Усовершенствованная схема оконного компаратора

Texas Instruments LM311 LM319 LM1458

Чтобы определить, находится ли напряжение внутри или снаружи граничной области, в типичном оконном компараторе используются два компаратора и один операционный усилитель (ОУ). Стандартная реализация такого компаратора показана на Рисунке 1. IC1 представляет собой инвертирующий операционный усилитель с коэффициентом усиления –1. VREF и –VREF – это границы окна. Когда напряжение на входе VIN становится более положительным, чем VREF, уровень выходного сигнала IC2A опускается вниз. Когда напряжение на входе VIN становится более отрицательным, чем –VREF, на выходе IC2B устанавливается низкий уровень напряжения. Если напряжение VIN iниже VREF и выше –VREF, напряжение на обоих выходах IC2 остается высоким. Микросхемы LM319 и AD548 выпускаются в 14- и 8-выводных корпусах, соответственно. LM319 имеет раздельные выводы питания входных и выходных цепей. Вход должен питаться напряжениями ±15 В относительно аналоговой земли, а для выхода можно использовать шину питания логики с опорным уровнем логической земли. Входные напряжения схемы ограничены диапазоном ±2.5 В, что обусловлено предельным дифференциальным напряжением микросхемы LM319. Если ожидается, что входное напряжение может превысить дифференциальное напряжение ±5 В между VREF и VIN или –VREF и VIN, тогда придется добавлять ограничивающую цепь с большим количеством дискретных компонентов. Преодолеть эти ограничения позволяет схема на Рисунке 2.

Недостатком традиционной схемы оконного компаратора является ограниченный диапазон входных напряжений.
Рисунок 1. Недостатком традиционной схемы оконного компаратора является
ограниченный диапазон входных напряжений.
 
Схема компаратора абсолютного значения имеет широкий диапазон входных напряжений и улучшенные характеристики по постоянному току.
Рисунок 2. Схема компаратора абсолютного значения имеет широкий диапазон входных
напряжений и улучшенные характеристики по постоянному току.

Чтобы увеличить максимальное дифференциальное входное напряжение, можно использовать компаратор LM311, но он доступен только в восьмивыводном корпусе, поэтому для схемы потребуется три таких микросхемы. Чтобы сократить количество компонентов, в схеме на Рисунке 2 использован усилитель абсолютного значения, управляющий одним компаратором LM311 (IC2). Хотя на первый взгляд схема на Рисунке1 может показаться проще, чем схема на Рисунке 2, используя сдвоенный усилитель в одном восьмиконтактном корпусе и компаратор LM311, можно сэкономить место на печатной плате и улучшить характеристики схемы. Когда в схеме на Рисунке 2 абсолютное значение VIN превышает VREF, напряжение на выходе компаратора IC2 имеет низкий уровень. При положительном сигнале VIN усилитель IC1A инвертирует его, и напряжение на R5 равно –VIN. Ток, протекающий через R5, вдвое больше, чем через R1, а выходное напряжение IC1B равно VIN. При отрицательном VIN диод D2 блокирует выход IC1A,напряжение на котором ограничено прямым напряжением диода D1. Поскольку инвертирующие входы IC1A и IC1B подключены к виртуальной земле, ток через R3 и R5 не течет. Когда усилитель IC1A отключен от схемы, коэффициент усиления IC1B равен –1, а выходное напряжение положительное. Напряжение на инвертирующем входе IC2 всегда положительное. Схема симметрична для положительных и отрицательных напряжений. V2 определяют следующие выражения:

V2 = |VIN | = –VIN –(–2VIN)

для положительных входных сигналов и

V2 = –VIN

для отрицательных входных сигналов.

Канал A: выпрямленный выходной сигнал (абсолютное значение) усилителя IC1B; Канал B: выход компаратора.
Рисунок 3. Канал A: выпрямленный выходной сигнал (абсолютное значение)
усилителя IC1B; Канал B: выход компаратора.
 
Схему на Рисунке 2 можно изменить, чтобы она работала от однополярного источника питания.
Рисунок 4. Схему на Рисунке 2 можно изменить, чтобы она работала от однополярного
источника питания.

Пороги сдвоенного компаратора на Рисунке 1 могут немного отличаться. Чтобы улучшить характеристики схемы на Рисунке 2 по постоянному току, следует выбирать ОУ с входным смещением менее 1 мВ. Другим преимуществом схемы на Рисунке 2 является то, что для установки ее коэффициента усиления нужно изменить сопротивление только одного резистора R2. У большинства компараторов напряжение смещения составляет несколько милливольт, поэтому увеличение входного напряжения повышает точность за счет увеличения отношения сигнал/смещение. В схеме на Рисунке 1 для этого потребуется добавить еще один операционный усилитель. На Рисунке 3 показаны отклики смоделированной схемы. Канал A – это выход микросхемы IC1B. Канал B представляет выход компаратора при установке VREF = 1 В. Маркер 1 (красный) соответствует порогу 1 В, а Маркер 2 (черный) – низкому логическому уровню на выходе компаратора. На Рисунке 4 показан еще один вариант схемы, в которой используется один источник питания 5 В. Эта схема работает с входными сигналами от 0 до 5 В и порогами VREF 2.5 В и 5 В. При входных напряжениях 0 и 5 В выходное напряжение IC1B имеет максимальное значение 5 В. Если входное напряжение VIN равно 2.5 В, выходное напряжение IC1B принимает минимальное значение 2.5 В.

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices AD548
  2. Datasheet Texas Instruments LM311
  3. Datasheet Texas Instruments LM319
  4. Datasheet Texas Instruments LM1458

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Absolute-value comparator touts accuracy, size

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

30 предложений от 18 поставщиков
Исполнение: SO8-150-1.27. Компаратор Число компараторов в корпусе : 1 Тип выхода : Open-Collector, Open-Emitter Логика : MOS, TTL Напряжение питания В:...
LM311DR2G
ON Semiconductor
10,70 ₽
ЗУМ-СМД
Россия
LM311DT
STMicroelectronics
5,23 ₽
Romstore
Россия, Беларусь
LM311DR TI
от 13,00 ₽
LM311-SMD
Fairchild
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя