Comparadores analógicos

Título comparadores veio do latim comparar - comparar. Dispositivos em que a medição é realizada comparando com um trabalho padrão sobre esse princípio. Por exemplo, balanças de braço igual ou potenciômetros elétricos.

O princípio de ação distingue entre comparadores elétricos, pneumáticos, ópticos e até mecânicos. Estes últimos são usados ​​para verificar medidas de comprimento final. Pela primeira vez, um comparador para verificar medidas finais foi aplicado em Paris por Lenoir em 1792, sobre o qual há um artigo na enciclopédia de Brockhaus e Efron.

Este comparador mecânico foi usado para verificar o padrão de 1 m na formação do sistema métrico francês. A precisão da medição desse comparador, usando um sistema de alavancas móveis, atingiu 0,0005 mm. Naquele tempo, foi muito preciso. Mas neste artigo não consideraremos detalhadamente comparadores mecânicos e outros, pois nossa tarefa é comparadores de tensão.

Comparadores Integrados. Princípio de ação e variedades

Atualmente, os comparadores são usados ​​principalmente no design integrado. Poucas pessoas pensariam em montar um comparador a partir de transistores discretos. Além disso, comparadores são usados ​​como parte de alguns circuitos.

Por exemplo temporizador integrado NE555 contém até dois comparadores nas entradas, o que, de fato, é alcançado com todo o charme de seu trabalho. Além disso, muitos microcontroladores modernos também possuem comparadores internos. Mas, independentemente da execução, os princípios dos comparadores são exatamente os mesmos.

Comparadores modernos no esquema são muito semelhantes aos opamps. De fato, este é o mesmo amplificador operacional, apenas sem feedback e com um ganho muito alto. O comparador também possui duas entradas, direta e inversa (marcadas com um círculo ou um sinal de menos).

A principal função do comparador é comparar duas tensões, uma das quais é exemplar ou referência e a outra é realmente medida. O sinal de saída do comparador pode ter apenas dois valores: um zero lógico e uma unidade lógica, mas não pode ser alterado linearmente, como um amplificador operacional.

Na saída dos comparadores, como regra, existe uma saída transistor com coletor e emissor abertos. Portanto, ele pode ser conectado de acordo com um circuito com um OE ou um seguidor de emissor, dependendo dos requisitos de um circuito específico, conforme mostrado na Figura 1.

A Figura 1a mostra a inclusão de um transistor de saída em um circuito com um emissor comum. Nesse caso, TTL e CMOS - lógico com tensão de alimentação de + 5V podem ser conectados à saída em cascata. Se o CMOS - logic for alimentado por uma tensão de 15V, a saída superior do resistor de 1Kohm de acordo com o esquema deve ser conectada ao barramento de energia de + 15V.

Quando o transistor de saída é conectado de acordo com o circuito seguidor do emissor, como mostra a Figura 1b, a tensão na saída do comparador varia dentro de + 15V ... -15V. No entanto, com essa inclusão, a velocidade do comparador diminui significativamente e, além disso, as entradas são “trocadas”, - as entradas são invertidas.

Figura 1

Como verificar o comparador, vivo ou não vivo?

Se um LED for soldado sequencialmente com um resistor R no circuito mostrado na Figura 1a, conectando o ânodo a uma fonte de alimentação de + 5V e a tensão for aplicada às entradas usando resistores, alterar essas tensões usando pelo menos resistores variáveis ​​pode fazer com que o LED pisque. Em qual sequência aplicar a referência e a tensão de entrada podem ser encontradas mais adiante. Que esse esquema de teste seja uma pequena tarefa prática.

A lógica do comparador

O diagrama funcional do comparador é mostrado na Figura 2.

Figura 2. Diagrama funcional do comparador

Com tantas entradas e sinais de entrada, duas opções são possíveis. No primeiro caso, mostrado no lado esquerdo da figura, a tensão de referência é aplicada à entrada inversora e a tensão de entrada na entrada não inversora. Se a tensão de entrada exceder a tensão de referência, um nível alto aparecerá na saída do comparador (log. 1). Caso contrário, teremos um zero lógico.

Na segunda versão, mostrada no lado direito da figura, a tensão de referência é aplicada à entrada direta e a tensão de entrada na inversora. Nesse caso, se a tensão de entrada for maior que a tensão de referência na saída do comparador, zero lógico, caso contrário, unidade. Na figura 2, todas essas conclusões são mostradas na forma de fórmulas matemáticas.

Mas aqui um leitor atento pode ter uma pergunta justa: “Veja a Figura 1, quantas tomadas existem! Então, de quem eles estão falando, que tipo de zero existe e onde está a unidade aqui? ” Neste caso, estamos falando da base do transistor de saída, acredita-se que esta seja a saída do amplificador operacional, para o qual os sinais de entrada são fornecidos. E o transistor de saída, conforme indicado nos comentários da Figura 1, pode ser ligado de qualquer maneira.

Algumas características dos comparadores analógicos

Ao usar comparadores, suas características devem ser levadas em consideração, que podem ser divididas em estática e dinâmica. Os parâmetros estáticos do comparador são aqueles que são determinados em estado estacionário.

Primeiro de tudo, essa é a sensibilidade do limiar do comparador. É definida como a diferença mínima dos sinais de entrada nos quais um sinal lógico aparece na saída.

Além da entrada e saída, muitos comparadores têm saídas para fornecer tensão de polarização Ucm. Utilizando esta tensão, é realizada a mudança necessária da característica de transferência em relação à posição ideal.

Um dos principais parâmetros do comparador é a histerese. A maneira mais fácil de explicar esse fenômeno é usar o exemplo com um relé convencional. Deixe a tensão operacional da bobina, por exemplo, 12V, então é com ela que o relé irá operar. Se depois disso, reduzir gradualmente a tensão de alimentação da bobina, o relé será liberado, por exemplo, a uma tensão de 7V. Essa diferença de até 5V para este relé é histerese. Mas o relé não liga novamente, se a tensão permanecer no nível de 7V, isso não acontecerá. Para fazer isso, aumente a tensão novamente para 12V. E então ...

O mesmo é observado com os comparadores. Suponha que a tensão de entrada aumente suavemente em relação à tensão de referência (os sinais são aplicados, conforme mostrado na parte esquerda da Figura 2). Assim que a tensão de entrada se tornar maior que a tensão de referência (não menos que o valor da sensibilidade do limite), uma unidade lógica aparecerá na saída do comparador.

Se a tensão de entrada agora começar a diminuir sem problemas, a transição de uma unidade lógica para um zero lógico ocorrerá quando a tensão de entrada for um pouco menor que a tensão de referência. A diferença nas tensões de entrada nestes "acima da referência" e "abaixo da referência" é chamada de histerese do comparador. A histerese do comparador é devida à presença de feedback positivo, que é projetado para suprimir o "ressalto" do sinal de saída ao alternar o comparador.

Como está o comparador

O diagrama do circuito no nível do transistor é bastante complexo, grande, não muito claro, mas praticamente não é necessário. Esses são os recursos de design dos circuitos integrados, parece que os transistores se destacam em todos os lugares, mesmo onde não são necessários. Portanto, é melhor considerar um diagrama funcional simplificado do comparador, mostrado na Figura 3.

Figura 3. Diagrama funcional simplificado do comparador

O diagrama mostra o estágio diferencial de entrada (CC), a lógica de saída e o circuito de mudança de nível.

A entrada CC realiza a principal amplificação do sinal de diferença e, também com a ajuda de um dispositivo de polarização, permite realizar o estado preferido na saída, o que permite escolher o tipo de lógica (TTL, ESL, CMOS) com a qual você deve trabalhar.Essa configuração é realizada usando um resistor de compensação conectado ao "balanceamento" dos terminais.

Comparadores de portas e memória

Alguns comparadores modernos têm uma entrada bloqueada: a comparação dos sinais de entrada ocorre apenas no momento do suprimento do pulso correspondente. Isso permite comparar os sinais de entrada no momento em que é necessário. Bem, certo, o que você quiser! Um diagrama de blocos simplificado de um comparador com gating é mostrado na Figura 4.

Figura 4. Diagrama de blocos simplificado de um comparador

Os comparadores mostrados nesta figura têm uma saída parafásica, como um gatilho, a saída superior é direta e a inferior, marcada com um círculo, é naturalmente inversa. Além disso, o portão C também é mostrado aqui.

Na Fig. 4a, os sinais de entrada são bloqueados em um nível alto na entrada C. Ao bloquear em um nível baixo, a designação gráfica na entrada C deve ter um pequeno círculo (sinal de inversão).

Na Fig. 4b, a entrada do portão C tem um traço /, o que indica que o portão ocorre ao longo da borda ascendente do pulso. No caso de portão em uma frente de queda, o painel tem essa direção.

Assim, o sinal de bloqueio não passa de uma resolução da comparação. O resultado da comparação pode aparecer na saída apenas durante a ação do pulso do portão. Mas alguns modelos comparadores têm memória (apenas um gatilho é suficiente para isso) e lembre-se do resultado da comparação até o próximo pulso de disparo chegar.

A duração do pulso estroboscópico (sua borda) deve ser suficiente para que o sinal de entrada passe pelo DC antes que a célula de memória tenha tempo para disparar. O uso de bloqueio aumenta a imunidade ao ruído do comparador, pois a interferência pode alterar o estado do comparador apenas em um curto período de tempo. Freqüentemente, o comparador é chamado de ADC de bit único.

Classificação dos Comparadores

Por uma combinação de parâmetros, os comparadores podem ser divididos em três grandes grupos. Estes são comparadores de uso geral, alta velocidade e precisão. Na prática amadora, os primeiros são mais usados.

Não tendo parâmetros sobrenaturais para velocidade e ganho, presença de portas e memória, comparadores de ampla aplicação têm suas próprias propriedades e características atraentes. Eles têm baixo consumo de energia, capacidade de trabalhar em baixa tensão e o fato de que até quatro comparadores podem ser localizados em um caso. Essa "família" permite, em alguns casos, criar dispositivos muito úteis. Um desses dispositivos é mostrado na Figura 5.

Este é o conversor mais simples de um sinal analógico em um código unitário digital. Esse código pode ser convertido em binário usando conversão digital.

Figura 5. Esquema de conversão de um sinal analógico em um código unitário digital

O circuito contém quatro comparadores K1 ... K4. A tensão de referência é aplicada às entradas inversoras através de divisor resistivo. Se a resistência dos resistores for a mesma, a tensão nas entradas inversoras dos comparadores é n * Uop / 4, onde n é o número de série do comparador. A tensão de entrada é aplicada às entradas não inversoras conectadas juntas. Como resultado da comparação da tensão de entrada com a tensão de referência nas saídas dos comparadores, obtemos um código digital unitário da tensão de entrada.

Em mais detalhes, consideraremos os parâmetros dos comparadores de uso geral usando o exemplo do comparador generalizado e bastante acessível LM311.

Comparadores da série LM311

Tensões de alimentação e condições de trabalho

Conforme escrito na Folha de Dados, esses comparadores têm correntes de entrada mil vezes menores que comparadores das séries LM106 ou LM170. Além disso, os comparadores da série LM311 têm uma faixa mais ampla de tensões de alimentação: de ± 15V bipolar, como em amplificadores operacionais, a + 5 ... 15V unipolar.Essa ampla faixa de potência permite o uso dos comparadores da série LM311 em conjunto com amplificadores operacionais, bem como com várias séries de circuitos lógicos: TTL, CMOS, DTL e outros.

Além disso, os comparadores LM311 podem controlar diretamente lâmpadas e retransmitir enrolamentos com tensões operacionais de até 50V e correntes que não excedam 50mA. Além do LM311, também existem comparadores LM111 e LM211. Esses microcircuitos diferem nas condições operacionais, principalmente na temperatura. A faixa de operação do LM311 é de 0 ° C ... + 70 ° C (faixa comercial) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (industrial), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (aceitação militar).

Os análogos domésticos completos do comparador LM311 são 521CA3, 554CA3 e alguns outros. Ao substituir, você não precisa alterar o circuito e nem precisa refazer a placa de circuito. Você deve prestar atenção apenas ao fato de que comparadores, como outros microcircuitos, estão disponíveis em vários casos; portanto, quando você os compra, deve prestar máxima atenção a isso, especialmente se essa compra for usada para reparar o dispositivo acabado.

A Figura 7 mostra a pinagem (pinagem) do comparador LM311, feita em vários casos.

Figura 6. Comparador LM311

Figura 7. Pinagem (pinagem) do comparador LM311, feita em vários casos.

Na verdade, muito mais pode ser escrito sobre comparadores. Com a ajuda deles, você pode fazer revezamento de foto, relé térmico, indicador de campo elétrico, relé capacitivo e muitos outros dispositivos úteis.

Vários circuitos interessantes e úteis podem ser encontrados na "folha de dados" do comparador LM311, onde são dados como circuitos de comutação típicos. É dessa forma que os comparadores são usados ​​com bastante frequência. Aqui estão apenas descrições de esquemas típicos fornecidas em inglês "típico". Mas mesmo sem conhecer um idioma estrangeiro, você pode descobrir, pelo menos com a ajuda de um tradutor online do Google.

Artigo continuado: Alguns circuitos comparadores simples

Boris Aladyshkin