hány üzletek vannak! Szóval miről beszélnek, milyen nulla van, és hol van az egység? " Ebben az esetben a kimeneti tranzisztor alapjáról beszélünk, úgy gondoljuk, hogy ez az operációs erősítő kimenete, amelyre a bemeneti jelek kerülnek. És a kimeneti tranzisztor, amint azt az 1. ábra megjegyzésében jelezzük, bármilyen módon bekapcsolható.

Az analóg komparátorok néhány jellemzője

Komparátorok használatakor figyelembe kell venni azok jellemzőit, amelyeket statikus és dinamikus részekre lehet osztani. Az összehasonlító statikus paraméterei megegyezõ állapotban vannak meghatározva.

Mindenekelőtt ez az összehasonlító küszöbérzékenysége. Ez a bemeneti jelek minimális különbsége, amelynél a kimeneten logikai jel jelenik meg.

A bemeneten és a kimeneten kívül sok komparátornak vannak kimenetei az Ucm előfeszültség táplálására. Ennek a feszültségnek a segítségével az átviteli karakterisztika elmozdul az ideális helyzethez viszonyítva.

Az összehasonlító egyik fő paramétere a hiszterézis. Ezt a jelenséget a legegyszerűbben magyarázhatja, ha a példát egy hagyományos relével használja. Hagyja például a tekercs üzemi feszültségét, például 12 V, akkor vele fog működni a relé. Ha ezt követően fokozatosan csökkenti a tekercs tápfeszültségét, akkor a relé például 7 V feszültségnél engedi fel. Ez a relé ez az 5 V-os különbség hiszterézis. De a relé nem kapcsol be újra, ha a feszültség 7 V szinten marad, akkor nem fog megtörténni. Ehhez emelje meg újra a feszültséget 12 V-ra. És akkor ...

Ugyanez figyelhető meg az összehasonlítókkal. Tegyük fel, hogy a bemeneti feszültség simán növekszik a referenciafeszültséghez viszonyítva (jeleket adunk, a 2. ábra bal oldalán látható módon). Amint a bemeneti feszültség meghaladja a referenciafeszültséget (nem kevesebb, mint a küszöbérzékenységi érték), logikai egység jelenik meg a komparátor kimenetén.

Ha a bemeneti feszültség most simán csökkenni kezd, akkor a logikai egységről a logikai nullára való átmenet akkor történik, amikor a bemeneti feszültség valamivel alacsonyabb, mint a referenciafeszültség. A bemeneti feszültségek különbségét ezeknél a „referencia felett” és „a referencia alatt” a komparátor hiszterézisének nevezzük. A komparátor hiszterézise annak pozitív visszacsatolásból fakad, amely célja az, hogy elfojtsa a kimeneti jel „ugrálódását” az összehasonlító váltásakor.

Hogy van az összehasonlító?

A kapcsolási rajz a tranzisztor szintjén meglehetősen bonyolult, nagy, nem túl világos, de gyakorlatilag nem szükséges. Ezek az integrált áramkörök tervezési jellemzői, úgy tűnik, hogy a tranzisztorok mindenütt megjelennek, még akkor is, ha nincs rá szükség. Ezért jobb, ha figyelembe vesszük az összehasonlító egyszerűsített működési diagramját, amelyet a 3. ábra mutat.

3. ábra: Az összehasonlító egyszerűsített funkcionális rajza

Az ábra a bemeneti differenciálfokozatot (DC), a kimeneti logikát és a szintváltó áramkört mutatja.

A bemeneti DC elvégzi a különbségjel fő erősítését, és egy előfeszítő eszköz segítségével lehetővé teszi a preferált állapot végrehajtását a kimeneten, amely lehetővé teszi a logika típusának (TTL, ESL, CMOS) kiválasztását, amellyel dolgozni fog.Ezt a beállítást egy "kiegyensúlyozó" kapcsokra csatlakoztatott vágóellenállás segítségével hajtják végre.

Kapu- és memóriakomparátorok

Néhány modern komparátornak van kapuja bemenete: a bemeneti jelek összehasonlítása csak a megfelelő impulzus táplálásának pillanatában történik. Ez lehetővé teszi a bemeneti jelek összehasonlítását abban az időben, amikor erre szükség van. Nos, igaz, bármit is tetszik! A kapuval ellátott komparátor egyszerűsített blokkdiagramját a 4. ábra mutatja.

4. ábra: Az összehasonlító egyszerűsített blokkdiagramja

Az ábrán látható komparátorok parafáz kimenetet mutatnak, mint egy ravaszt, a felső kimenet közvetlen, az alsó, körrel jelölve, természetesen inverz. Ezen felül itt látható a C kapu is.

A 4a. Ábrán a bemeneti jeleket magas fokon kapjuk a C bemeneten. Ha alacsony szintnél kapunk, akkor a C bemeneten a grafikus megnevezésnek egy kis körrel kell rendelkeznie (inverziós jel).

A 4b. Ábrán a C kapu bemenetén vonal van /, amely jelzi, hogy a reteszelés az impulzus emelkedő szélén történik. Leeső fronton történő kapuzás esetén a kötőjel ezen irányba mutat.

A kapujel tehát nem más, mint az összehasonlítás felbontása. Az összehasonlítás eredménye csak a kapu impulzusának működésekor jelenhet meg a kimeneten. De néhány összehasonlító modell rendelkezik memóriával (ehhez csak egy trigger elegendő), és emlékezzenek az összehasonlítás eredményére, amíg a következő kapuzó impulzus meg nem érkezik.

A stroboszimbólum (szélének) időtartamának elegendőnek kell lennie ahhoz, hogy a bemeneti jel áthaladjon a DC-n, mielőtt a memóriacellának ideje lenne indulni. A kapu használata növeli a komparátor zajvédettségét, mivel az interferencia csak rövid idõ alatt képes a komparatátor állapotát megváltoztatni. Gyakran az összehasonlítót egybites ADC-nek hívják.

Az összehasonlítók osztályozása

A paraméterek kombinációjával az összehasonlítókat három nagy csoportra lehet osztani. Ezek általános célú komparátorok, nagy sebesség és precízió. Az amatőr gyakorlatban az előbbit használják leggyakrabban.

A sebesség és nyereség természetfeletti paramétereinek hiánya, a kapuzás és a memória jelenléte mellett a széles körben alkalmazható összehasonlító készülékeknek megvannak a vonzó tulajdonságai és jellemzői. Kis energiafogyasztásuk, alacsony feszültséggel történő munkaképességük, valamint az a tény, hogy egy esetben akár négy komparátort is be lehet helyezni. Egy ilyen "család" lehetővé teszi bizonyos esetekben nagyon hasznos eszközök létrehozását. Ezen eszközök egyikét az 5. ábra mutatja.

Ez az analóg jel legegyszerűbb átalakítója digitális egységes kódmá. Egy ilyen kód bináris konvertálható digitális konvertálással.

5. ábra: Az analóg jel digitális egységké konvertálásának vázlata

Az áramkör négy K1 ... K4 komparátort tartalmaz. A referenciafeszültséget az invertáló bemenetekre vezetik át ellenállásos elválasztó. Ha az ellenállások ellenállása azonos, akkor a komparátorok invertáló bemenetein a feszültség n * Uop / 4, ahol n a komparátor sorozatszáma. A bemeneti feszültséget a nem-invertáló bemenetekre kell összekapcsolni. A bemeneti feszültség és a komparátorok kimenetein található referencia feszültség összehasonlításának eredményeként a bemeneti feszültség egységes digitális kódját kapjuk.

Részletesebben megvizsgáljuk az általános célú komparátorok paramétereit az elterjedt és meglehetősen megfizethető LM311 komparátor példáján.

LM311 sorozat komparátorok

Tápfeszültség és munkakörülmények

Amint az az adatlapban meg van írva, ezeknek az összehasonlítóknak ezerszor kisebb bemenő áramerőssége van, mint az LM106 vagy az LM170 sorozat összehasonlítói. Ezenkívül az LM311 sorozatú komparátorok tápfeszültségük szélesebb skálájával rendelkeznek: a bipoláris ± 15V-tól, mint az operációs erősítőknél, az egypólusú + 5 ... 15V-ig.Ez a széles teljesítménytartomány lehetővé teszi az LM311 sorozatú komparátorok használatát a operációs erősítők, valamint a különféle logikai áramkörökkel: TTL, CMOS, DTL és mások.

Ezenkívül az LM311 komparátorok közvetlenül vezérelhetik a lámpákat és a relétekercseket akár 50 V üzemi feszültséggel és legfeljebb 50 mA árammal. Az LM311 mellett vannak LM111 és LM211 komparátorok is. Ezek a mikroáramkörök működési körülmények között különböznek, főleg hőmérsékleten. Az LM311 működési tartománya 0 ° C ... + 70 ° C (kereskedelmi tartomány) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (ipari), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (katonai elfogadás).

Az LM311 komparátor teljes hazai analógja az 521CA3, 554CA3 és még néhány. Cseréjekor nem kell megváltoztatnia az áramkört, és még az áramköri kártyát sem kell újra megtennie. Csak arra kell figyelnie, hogy a komparátorok, hasonlóan más mikroáramkörökhöz, különféle esetekben rendelkezésre állnak, tehát vásárláskor erre maximális figyelmet kell fordítania, különösen akkor, ha ezt a vásárlást a kész eszköz javítására használják fel.

A 7. ábra az LM311 komparátor pinoutját (pinout) mutatja, különféle esetekben készítve.

6. ábra. Komparátor LM311

7. ábra: Az LM311 komparátor pinout (pinout), különféle esetekben készült.

Valójában sokkal többet lehet írni az összehasonlítókról. Az ő segítségükkel meg tudod csinálni fotó relé, hőrelé, elektromos mező jelző, kapacitív relé és még sok más hasznos eszköz.

Számos érdekes és hasznos áramkör található az LM311 komparátor "adatlapjában", ahol tipikus kapcsolóáramkörként vannak megadva. Éppen ebben a formában használják az összehasonlítókat gyakran. Itt csak a tipikus sémák leírása található "tipikus", angol nyelven. De még idegen nyelv ismerete nélkül is kitalálhatja, legalább egy Google fordító segítségével.

Folytatott cikk: Néhány egyszerű összehasonlító áramkör

Boris Aladyshkin