Сумматоры и Полусумматоры

Включение по схеме, изображенной на рисунке, обеспечивает работу ОУ в режиме компаратора практически с нулевыми

дифференциальными и синфазными входными напряжениями. Недостатком данной схемы является относительно низкое быстродействие, обусловленное необходимостью частотной коррекции, так как ОУ работает в линейном режиме со 100-процентной обратной связью. Используя для построения компаратора обычные ОУ, трудно получить время переключения менее 1 мкс.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Аналоговый интегральный компаратор.

Итак, компаратор - это быстродействующий дифференциальный усилитель постоянного тока с большим усилением, малым дрейфом и смещением нуля и логическим выходом. Его входной каскад должен обладать большим коэффициентом ослабления синфазной составляющей (КОСС) и способностью выдерживать большие синфазные и дифференциальные сигналы на входах не насыщаясь, т. е. не попадая в режимы, из которых компаратор будет долго выходить. Для повышения помехозащищенности желательно снабдить компаратор стробирующим логическим входом, разрешающим переключение компаратора только в тактовые моменты.

Схема первого промышленного интегрального компаратора тА710 (отечественный аналог - 521СА2), разработанного Р. Видларом в США в 1965 г, приведена на рис. 4. Она представляет собой дифференциальный усилитель на транзисторах VT1, VT2, нагруженный на каскады ОЭ на VT5 и VT6. Каскад на VT5 через транзистор VT4 управляет коллекторным режимом входного каскада и через транзистор в диодном включении VT7 фиксирует потенциал базы транзистора VT8, делая его независимым от изменений положительного напряжения питания. Каскад на VT6 представляет собой второй каскад усиления напряжения.

Эмиттерные выводы транзисторов VT5 и VT6 присоединены к стабилитрону VD1 с напряжением стабилизации 6,2 В, поэтому потенциалы баз указанных транзисторов соответствуют □ 6,9 В. Следовательно, допустимое напряжение на входах компаратора относительно общей точки может достигать 7 В. На транзисторе VT8 выполнен эмиттерный повторитель, передающий сигнал с коллектора VT6 на выход. Постоянная составляющая сигнала уменьшается до нулевого уровня стабилитроном VD2.

Если дифференциальное входное напряжение превышает +5...+10 мВ, то транзистор VT6 закрыт, а VT5 близок к насыщению. Выходной сигнал компаратора при этом не может превысить +4 В, так как для более положительных сигналов открывается диод на VT7, не допуская излишнего роста выходного напряжения и насыщения VT5. При обратном знаке входного напряжения VT6 насыщается, потенциал его коллектора оказывается близок к напряжению стабилизации стабилитронов VD1 и VD2, поэтому потенциал выхода близок к нулю.

Транзистор VT9 - источник тока 3 мА для смещения VT8 и VD2. Часть этого тока (до 1,6 мА) может отдаваться в нагрузку, требующую наличия вытекающего тока на входе (один вход логики ТТЛ серии 155 или 133).

В дальнейшем эта схема развивалась и совершенствовалась. Схемы многих компараторов имеют стробирующий вход для синхронизации, а некоторые модификации снабжены на выходе триггерами-защелками, т. е. схемами, фиксирующими состояние выхода компаратора по приходу синхроимпульса.

Выходные каскады компараторов обычно обладают большей гибкостью, чем выходные каскады операционных усилителей. В обычном ОУ используют двухтактный выходной каскад, который обеспечивает размах напряжения в пределах между значениями напряжения питания (например, +13 В для ОУ типа 140УД7, работающего от источников + 15 В). В выходном каскаде компаратора эмиттер, как правило, заземлен, и выходной сигнал снимается с открытого коллектора. Выходные транзисторы некоторых типов компараторов, например 521СА3 или LM311, имеют открытые, т. е. неподключенные, коллектор и эмиттер. Две основные схемы включения омпараторов такого типа приведены на рисунке.

На рисунке 1 - выходной транзистор компаратора включен по схеме с общим эмиттером. При потенциале на верхнем выводе резистора, равном +5 В, к выходу можно подключать входы ТТЛ, МОП и КМОП-логику с питанием от источника 5 В. Для управления КМОП-логикой с более высоким напряжением питания следует подключить верхний вывод резистора к источнику питания данной цифровой микросхемы.

Если требуется изменение выходного напряжения компаратора в пределах от и+пит до и-пит, выходной каскад включается по схеме эмиттерного повторителя (2). При этом заметно снижается быстродействие компаратора и происходит инверсия его входов.

Некоторые модели интегральных компараторов (например, AD790, МАХ907) имеют внутреннюю неглубокую положительную обратную связь, обеспечивающую их переходной характеристике гистерезис с шириной петли, соизмеримой с напряжением смещения нуля.

На следующем рисунке приведена схема включения компаратора с открытым коллектором на выходе, переходная характеристика которой имеет гистерезис (2).

В заключение перечислим некоторые особенности компараторов по сравнению с ОУ :

1. Несмотря на то что компараторы очень похожи на операционные усилители, в схемах с ними почти никогда не используют отрицательную обратную связь, так как в этом случае весьма вероятно (а при наличии внутреннего гистерезиса - гарантировано) самовозбуждение компараторов. Использование отрицательной обратной связи возможно только при преобладании положительной ОС (например, в схеме мультивибратора).

2. В связи с тем, что  в схеме нет отрицательной обратной связи, напряжения на входах компаратора неодинаковы.

3. Из-за отсутствия отрицательной обратной связи входное сопротивление компаратора относительно низко и может меняться при изменении входных сигналов.

4. Выходное сопротивление  компараторов значительно и различно для разной полярности выходного напряжения.

3) Параметры компараторов.

Параметры, характеризующие качество компараторов, можно разделить на три группы: точностные, динамические и эксплуатационные.

Компаратор характеризуется теми же точностными параметрами, что и ОУ. Это коэффициент дифференциального усиления, смещение нуля входного напряжения, величина входного тока.

Основным динамическим параметром компаратора является время переключения tr. Это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение компаратора достигает противоположного логического уровня. Время переключения замеряется при постоянном опорном напряжении, подаваемом на один из входов компаратора, и скачке входного напряжения ивх, подаваемого на другой вход. Это время зависит от величины превышения ивх над опорным напряжением.

Время переключения компаратора можно разбить на две составляющие: время задержки tj и время нарастания до порога срабатывания логической схемы - tM. В справочниках обычно приводится время переключения для значения дифференциального напряжения, равного 5 мВ после скачка.

Эксплуатационные параметры компараторов определяют допустимые режимы работы их входных и выходных цепей, требования к источникам питания и температурный диапазон работы. Важными эксплуатационными параметрами являются уровни выходных сигналов, а также способы подключения нагрузки к выходу компаратора. Ограничения эксплуатационных параметров обусловлены конечными значениями пробивных напряжений и допустимыми токами через транзисторы компаратора. Поскольку компараторы, в отличие от ОУ, могут работать со значительными дифференциальными входными напряжениями, важными характеристиками компаратора являются максимально допустимые величины дифференциального и синфазного входных напряжений.

В настоящее время производятся сотни наименований интегральных компараторов. Эти ИМС можно условно разделить на следующие группы: универсальные (общего применения), быстродействующие, прецизионные, микро- мощные.

В таблице приведены основные параметры некоторых моделей компараторов различных типов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Электроника. Цифровые элементы и устройства: Учеб. пособ. -Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2002. – 97 с.
2. Гук М. Аппаратные средства IBM PC: Энциклопедия . -С.-Петербург.: Питер Ком, 1999.- 816 с.
3. Букреев Н.Н. и др. Микроэлектронные схемы цифровых устройств.-М.: Радио и связь, 1990.- 319 с.
4. Вьюхин В.В. и др. Информатика и вычислительная техника: Учебное пособие. /Под редакцией В.А. Ларионова.- М.: Высшая школа, 1992. -245 с.
5. Пятибратов А.П. и др. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник. –М.: Финансы и статистика, 1998.-400 с.
6. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника.- М.: МИР, 1982.- 271 с.
7. Базарова С. Б-М. Сумматоры: Методические указания к лабораторной работе: Издательство ВСГТУ- 1999.
8. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы: Учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат.-1985.
9. Майоров С. А., Новиков Г. И. Принципы организации цифровых машин.-JI. Машиностроение.-1974.
10. Угрюмов Е. П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ. Учеб. пособие для спец. ЭВМ вузов,- М.: Высшая школа,- 1986.
11. Чье Ен Ун. Электроника. Цифровые элементы и устройства: Учеб. пособ. – Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2002. – 97 с. Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение. Радио и связь, 1990. 160 с.
12. Гук М. Ю. Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия. Питер, 2006. 1072 с.