Компаратор. Принцип работы компаратора

Логический электронный прибор для сравнения сигналов

Общие сведения

Компаратор (лат. comparare — сравнивать) — сравнивающее устройство - логический электронный прибор с двумя входами и одним выходом. Компаратор выдает высокое напряжение (логическая 1) в случае, если напряжение на первом (прямом) входе выше, чем на втором (инвертирующем) и низкое выходное напряжение (логический 0) если напряжение первого входа ниже вольтажа второго.

Одно из напряжений (сигналов), подаваемое на один из входов компаратора обычно называют опорным или пороговым напряжением. Пороговое напряжение делит весь диапазон входных напряжений, подаваемых на другой вход компаратора на два поддиапазона. Состояние выхода компаратора, высокое или низкое, указывает, в каком из двух поддиапазонов находится входное напряжение. Существуют компараторы с двумя или несколькими пороговыми напряжениями.

Способ реализации компаратора - операционный усилитель без обратной связи с большим коэффициентом усиления. 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.

Таким образом, если входное напряжение на прямом входе, превысит напряжение инверсного входа, выходной транзистор компаратора открывается, если станет ниже - закрывается. То есть компаратор сравнивает напряжения.

Применение компараторов

Основное назначение компараторов - оцифровка аналоговых сигналов. С помощью компараторов осуществляется связь между непрерывными сигналами, например, напряжения и логическими переменными цифровых устройств. Применяются в различных электронных устройствах, АЦП и ЦАП, устройствах сигнализации, допускового контроля

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.

Выходные каскады компараторов рассчитаны таким образом, чтобы их выходное напряжение соответствовало бы входному логическому уровню многих цифровых микросхем, поэтому их ещё могут называть формирователями.

Схемы практической реализации устройств на основе компараторов

В качестве примера возмем 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.

Связянные статьи: Потенциометр - это..., Транзистор - это..., Триггер - это... Термопара - это..., Твердотельное реле (Solid State Relay),