Компаратор — схема сравнения аналоговых сигналов¶

Компаратор — это электронная схема (или функциональный блок), которая сравнивает два аналоговых входных сигнала и выдаёт на выходе дискретный логический сигнал, указывающий, какой из входных сигналов больше. Компаратор является одним из базовых аналоговых устройств и ключевым элементом аналого-цифровых преобразователей (АЦП).

¶Принцип работы

Компаратор имеет два аналоговых входа — неинвертирующий («+») и инвертирующий («−») — и один цифровой выход. Если напряжение на неинвертирующем входе выше напряжения на инвертирующем, выход переключается в одно логическое состояние (обычно в высокий уровень «1»); если ниже — в противоположное («0»). По сути компаратор выполняет операцию, обратную цифро-аналоговому преобразователю: он переводит непрерывную информацию о величине напряжения в дискретную форму.

Идеальный компаратор имеет бесконечный коэффициент усиления по разности сигналов, поэтому переход выхода происходит при сколь угодно малом превышении одного напряжения над другим. На практике из-за шумов и неидеальностей схемы на входах компаратора возникают неопределённые состояния, поэтому в большинстве реальных компараторов реализована положительная обратная связь, создающая так называемый гистерезис.

¶Гистерезис

Гистерезис означает, что пороги переключения компаратора для нарастающего и убывающего сигнала различны. Верхний порог срабатывания (UT+) выше нижнего (UT−), а разность между ними называется шириной петли гистерезиса. Благодаря гистерезису компаратор устойчив к шумам: если помеха на входе меньше ширины петли, выход не будет ложно переключаться при сигнале, находящемся вблизи порога. Компаратор с гистерезисом часто называют триггером Шмитта.

¶Операционный усилитель как компаратор

Простейший компаратор можно построить на операционном усилителе (операционнике), включённом без обратной связи (в режиме холостого хода). В этом случае ОУ работает с максимальным коэффициентом усиления, и выход насыщается к одному из питательных напряжений в зависимости от знака разности входных сигналов. Однако стандартные ОУ для этого не оптимизированы: у них медленное время восстановления после насыщения, возможна паразитная внутренняя обратная связь через резистивные токи и паразитные ёмкости, а выходные уровни не соответствуют логическим стандартам. Поэтому для построения компараторов выпускаются специализированные микросхемы.

¶Классификация

По архитектуре и назначению компараторы подразделяются на:

• Одиночные — один компаратор в корпусе;
• Многоканальные — два, четыре компаратора в одном корпусе (например, LM339 содержит четыре компаратора);
• Оконные (window comparators) — схема, сигнализирующая, попадает ли входное напряжение в заданный интервал между нижним и верхним порогом;
• Линейные компараторы — с аналоговым выходом, работающие в режиме усилителя, в отличие от цифровых;
• Резистивно-программируемые — с возможностью установки порога внешним резистором.

По типу выходного каскада различают компараторы с открытым коллектором (требуют внешнего подтягивающего резистора и удобны для интерфейсов с разными уровнями логики) и с толкающим выходом (push-pull), не требующие внешнего резистора.

¶Основные параметры

При выборе компаратора учитывают:

• Время задержки (propagation delay) — интервал между переключением входа и переключением выхода. У быстрых компараторов оно составляет единицы наносекунд;
• Пороговая точность — смещение компаратора (input offset voltage), определяющее минимально различимую разность входных напряжений;
• Диапазон входных напряжений — возможность работы при напряжениях, близких к земле или к шине питания (rail-to-rail);
• Потребляемый ток;
• Уровни выходного сигнала — совместимость с TTL, CMOS или другими логическими семействами.

¶Применение

Компараторы используются в широком спектре устройств:

• Аналогово-цифровые преобразователи — последовательного (машинного) типа, в частности АЦП с однобитной модуляцией (для АЦП с шумоподавлением);
• Детекторы уровней — контроль заряда аккумуляторов, индикация пороговых состояний;
• Переходные процессы и детекторы фронтов — преобразование синусоидальных или произвольных сигналов в прямоугольные;
• Стабилизаторы и контроллеры питания — формирование сигналов ШИМ в импульсных преобразователях;
• Системы защиты — отключение нагрузки при превышении тока, напряжения или температуры;
• Измерительные приборы — пороговые индикаторы, часы-компараторы в измерительных трактах.

¶Историческая справка

В ранних аналоговых вычислительных машинах, создававшихся в СССР и США в 1940-х — 1950-х годах, компараторы выполнялись на электронных лампах и применялись для решения дифференциальных уравнений и моделирования динамических систем. С появлением транзисторов, а затем и операционных усилителей компараторы стали компактными и массовыми. В СССР выпускались специализированные микросхемы компараторов, например серия КР554СА3.

¶Источники

• Дворкешович А. А. Схемотехника. Учебник для вузов.
• Гурьев В. А. Теоретические основы электротехники.
• Справочник по аналоговым микросхемам. Компараторы: параметры и применение.
• Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники.