Liniowe układy scalone

Komparatory napięcia i ich zastosowanie

 

 

Komparator

●

Zadaniem komparatora jest wytworzenie 
sygnału logicznego 0 lub 1 na wyjściu w 
zależności od znaku różnicy napięć 
wejściowych

●

Jest elementarnym przetwornikiem A/C 
jednobitowym

●

Ogniwo pośrednie między układami 
analogowymi a cyfrowymi

●

Komparatory analogowe (w odróżnieniu od 
cyfrowych)

 

 

Komparator

●

Zastosowanie:

–

W układach formujących,

–

Przetwornikach A/C

–

Dyskryminatorach amplitudy

–

Generatorach

–

Wzmacniaczach odczytu

 

 

Komparator a wzmacniacz 

operacyjny

●

Komparator jest szczególnym rodzajem 
wzmacniacza operacyjnego 

–

o bardzo dużym wzmocnieniu 

–

Przeznaczony do pracy z otwartą pętlą

●

W zasadzie każdy wzmacniacz operacyjny 
może pracować jako komparator

 

 

Różnice pomiędzy komparatorem a 

wzmacniaczem operacyjnym

●

Komparatory są układami o wiele szybszymi niż 
wzmacniacze

–

Komparator jako układ pracujący z otwartą pętlą 

może być tak zaprojektowany aby otrzymać max. 

szerokość pasma i minimalny czas narastania 

napięcia wyjściowego bez uwzględniania 

przesunięć fazowych i kompensacji częstotliwości

–

Czas wyjścia ze stanu nasycenia w komparatorze 

jest krótszy niż we wzmacniaczu (który pracuje 
tylko w zakresie liniowym)

 

 

Różnice pomiędzy komparatorem a 

wzmacniaczem operacyjnym

●

Poziomy napięcia na wyjściu komparatora są 
dostosowane do wymagań typowych układów 
cyfrowych (TTL, CMOS)

●

Wzmacniacze dysponują szerokim zakresem 
napięcia wyjściowego

●

Stosując wzmacniacz operacyjny zamiast 
komparatora należy dodać układ 
dostosowujący poziomy napięć na wyjściu 
wzmacniacza do odpowiedniego poziomu 
sygnału cyfrowego

 

 

Różnice pomiędzy komparatorem a 

wzmacniaczem operacyjnym

●

Komparatory mają zwykle szerszy niż 
wzmacniacze zakres napięcia wejściowego

●

Wejściowe napięcie niezrównoważenia oraz 
jego współczynnik cieplny są na ogół większe w 
komparatorach niż we wzmacniaczach

●

Komparatory (zwłaszcza te o dużej szybkości) 
mają mniejsze rezystancje wejściowe i większe 
wejściowe prądy polaryzujące niż wzmacniacze

 

 

Parametry komparatorów

●

Zbliżone do parametrów wzmacniacza 
operacyjnego – różnice wynikają z cyfrowego 
charakteru napięcia wyjściowego

●

Przy wyborze komparatora należy brać pod 
uwagę dwie cechy:

–

Szybkość

–

dokładność

 

 

Czułość komparatora

●

Określa dokładność komparatora

●

Najmniejsza wartość napięcia wejściowego 
różnicowego prawidłowo wykrywana przez 
układ

 

 

Wejściowe napięcie 

niezrównoważenia

●

Wartość wejściowego napięcia różnicowego 
wytwarzająca określone napięcie na wyjściu

●

We wzm.op. przy U

O

=0, dla komparatorów przy 

pewnym umownym napięciu (najczęściej progu 
logicznego)

●

Dla komparatora μA710 napięcie progu wynosi 
dla remp. 0 st.C – 1,5 V, dla +25 st.C – 1,4 V, 
dla +70 st.C – 1,2 V

 

 

Współczynnik cieplny wejściowego 

napięcia niezrównoważenia

●

Zmiana wejściowego napięcia 
niezrównoważenia przy zmianie temperatury o 
1 st. C (podobnie jak dla wzm. op.)

●

Napięcie niezrównoważenia można wyzerować 
za pomocą dodatkowych obwodów (jak we 
wzm. op.), ale osiągnięta korzyść nie jest duża 
– komparatory o większym napięciu 
niezrównoważenia mają większy współczynnik 
cieplny a wyzerowanie napięcia 
niezrównoważenia nie powoduje kompensacji 
jego zmian cieplnych

 

 

Wejściowe prądy polaryzujące

Wejściowy prąd niezrównoważenia

●

Wejściowy prąd polaryzujący – średnia wartość 
prądów polaryzujących oba wejścia

●

Wejściowy prąd niezrównoważenia – różnica 
wejściowych prądów polaryzujących zmierzona 
przy napięciu wyjściowym rożnym napięciu 
progu logicznego

●

Współczynnik cieplny wejściowego prądu 
niezrównoważenia – zmiana prądu przy 
zmianie temperatury o 1 st.C (nA / st.C)

 

 

Wzmocnienie napięciowe

●

Stosunek zmiany napięcia wyjściowego do 
zmiany różnicowego napięcia wejściowego 
zmierzony przy napięciu na wyjściu bliskim 
napięciu progu logicznego

●

Zależy od temperatury i wartości napięć 
zasilających

 

 

Współczynnik tłumienia sygnału 

współbieżnego

●

CMRR – takie samo znaczenie jak we wzm. op.

●

Stosunek zmiany współbieżnego napięcia 
wejściowego do zmiany wejściowego napięcia 
niezrównoważenia, jaka następuje w tym 
zakresie [dB]

●

Zależny od temperatury

 

 

Czas odpowiedzi

●

Czas upływający od chwili podania na wejście 
komparatora określonego skoku napięcia, do 
chwili gdy napięcie wyjściowe osiągnie poziom 
progu logicznego

●

Czas odpowiedzi na sygnał sinusoidalny 
(najczęściej przy amplitudzie 30mV i 
częstotliwości 30 MHz)

 

 

Inne parametry

●

Maksymalne dopuszczalne napięcie wejściowe

●

Maksymalne dopuszczalne różnicowe napięcie wejściowe

●

Zakres zmian napięcia wejściowego

●

Zakres zmian różnicowego napięcia wejściowego

●

Poziomy napięcia wyjściowego (odpowiadające 0 i 1)

●

Maksymalne prądy wyjściowe - max. prąd jaki może 

wpływać do zacisku wyjściowego oraz max. prą jaki 
można pobrać z wyjścia komparatora

●

Obciążalność wyjściowa (fan out) – liczba bramek 
logicznych określonego rodzaju którymi można obciążyć 

komparator

●

Rezystancja wyjściowa

●

Pobór mocy

 

 

Budowa komparatora

●

Część analogowa i cyfrowa

●

Trudny do zaprojektowania - ze względu na 
przeciwstawne wymagania – problemem jest 
pogodzenie

 

 

Budowa komparatora

●

Układ wejściowy – wzmacniacz różnicowy o bardzo dużym 
wzmocnieniu zasilany przez odpowiednie układy 

polaryzacji

●

Układy polaryzacji zapewniają odseparowanie od zasilania 

części cyfrowej

●

Wzmacniacz powinien mieć szerokie pasmo częstotliwości 

 i dużą szybkość zmian napięcia wyjściowego

●

Część cyfrowa – jest układem do przesuwania poziomów, 
dającym na wyjściu standardowe poziomy logiczne (np. 
TTL)

●

Niektóre komparatory mają możliwość konfiguracji z 

różnymi poziomami cyfrowymi na wyjściu (LM111) w 
zależności od dołączenia dodatkowych obwodów 

zewnętrznych

 

 

Zastosowanie komparatorów i wzmacniaczy 

operacyjnych w układach porównujących

●

Zadanie: porównywanie analogowych sygnałów 

wejściowych (napięciowych lub prądowych) z 

sygnałami odniesienia, sygnał cyfrowy na wyjściu 

stwierdza, czy czy sygnał wejściowy jest większy od 

sygnału odniesienia lub czy mieści się w określonym 
przedziale napięć

●

Typy układów porównujących (dyskryminatorów):

–

Detektor przejścia przez zero

–

Dyskryminator progowy

–

Dyskryminator okienkowy

 

 

Detektor przejścia przez zero

●

Wytwarza sygnał wyjściowy zmieniający stan za 
każdym razem, gdy wartość analogowego sygnału 
wejściowego przekracza poziom zerowy

●

Przydatny przy analizie widma częstotliwościowego 
– zamienia sygnał w ciąg impulsów prostokątnych 
o szerokościach zależnych od częstotliwości – 
redukcja szumów i zniekształceń – dalsza obróbka 
– metodami cyfrowymi)

●

Zastosowanie: w systemach przetwarzania i 
obróbki danych analogowych, układy pamięci 
analogowych, badanie korelacji sygnałów

 

 

Detektor przejścia przez zero (1)

●

Poziom na wyjściu - TTL

●

Wyjście jest w stanie 1  
gdy sygnał wejściowy jest 
dodatni, 0 – gdy ujemny

●

Na wejściu – filtr 

wybierający żądany 
zakres częstotliwości

●

Układ strobujący

●

Poziomu napięcia 

strobującego powinny być 
poziomami TTL

 

 

Detektor przejścia przez zero (2)

●

Komparator LM111

●

Poziomy napięcia 
wyjściowego zgodne z 
poziomami układów 

logicznych MOS

●

Przy napięciach zasilania 
+5V i -10V uzyskuje się 
wartość napięcia 

wyjściowego 4,5V dla stanu 
logicznego 1 i -9,5 V dla 0

 

 

Detektor przejścia przez zero ze 

wzmacniaczem operacyjnym (1)

●

Dioda Zenera – ogranicznik 
napięcia

●

Poziom napięcia zależy od 
kierunku prądu I

2

 i jest równy 

albo napięciu zenera U

Z

 albo 

napięciu na diodzie Zenera U

F

 

spolaryzowanej w kier. 

przewodzenia

●

Zmiana stanu napięcia 

następuje przy I

2

 = 0, ponieważ 

 I

1

=I

2

+I

B

 – w chwili zmiany 

stanu I

1

=I

B

 i następuje 

zrównanie prądu 

polaryzującego z prądem 
wejściowym

 

 

Detektor przejścia przez zero ze 

wzmacniaczem operacyjnym (1) c.d.

●

Dla zmniejszenia błędu 
spowodowanego prądem 

polaryzującym włącza się rezystor R 
między wejścia nieodwracające i masę

●

Zmiana stanu napięcia wyjściowego w 
układzie idealnym powinna 

następować przy napięciu wejściowym 
równym 0

●

W rzeczywistości z powodu 
wejściowego napięcia 

niezrównoważenia i prądu 
niezrównoważenia zmiana następuje 
przy wartości U

I

=U

IO

+I

IO

R

●

Napięcie niezrównowążenia można 

skompensować znanymi metodami

 

 

Detektor przejścia przez zero ze 

wzmacniaczem operacyjnym (2)

●

Napięcie wyjściowe jest 
równe napięciu Zenera 

jeśli U

I

<0.

●

Jeżeli U

I

>0 – napięcie 

wyjściowe =0,7V

●

Dobierając diodę o 
odpowiednim napięciu 

Zenera można stosować 
ten układ do współpracy 
z układami logicznymi 

różnych typów

●

Potencjometr – do 
kompensacji napięcia 
niezrównoważenia

 

 

Dyskryminator progowy

●

Wytwarza na swym wyjściu sygnał logiczny, będący rezultatem 
porównania wartości napięci (prądu) sygnału wejściowego z 

napięciem (prądem) odniesienia

●

Napięcie wyjściowe przyjmuje 2 
warości U

Omax

 lub U

Omin

 zależnie 

od znaku różnicy napięć U

I

 i 

napięcia odniesienia U

R

●

Wartości wyjściowe napięć 

zależą od komparatora

●

Minimalizacja napięcia 

niezrównoważenia wywołanego 
przez prądy polaryzujące – 

dobrać R

1

 = R

2

, przy czym 

wartości rezystorów nie powinny 

być duże (< 200 Ohm)

 

 

Wady prostego dyskryminatora 

progowego

●

W przypadku bardzo wolno zmiennego sygnału 

wejściowego napięcie wyjściowe może na pewien 

czas przyjąc wartość pośrednią między U

Omax

 i U

Omin

 

gdy punkt pracy komparatora znajduje się w liniowym 

obszarze charakterystyki U

O

=f(U

I

), odpowiadającym 

małej różnicy U

I

 i U

R

●

Powstaje niebezpieczeństwo oscylacji – komparator 

jest równy wówczas wzmacniaczowi operacyjnemu o 

dużym wzmocnieniu bez kompensacji 

częstotliwościowej

●

Na wejściu często występują szumy nakładające się 

na przebieg sygnału  i powodujące przypadkowe 

zmiany stanu na wyjściu , gdy wartość U

I

 jest bliska U

R

 

 

Dyskryminator progowy z histerezą

●

Dzielnik rezystorowy R

2

, R

3

 powoduje powstanie dodatniego 

sprzężenia zwrotnego

●

Napięcia progowe:

●

Napięcie histerezy

U

p1

=

U

R

R

3

R

2



R

3



U

Omin

R

2

R

2



R

3

U

p2

=

U

R

R

3

R

2



R

3



U

Omax

R

2

R

2



R

3

U

H

=

U

p2

−

U

p1

=

R

2



U

Omax

−

U

Omin



R

2



R

3

 

 

Dyskryminator progowy z histerezą 

c.d.

●

W celu minimalizacji błędów powodowanych 
przez wejściowe prądy polaryzujące należy 
dobrać R

1

 i R

2

 możliwie małe i R

1

 = R

2

 || R

3

●

Stosunek rezystorów w sprzężeniu dodatnim 
powinien być mniejszy od wzmocnienia 
napięciowego komparatora. Jeśli ten warunek 
nie jest spełniony mogą powstać oscylacje w 
układzie – stąd wynika minimalna wartość 
napięcia histerezy

●

Dyskryminator napięcia z histerezą zwany jest 
tez układem Schmitta

 

 

Dyskryminator progowy z 

regulowaną histerezą (1-stronnie)

●

Dioda D

1

 powoduje przerwanie 

obwodu dodatniego sprzężenia 

zwrotnego, gdy napięcie wyjściowe 
jest równe dolnemu poziomowi 

logicznemu.

●

Dolny próg dyskryminacji jest 

zawsze równy napięciu odniesienia 
U

R

, górny można zmieniać przez 

zmianę wartości R

2

●

U

Z

 > U

R

●

R

3

 słuzy do ograniczania prądu 

diody Zenera

●

R

4

 – do rozładowywania 

pojemności pasożytniczej D

2

 

 

Dyskryminator napięcia ze wzmacniaczem 

operacyjnym - sumujący

●

Zawiera 2 rezystory sumujące

●

Jako napięcia odniesienia – dodatnie 
lub ujemne napięcie zasilające (jeśli 
są stabilizowane)

●

Próg dyskryminacji reguluje się 
stosunkiem R

1

/R

2

●

Poziom napięcia wyjściowego zalezy 
od kierunku prądu I

3

●

Porównanie następuje przy: 

●

2-gi składnik – błąd spowodowany 
napięciem niezrównoważenia

●

R

3

 zmiejsza błąd spowodowany 

prądami polaryzującymi

U

I

=−

R

1

R

2

U

R



U

IO



1

R

1

R

2





I

IO

R

1

 

 

Dyskryminator napięcia ze wzmacniaczem 

operacyjnym - różnicowy

●

Potrzebny jest tylko jeden 
rezystor sumujący

●

Napięcie U

R

 musi być równe 

żądanemu progowi 
dyskryminacji

●

Źródłami błędu w układzie 
są : napięcie 
niezrównoważenia 

wzmacniacza oraz CMRR

●

Wprowadzając słabe 
sprzężenie zwrotne dodatnie 
otrzymuje się dyskryminator 

z histerezą

 

 

Dyskryminatory okienkowe

●

Dyskryminator okienkowy powinien wytwarzać 
na swym wyjściu sygnał logiczny stwierdzający 
czy wartość napięcia wejściowego zawiera się 
w określonym przedziale napięć odniesienia

●

Zastosowanie: technika pomiarowa, układy 
sygnalizacyjne

●

Stosuje się 2 komparatory lub jeden podwójny

 

 

Dyskryminator okienkowy na 

CA 3290

●

Progi dyskryminacji 
wyznacza dzielnik 

rezystorowy R

1

, R

2

, R

3

. 

Dioda  świeci się gdy 

napięcie wejściowe jest 
większe od napięcia U

p1

 na 

wejściu (-) K2 i nie 
przekracza wartości U

p2

 na 

wejściu (+) K1

●

Duża impedancja 

wejściowa wynikająca z 
właściwości komparatora 

CA 3290 – stopień 
wejściowy z tranzystorów 
MOS

 

 

Dyskryminator okienkowy ze 

wzmacniaczem operacyjnym

●

Gdy U

I

+U

R

<0 dioda D

2

 przewodzi a 

D

1

 zablokowana

●

Napięcie w punkcie A jest równe 0 i 

przez rezystor R/4 nie płynie prąd

●

Ogranicznik napięcia 

współpracujący z W2 powoduje 
zmiane znaku napięcia wyjściowego 

w chwili gdy I

d

 zmienia znak:

●

Czyli przy napięciu wejściowym:

U

I

R



U

R

R





U

R

=

I

d

=

0

U

I

=−

U

R

−

U

 

 

Dyskryminator okienkowy ze 

wzmacniaczem operacyjnym c.d.

●

Gdy U

I

+U

R

<0 – D

1

 przewodzi i 

napięcie na wyjściu W1 równe 
jest -1/2 (U

I

+U

R

)

●

Górna granica okna :

●

a więc:

●

Środek okna dyskryminacji jest 

równy napięciu odniesienia U

R

 z 

odwrotnym znakiem,a szerokość 

okna wynosi 2ΔU

●

Zmieniając U

R

 można przesuwać 

okno bez zmiany jego szerokości

U

I

R



U

R

R





U

R

−

1/2U

1



U

R



R/4

=

I

d

=

0

U

I

=−

U

R



U