Что такое компаратор в электронике

Компаратор напряжения: как работает и примеры схем

В электронных приборах часто можно встретить различные интегральные микросхемы. Одной из них является компаратор. Его применение очень обширно: начиная от сигнализационных датчиков и заканчивая промышленной и автомобильной электроникой. Зная, как работает компаратор, можно самостоятельно собрать различные интересные схемы, например, зарядное устройство, индикаторный узел или даже генератор.

Описание и схемотехника

Несмотря на кажущуюся простоту, компаратор — куда более интересное устройство, чем может показаться на первый взгляд. В электронике им называют логическую микросхему, предназначенную для сравнения между собой двух электрических сигналов, подающихся на его вход. В зависимости от результатов этого измерения изменяется режим работы прибора.

Термин «компаратор» произошёл от латинского слова «comparare», что дословно переводится на русский язык как сравнивать. Конструктивно устройство может выпускаться в различных корпусах, например, DIP, SOIC, SSOP. Простейшего вида сравнивающий элемент имеет два аналоговых входа и один цифровой выход. В основе его работы лежит дифференциальный каскад, имеющий высокий коэффициент усиления. Поэтому компараторы широко используются в оборудовании, предназначенном для измерения или преобразования аналогового сигнала в цифровой (АЦП).

На схемах и в технической литературе графически устройство обозначается в виде равнобедренного треугольника с тремя выводами. С одной стороны выводы подписываются знаками «+» и «—», соответственно обозначающими неинвертирующий вход и инвертирующий, а с другой — изображается выход, который маркируется символом Uout.

Когда на прямом входе («+») микросхемы уровень сигнала будет больше, чем на инверсном («—»), то на её выходе образуется устойчивое значение. В зависимости от схемотехнического решения компаратора это значение может принимать вид логического ноля или единицы. В цифровой электронике за единицу считается сигнал, уровень напряжения которого составляет пять вольт, а за ноль принимается его отсутствие. То есть состояние выхода устройства определяется как высокое или низкое. Но на практике же за логический ноль принимается значение разности потенциалов до 2,7 В.

Один из входных сигналов, подаваемых на прибор, называется опорным или пороговым напряжением. Именно с этим значением и сравнивается величина сигнала на втором входе. Опорное напряжение может подаваться как на инверсный, так и прямой вход. В зависимости от этого компараторы называются инвертирующими или неинвертирующими. Когда прибор работает с одним опорным напряжением, его называют однопороговым, а если с разным — многовходовым.

Характеристики прибора

По сути, устройство можно рассматривать как простой вольтметр или АЦП. Компаратор, как и любой электронный прибор, имеет ряд технических характеристик, которые можно разделить на два вида: статические и динамические.

К статическим параметрам относятся следующие характеристики:

1. Предельная чувствительность обозначает пороговые величины сигнала, которые прибор идентифицирует на входе и изменяет потенциал своего выхода на логический ноль или единицу.
2. Величина смещения определяется передаточным моментом устройства относительно идеального положения.
3. Входной ток — максимальное его значение, которое может пройти через любой вывод, не повредив устройства.
4. Выходной ток — значение тока, появляющееся на выходе при переходе устройства в состояние единицы.
5. Разность токов — это величина, находимая при вычитании значений токов, протекающих при закороченных входах.
6. Гистерезис — разность уровней входного сигнала, приводящая к изменению устойчивого состояния на выходе.
7. Коэффициент снижения синфазного сигнала определяется отношением синфазного и дифференциального сигнала, приводящим к переключению режима работы компаратора.
8. Входной импеданс — полное сопротивление входа.
9. Минимальная и максимальная рабочая температура — диапазон, в котором технические параметры устройства не изменяются.

Важной же динамической характеристикой является время переключения tn. Она определяется интервалом времени от начала сравнения входного сигнала до момента, при котором на выходе компаратора наступает противоположное устойчивое состояние. Это время определяется при одном значении порогового напряжения и его скачке на противоположном входе. Этот интервал времени разделяется на две части — задержки и нарастания.

Все значимые параметры компаратора представляются в виде переходной характеристики. Это график в декартовой плоской системе координат, в которой по оси Х указывается время в наносекундах, а Y — входное и выходное напряжение в вольтах.

Устройство и принцип работы

Схемотехника устройства построена на базе дифференциального операционника с довольно большим коэффициентом усиления. Её различия с простым линейным усилителем заключаются в выполнении входного и выходного каскада.

Вход устройства выдерживает сигнал в широком диапазоне до значений источника питания и полный интервал синфазных напряжений. Выход компаратора совместим с технологиями ТТЛ и ЭСЛ из-за возможности выполнения этого каскада на транзисторе с открытым коллектором. При работе устройства не используется отрицательная обратная связь как в операционном усилителе, а, наоборот, выход охватывается положительной связью, формирующей гистерезисную передаточную характеристику.

Двухпороговый компаратор называется триггером Шмита или троичным. Для сравнения в нём используется два напряжения. Сигналы в двоичном компараторе разделяются на три диапазона:

1. Urf2 > Urf1;
2. Uout1 = 0 при Uin < Uref1 или Uout1 = 1, если Uin > Uref1;
3. Uout2 = 0 при Uin < Uref2 или Uout1 = 1, если Uin > Uref2.

Uref — напряжение нижнего и верхнего порогов переключения, Uout — уровень выходного сигнала, Uin — напряжение на входе прибора.

Внутренняя схема устройства представляет собой усилитель, собранный на транзисторах VT1-VT2, который нагружен каскадом VT5-VT6, включённым по схеме с общим эмиттером. Через дополнительный ключ VT4 происходит управление коллекторным режимом работы входного сигнала. А через транзистор VT7, работающий в диодном режиме, контролируется уровень сигнала на VT8, что позволяет добиваться его независимости от изменений напряжения питания. Ключи VT5 и VT6 соединяются со стабилитроном VD1. Поэтому через повторитель VT8 входной сигнал поступает на выход с коллекторного вывода VT6.

Если входной сигнал не превышает один вольт, то транзистор VT6 закрыт, а VT5 находится в режиме насыщения. Выходной сигнал не сможет превысить четырёх вольт, так как при большей величине откроется диод. При обратном знаке VT6 насытится, и напряжение на выходе станет равным нулю. В современных устройствах используется стробирующий выход или триггеры-защелки, то есть элементы, контролирующие выход компаратора при обнаружении синхроимпульса. Результаты сравнения могут появляться в двух видах: во время строба или в паузах между импульсами.

Простые конструкции

На практике компараторы напряжения нашли широкое применение в радиоэлектронных схемах различного направления. В радиомагазинах можно встретить довольно большое количество различных микросхем. Но наиболее часто используемыми микросхемами среди радиолюбителей являются:

• LM311;
• К554СА3;
• LM339;
• MAX934.

Они доступны в продаже, а их стоимость более чем демократична. Такие компараторы отличаются широким диапазоном входного напряжения и могут работать при однополярном и двуполярном питании.

К выходу устройства может подключаться любая нагрузка с током потребления, обычно не превышающим 50 мА. Это может быть реле, резистор, светодиод, оптрон или любые исполнительные устройства, но с ограничивающими ток элементами. А также возможно подключить и индуктивную нагрузку, но она обычно в этом случае шунтируется диодами. Для работы устройства применяются источники питания с выходным напряжение 5−36 вольт.

Фотореле контроля

Такое реле собирается навесным монтажом. Его можно использовать в охранной системе или для контроля уровня освещённости. Работа схемы заключается в следующем. Входное напряжение поступает на делитель, состоящий из R1 и фотодиода VD3. Их общая точка соединения через ограничительные диоды VD1 и VD2 подключается к входам компаратора DA1. В результате этого разница потенциалов на входе устройства отсутствует, а значит, и чувствительность прибора максимальная.

Для того чтобы сигнал на выходе инвертировался, понадобится создать разницу на входе всего в один милливольт. Из-за того, что к инверсному входу подключён конденсатор С1 и резистор R1, величина напряжения на нём будет возрастать с небольшой задержкой, равной времени заряда конденсатора.

Но этого времени хватит, чтобы на выходе появилась логическая единица, которая перестроит режим работы реле подключённого в качестве нагрузки. Как только освещение опять поменяется, ситуация повторится. Таким образом, направив фотореле на какое-то место, в случае изменения его освещённости на входах компаратора появится разность напряжения. Соответственно будет изменяться и работа реле, к которому может подключаться различного рода нагрузка.

Зарядный блок

Выполненный блок питания из исправных элементов начинает работать сразу. Его настройки сводятся лишь к установке номинального тока заряда и порогов срабатывания компаратора. При включении устройства загорается зелёный светодиод, обозначающий подачу питания. Во время зарядки должен же постоянно светиться красный светодиод, который потухнет, как только аккумулятор зарядится.

Подаваемое напряжение от блока питания регулируется R2, а ток зарядки выставляется R4. Настройка происходит с помощью резистора на 150 Ом, включающегося параллельно контактам держателя батарейки. Сам аккумулятор в него не ставится. Транзистор VT1 устанавливается на радиатор, вместо него можно использовать аналог КТ814Б.

Такую схему придётся собирать на печатной плате, но в итоге её размер не должен превысить 50 х 50 мм.

Можно собрать схему попроще, используя принцип работы стабилизатора тока. Подача опорного напряжения на вход LM358 происходит через стабилитрон. Второй вход микросхемы подключается после датчика тока. Если к выходу компаратора подключить разряженный аккумулятор, то в цепи начнёт возрастать ток, а часть напряжения упадёт на низкоомном резисторе.

Между двумя входами микросхемы возникнет разность напряжения. Схема начнёт компенсировать это различие, увеличивая силу тока на выходе. В процессе заряда аккумулятора напряжение на входе начнёт уменьшаться, что приведёт к снижению тока в цепи. Как только батарея зарядится, транзистор VT1 закроется и нагрузка отключится. Ток заряда же ограничивается с помощью изменения сопротивления R1.

Кварцевый генератор

Такой генератор прямоугольных импульсов, собранный по схеме на отечественном компараторе K544C3, работает на тактовой частоте 32768 Гц. Схема будет работоспособной в диапазоне входного напряжения от 7 до 11 вольт. Частота задаётся кварцем ZQ1, но для работы устройства свыше 50 кГц понадобится уменьшить сопротивление R5 и R6.

При замыкании второго вывода с нулевым проводом выход компаратора оказывается включённым по схеме с открытым коллектором, в которой R7 является нагрузкой. Подстройка частоты выполняется с помощью C1. За счёт резистора R4 происходит автозапуск генератора. Изменяя сопротивление R2, меняется скважность импульсов.

Подбирая ёмкости С1 и С2, генератор можно использовать как бесконтактный датчик жидкости. В качестве детектора для этого понадобится использовать микроконтроллер с программным обеспечением. Хотя можно применить и ещё один компаратор, который будет регистрировать изменения, выпрямленного диодами напряжения.

Таким образом, компаратор напряжения предназначен для сравнения уровней сигналов на своих входах. Если они начинают различаться, то в зависимости от этой разности выход устройства изменяет своё состояние. Этим их свойством и пользуются разработчики, конструируя различные электроприборы.

Компараторы, как они работают.

Компаратор — это операционный усилитель без обратной связи с большим коэффициентом усиления.
Поэтому, если подать на один его вход (например инверсный) какой то постоянный уровень опорного напряжения, а на другой вход (прямой) изменяющийся сигнал — выходное напряжение у него изменится скачком, от минимального до максимального в тот момент, когда уровень входного сигнала превысит уровень сигнала опорного напряжения, установленного на другом входе, и наоборот.

Компараторы имеют два входа, прямой и инверсный, и в зависимости от желаемого результата, опорное и сравниваемое напряжения, могут подключаться к любому входу.
Если входное напряжение на прямом входе, превысит напряжение инверсного входа, выходной транзистор компаратора открывается, если станет ниже — закрывается. То есть компаратор сравнивает напряжения.
Вот мы и подошли к сути основного назначения компаратора — сравнивать между собой два напряжения (сигнала), и выдавать на выходе напряжение (сигнал) в том случае, когда сигнал на одном входе, стал больше или меньше уровня, установленного опорным напряжением другого входа.
На компараторах можно собирать различные устройства, такие как терморегуляторы, стабилизаторы, различные устройства автоматики — используя для изменения входного сигнала различные датчики, такие как, терморезисторы, фоторезисторы, индикаторы влажности и т.д. и т.п.
Выходные каскады компараторов рассчитаны таким образом, чтобы их выходное напряжение соответствовало бы входному логическому уровню многих цифровых микросхем, поэтому их ещё могу называть формирователями.
В принципе на любом операционном усилителе можно построить компаратор (но не наоборот).
Рассмотрим самый распространённый компаратор К554СА3, (зарубежные аналоги LM-111, LM-211, LM-311).
На выходе этого компаратора включен транзистор с открытыми коллектором и эмиттером, и в зависимости от необходимого результата на выходе, его можно подключать по схеме с общим эмиттером или эмиттерным повторителем.
Схема включения компаратора для одно-полярного питания изображена на рисунке 1, для двух-полярного питания на рисунке 2.

Рисунок 1.
Схема включения компаратора в одно-полярное питание.
а — с общим эмиттером; б — эмиттерным повторителем.
Напряжение питания +5 вольт указано для уровня логики ТТЛ микросхем.

Для согласования выхода с логическими уровнями КМОП микросхем, напряжение питания соответственно может быть 9-15 вольт.

Рисунок 2.
Схема включения компаратора в двух-полярное питание.
а — с общим эмиттером; б — эмиттерным повторителем.

В качестве нагрузки компаратора можно использовать любую нагрузку с током потребления не более 50 мА. Это могут быть непосредственно обмотки реле, резисторы, светодиоды индикации и оптронов исполнительных устройств, с ограничивающими ток резисторами. Индуктивные нагрузки желательно шунтировать диодами от обратного выброса напряжения.
Напряжение питания компаратора может быть 5 — 36 вольт одно-полярного (или сумма двух-полярного) напряжения.

Процессы переключения компараторов.

Если входной сигнал будет изменяться очень медленно, то при достижении уровня входного сигнала опорному, выход компаратора может многократно с большой частотой менять свое состояние под действием незначительных помех (так называемый "дребезг").
Для устранения этого явления в схему компаратора вводят положительную обратную связь (ПОС), которая обеспечивает характеристике компаратора небольшой гистерезис, то есть небольшую разницу между входными напряжениями включения и отключения компаратора. Некоторые типы компараторов уже имеют встроенную, упомянутую выше ПОС.
Её можно так же ввести в схему компаратора при необходимости, например, как изображено на рисунке ниже.

Рисунок 3.
Схема включения в компаратор ПОС (гистерезиса).

На рисунке 3 приведена схема включения компаратора с открытым коллектором на выходе, переходная характеристика которой имеет гистерезис (рис. 3б).
Пороговые напряжения для этой схемы определяются по формулам;

Хотя гистерезис вносит небольшую задержку в переключении компаратора, но благодаря ему, существенно уменьшается или даже устраняется полностью "дребезг" выходного напряжения.

Для того, кто желает более полного и подробного знакомства с компараторами, рекомендую прочитать статью Б. Успенского в ВРЛ № 97 стр.49.

Компаратор. Описание и применение. Часть 1

Эта статья содержит основную информацию о работе компараторов напряжения построенных на интегральных микросхемах и может быть использована в качестве справочного материала для построения различных схем.

В электронике, компаратор представляет собой устройство, которое сравнивает между собой два электрических сигнала и выводит цифровой сигнал, указывающий на увеличение одного входного сигнала над другим. Компаратор имеет два аналоговых входа и один цифровой выход.

Компаратор, как правило, построен на дифференциальном усилителе с высоким коэффициентом усиления. Компараторы широко используются в устройствах, которые измеряют и оцифровывают аналоговые сигналы, например, в аналого-цифровых преобразователях (АЦП)

Примеры работы компаратора приведены на основе микросхемы LM339 (счетверенный компаратора напряжений) и LM393 (сдвоенный компаратор напряжения). Эти две микросхемы по своему функционалу идентичны. Компаратор напряжения LM311 так же может быть использован в данных примерах, но он имеет ряд функциональных особенностей.

Структурная схема одного компаратора входящего в микросхему LM339 и LM393

Компаратор напряжения — выход с открытым коллектором

Как правило, выход компаратора напряжения представляет собой выход с открытым коллектором.

Выход открытый коллектор имеет отрицательную полярность. Это означает, что на этом выходе не бывает положительного сигнала и нагрузка должна подключаться между этим выходом и источника питания.

В некоторых схемах к выходу компаратора подключают нагрузочный (подтягивающий) резистор для того, чтобы обеспечить сигнал высокого уровня поступающего на вход следующего элемента схемы.

Операционные усилители (ОУ), такие как LM324, LM358 и LM741 обычно не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжения из-за их биполярных выходов. Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компараторов напряжения, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор для того чтобы создать выход с открытым коллектором.

Ниже представлена логика работы компаратора имеющий выход с открытым коллектором:

Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет ниже, чем напряжение на входе (-). И соответственно ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе (+) будет выше, чем напряжение на входе (-).

Схема эквивалента компаратора напряжения с однополярным источником питания

Принципиальная схема «компаратор напряжения» эквивалентна работе операционного усилителя, например, LM358 или LM324, имеющим на выходе два транзистора типа NPN (см. выше). Таким образом, можно сделать все 4 выхода ОУ (LM339) с открытым коллектором. Каждый такой выход может выдерживать ток нагрузки 15 мА и напряжение до 50 вольт.

Выход включается или выключается в зависимости от относительных напряжений на плюсовом (+) и минусовом (-) входах компаратора. Входы компаратора крайне чувствительны и разница напряжения между ними всего лишь в несколько милливольт приводит к переключению его выхода.

Схема эквивалента компаратора напряжения с двухполярным источником питания

Компараторы напряжения LM339, LM393 и LM311могут работать с одно- или двухполярным источником питания до 32 вольт максимум.

При работе с двухполярным питанием, режим сравнения напряжения остается таким же, за исключением того, что для большинства схем эмиттер выходного транзистора подключается к отрицательной шине питания, а не к общей цепи. Исключением из этого правила является операционный усилитель LM311, имеющий изолированный эмиттер, который можно подключить как к минусу однополярного источника питания, так или к общему проводу двухполярного.

При работе с двухполярным источником питания, входное напряжение может быть выше или ниже относительно общего провода блока питания. Кроме того, один из входов компаратора может быть подключен к общему проводу, таким образом создается детектор «пересечение нуля».

Описание работы компаратора

Следующий рисунок показывает простейшую конфигурацию для компаратора напряжения, а так же графическое изображение режима его работы. В этой схеме опорное напряжение составляет половину напряжения питания, а входное напряжение может меняться от нуля до напряжения питания. В теории опорное и входное напряжение могут иметь значение от нуля и до напряжения источника питания, но есть реальные ограничения, зависящие от конкретно используемого компаратора.

Сигнал на выходе:

1. Ток будет течь через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс (+) ниже, чем напряжение на входе минус (-).
2. Ток не будет протекать через открытый коллектор, когда напряжение на входе плюс выше, чем напряжение на входе минус.

Входное напряжение смещения компаратора

Компараторы не являются совершенными устройствами, и их работа может иметь недостаток от последствий такого параметра, как входное напряжение смещения. Входное напряжение смещения для многих компараторов может составлять всего несколько милливольт и в большинстве схем может быть проигнорировано.

В основном проблема, связанная с входным напряжением смещения возникает, когда входное напряжение изменяется очень медленно. Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не полностью открывается или закрывается, когда входное напряжение находится недалеко от опорного напряжения.

Следующая диаграмма иллюстрирует эффект смещения входного напряжения возникающий в результате медленного изменения входного напряжения. Этот эффект возрастает при увеличении выходного тока транзистора. Поэтому, для уменьшения этого эффекта, необходимо обеспечить максимальное сопротивление резистора R4.

Последствия входного напряжения смещения можно уменьшить, добавив в схему гистерезис. Это приведет к тому, что опорное напряжение будет меняться, когда выход компаратора переходит на высокий или низкий уровень.

Входное напряжение смещения и гистерезис

Для большинства схем построенных на компараторах, величина гистерезиса является разностью напряжений входного сигнала, при котором выход компаратора либо полностью включен или полностью выключен. Гистерезис в компараторах, как правило, нежелателен, но он может потребоваться, когда необходимо уменьшить чувствительность к шуму или при медленном изменении входного сигнала.

Внешний гистерезис использует положительную обратную связь (ПОС) с выхода на неинвертирующий вход компаратора. В результате полученный триггер Шмитта обеспечивает дополнительную помехоустойчивость и более чистый выходной сигнал.

Эффект от использования гистерезиса в том, что при постепенном изменении входного напряжения, а опорное напряжение будет быстро изменяться в противоположном направлении. Это обеспечивает чистое переключение выхода компаратора.

Механический аналог гистерезиса может быть обнаружен в разнообразных тумблерах. Как только рукоятка тумблера перемещается мимо центральной точки, пружина в тумблере переводит контакты реле в гарантированное положение (открытое или закрытое).

Гистерезис является неотъемлемой частью большинства компараторов составляющая всего несколько милливольт и он обычно влияет только на схемы, где входное напряжение поднимается или падает очень медленно или имеет скачки напряжения, известные как «шум»…

Похожие записи:

4 комментария

Спасибо огромнейшее! Для меня как новичка, написано более чем доступно.

Первую половину статьи необходимо поместить за второй, чтоб не отпугнуть новичков » непонятными» структурными схемами компаратора, а то заходишь на сайт, с целью в доступном изложении узнать о компараторах, а тут формулы научные термины (хоть словарь Даля применяй). Прочитав пару строк и поняв, что начинает плавится мозг, закрываешь и ищешь другой…, а тут все изложено в доступной форме не только для «_АКАМЕДИКОВ!» благодарность автору.

«Конечным результатом входного напряжения смещения является то, что выходной транзистор не полностью открывается или закрывается, когда входное напряжение находится недалеко от опорного напряжения.»

Это не так. Напряжение смещения является причиной того, что при замкнутых между собой прямом и инверсном входах через плечи входного дифференциального каскада протекают разные токи, хотя в идеале должны быть одинаковые. Напряжение смещения по определению представляет собой такую разность напряжений на входах, при которой токи в этих плечах становятся равными. Даже если вам попадется экземпляр компаратора у которого чисто случайно напряжение смещения окажется равным 0, то это никак не избавит его от того «что выходной транзистор не полностью открывается» при малых дифференциальных входных напряжениях. Причиной этого является не напряжение смещения, а конечный коэффициент усиления схемы. В некоторых компараторах для борьбы с логической неопределенностью на выходе вводят внутреннюю ПОС для образования гистерезиса, но не в обсуждаемых здесь микросхемах.

А вот выдержка из datasheet от TI на LM339:
«Overdrive voltage is the differential voltage produced between the positive and negative inputs of the comparator over the offset voltage. To make an accurate comparison, the overdrive voltage (V OD ) must be higher than the input offset voltage (V IO ). Overdrive voltage can also determine the response time of the comparator, with the response time decreasing with increasing overdrive.»

Отсюда видно что для гарантированно правильного срабатывания компаратора входной импульс должен иметь перепад больше (достаточно 1 мВ превышения, поскольку типичный коэффициент усиления для этих микросхем по напряжению порядка 50 В/мВ) чем напряжение смещения (которое гарантируется справочными данными не больше 9мВ, а для версии «A» не более 4мВ) т. к. из входного импульса как-бы вычитается напряжение смещения и дальше схема усиливает именно эту разность, а значит входной импульс будет однозначно определять выходной сигнал только если он по модулю превышает смещение. И еще при этом чем больше перепад тем быстрее появится отклик на выходе. Для входных импульсов 5мВ и 100мВ разница в задержке выходного сигнала может составлять 1/0,5мкс для положительного/отрицательного фронта.

Если пишете что с однополярным источником питания, то почему вводите в заблуждение и указываете неправильную маркировку? + — это двуполярное питание. Если питание однополярное то нужно писать + и значок земли.