Коммутаторы на биполярных и полевых транзисторах. Компараторы: определение, структура, принцип действия. Структурная схема компаратора. Реакция компаратора на превышение входных сигналов. Области применения аналоговых часов и интегральных компараторов.
Сигналы, не являющиеся цифровыми, называются аналоговыми, а схемы, реализующие эту функцию, называются аналоговыми ключами, которые правильнее было бы называть аналоговыми коммутаторами. Когда транзистор открывается, его сопротивление становится очень малым и фактически он закорачивает цепь и напряжение на выходе становится равным нулю. Если уровень управляющего напряжения на затворе будет меньше, чем возможное входное напряжение, то транзистор будет заперт, и напряжение на выходе коммутатора станет равным нулю. Чтобы транзистор был полностью открыт, необходимо поддерживать напряжение на затворе, равном нулю. При этом. если управляющее напряжение будет больше максимально возможного входного напряжения, диод закроется, и на затворе установится напряжение, равное нулю.Компараторы (аналоговые часы) на ОУ общего применения используются при разработке высокоточных схем сравнения, которые работают с медленно изменяющимися сигналами.
Введение
В устройствах цифровой электроники обычно используются сигналы двух уровней - высокого и низкого. Такие сигналы называют цифровыми. При работе с цифровыми сигналами нет необходимости задумываться об особенностях электрических процессов в электронной схеме, которая обрабатывает сигнал. Электронные схемы, которые обрабатывают цифровой сигнал, называют электронными ключами.
В информативной электронике используются также ключи, которые имеют другое назначение, а именно - соединять или разъединять источник входного сигнала, содержащего информацию аналогового и приемник этого сигнала. Сигналы, не являющиеся цифровыми, называются аналоговыми, а схемы, реализующие эту функцию, называются аналоговыми ключами, которые правильнее было бы называть аналоговыми коммутаторами. Дело в том, что этот вид ключей предназначен для подключения или отключения источника входного аналогового сигнала от приемника этого сигнала. Для коммутации аналоговых сигналов используются коммутаторы последовательного, параллельного, последовательно-параллельного типов.
1. Коммутаторы на биполярных и полевых транзисторах
Коммутаторы на биполярных транзисторах. На рис. 1 показана простейшая схема параллельного аналогового коммутатора на биполярном транзисторе. Рассмотрим его работу.
Uвх - входное напряжение, поступление которого в нагрузку зависит от источника управляющего сигнала (Uупр). Напряжение Uвх может быть как положительной, так и отрицательной полярности. Если коммутатор находится в состоянии «включено», то его выходное напряжение должно быть равно входному. Если же коммутатор находится в состоянии «выключено», то его выходное напряжение должно быть равно нулю. На рис.2 представлены выходные характеристики транзистора в активном режиме (эмиттерный переход находится под прямым напряжением, а коллекторный - под обратным). Состоянием транзистора «дирижирует» источник напряжения Uупр. Когда от источника управляющего напряжения а вход транзистора подается запирающий сигнал, транзистор закрывается. При этом выходное напряжение равно входному. Когда транзистор открывается, его сопротивление становится очень малым и фактически он закорачивает цепь и напряжение на выходе становится равным нулю.
Одним из недостатков аналогового коммутатора, выполненного на биполярном транзисторе, который используется в прямом включении, является то, что его выходные характеристики не проходят через начало координат (рис. 2). При этом точка перехода коллекторного тока через нуль соответствует какому-то остаточному напряжению на участке оллектор-эмиттер. Назовем это напряжение остаточным (в литературе его часто называют напряжением смещения). Величина напряжения
Uкэ = Uoct ? 10 … 100 МВ. Чтобы ослабить этот недостаток, то есть уменьшить остаточное напряжение, транзистор ставят в инверсный режим (рис. 3). Базовый ток при этом не меняем.
Как видно из ВАХ транзистора (рис. 4) в инверсном включении остаточное напряжение значительно уменьшилось (Uэк = Uинв ? 1… 5 МВ). Чтобы транзисторная цепь была низкоомной, необходимо базовый ток поддерживать в пределах нескольких миллиампер. При этом токи коллектора и эмиттера не должны превышать этих значений. Остаточное напряжение при токе коллектора и токе эмиттера, равных нулю, будет очень малым.
Коммутаторы на полевых транзисторах. Для анализа аналогового коммутатора на полевом транзисторе воспользуемся его стоковой ВАХ (рис. 6).
В пределах отрезка «ОА» полевой транзистор можно рассматривать как омическое сопротивление, которое можно изменять в широких пределах с помощью управляющего напряжения на затворе. На рис. 5 показана схема последовательного коммутатора на полевом канальном транзисторе (на транзисторе с управляющим p-n-переходом). Рассмотрим работу этого коммутатора. Если уровень управляющего напряжения на затворе будет меньше, чем возможное входное напряжение, то транзистор будет заперт, и напряжение на выходе коммутатора станет равным нулю. Чтобы транзистор был полностью открыт, необходимо поддерживать напряжение на затворе, равном нулю. Но потенциал истока не остается постоянным, поэтому и уровень управляющего напряжения меняется. Недостаток этот можно устранить включением в цепь затвора полупроводникового диода. При этом. если управляющее напряжение будет больше максимально возможного входного напряжения, диод закроется, и на затворе установится напряжение, равное нулю. Напряжение на выходе станет равным входному. А если управляющее напряжение будет большим, но отрицательным, то диод откроется, передав на затвор отрицательное напряжение. Транзистор закроется.
Избавиться от всех перечисленных недостатков можно, если в качестве коммутатора использовать МОП-транзистор, но еще лучше - КМОП-схему. На рис. 7 дана схема последовательного коммутатора на МОП- транзисторе. Чтобы p-n-переходы между подложкой-истоком и подложкой- стоком не пришли в прямосмещенное состояние, на подложку заводится напряжение « Еп».
Рис. 7 Рис. 8
Чтобы МОП-транзистор в схеме (рис.7) привести в открытое состояние, управляющее напряжение должно быть больше максимального входного напряжения. А чтобы увеличить диапазон входных напряжений как положительной, так и отрицательной полярности лучше использовать КМОП-схему (рис.8). КМОП-схема представляет собой два МОП-транзистора с каналами разной проводимости, и объединенных в одно целое (рис.8). Транзистор VT1 - это транзистор с n-каналом, VT2 - с р-каналом. На затворы обоих транзисторов поступает управляющее напряжение. Так как в КМОП-схеме используются транзисторы с каналами разной проводимости, то важно, чтобы на затворы поступали напряжения разной полярности и достаточно большой величины (хотя бы в 2 раза больше опорного). При малых значениях входного сигнала оба транзистора будут открыты. Если положительное входное напряжение сильно возрастет, то режимы транзисторов изменятся: уменьшение напряжения на затворе VT1 и увеличение его внутреннего сопротивления будет сопровождаться увеличением напряжения на затворе транзистора VT2 и уменьшением его внутреннего сопротивления. Чтобы выключить коммутатор, надо изменить полярность управляющего напряжения. В переходных процессах при смене полярности управляющего напряжения возникает импульс помехи. Чтобы помеха не нарушила работу коммутатора управляющее напряжение не должно быть слишком большим.
2. Компараторы: определение, структура, принцип действия
Устройство сравнения аналоговых сигналов (компаратор) выполняет функцию сравнения либо двух (или более) входных сигналов между собой, либо сравнение одного входного сигнала с опорным сигналом (эталонным), которое называют порогом срабатывания устройства сравнения; в этом случае на выходе устройства сравнения формируются только два уровня выходного сигнала - высокий и низкий, которые могут отличаться как по величине, так и по знаку.
Если в качестве схемы сравнения используется обычный ОУ, то на выходе формируется напряжения противоположной полярности при практически равных абсолютных значениях. Если в качестве схемы сравнения используются специализированные интегральные схемы, то на выходе формируются напряжения одной полярности. При этом выходные сигналы компаратора согласованы по величине и полярности с сигналами, которые используются в цифровой технике.
Вывод. Входной сигнал компаратора носит аналоговый характер, а выходной - цифровой. По этой причине компараторы часто используются как аналого-цифровые преобразователи, так как они выполняют роль элементов связи между аналоговыми и цифровыми устройствами Компараторы относятся к специализированным ОУ, в которых нормальным режимом является нелинейный режим работы каскадов.
На рис.9 представлена структурная схема компаратора.
Первый каскад компаратора (ДУ) определяет все основные входные параметры (входные сопротивления, входные токи, их температурные дрейфы и др.), поэтому, этот каскад за малый промежуток времени, при минимальной потребляемой мощности, должен обеспечивать максимальный сигнал для переключения промежуточного каскада.
Рис.9.Структурная схема компаратора
Однако, в полупроводниковых компараторах, предназначенных для точного сравнения (? ? 10-3) быстро меняющихся сигналов большой амплитуды, ДУ работает в нелинейном режиме только в течение времени переключения выходного напряжения. Следовательно, требования, предъявляемые к ДУ, получаются противоречивыми, поэтому, использование схемотехнических и технологических средств, позволяет добиться устранения насыщения транзисторов ДУ.
Приемниками выходных сигналов компараторов обычно являются логические схемы, поэтому выходные напряжения каждого компаратора напряжения согласуются с ТТЛ, ТТЛШ и КМОП-логическими схемами.
В зависимости от того, какой уровень напряжения (входной или опорный) будет больше, на выходе компаратора устанавливается напряжение логического нуля или единицы. Современные компараторы схемотехнически различаются по конструкции формирователя уровня (ФУ): ФУ может быть эмиттерным повторителем, одновходовым или дифференциальным усилителем, логическим элементом. Но, в любом случае, независимо от конструкции, ФУ должен быть усилителем мощности, который сформирует на выходе компаратора соответствующие логические уровни напряжений: или U 0 , или U 1.
В компараторах напряжения один динамический параметр - время переключения выходного напряжения (иначе - время восстановления).
Быстродействие компаратора принято характеризовать «временем восстановления» (переключения) - это промежуток времени от начала сравнения до момента, когда выходное напряжение достигает порога срабатывания логической схемы.
Существует стандартная методика измерения времени восстановления (рис.10а): на неинвертирующий вход ОУ подается напряжение перегрузки, равное 100 МВ, а на инвертирующий вход - перепад напряжения той же полярности (импульсное напряжение), но большей амплитуды (105 МВ). Время восстановления (твост.) отсчитывается с момента, когда напряжение перегрузки и импульсное напряжение сравняются.
Разница между амплитудами перепада напряжения и сигнала перегрузки называется напряжением восстановления. Обычно время восстановления приводится для напряжения восстановления в 5 МВ.
Время восстановления компараторов содержит две составляющие: • время задержки (тз.), в течение которого выходное напряжение компаратора остается неизменным;
• время нарастания (тн) до порогового напряжения(Uпор) срабатывания логической схемы.
Рис.10 а.- переходные характеристики
Рис.10 б.-диаграммы, поясняющие работу компаратора
Эксплуатационные параметры компараторов отличаются от параметров ОУ только названиями уровней выходного напряжения.
Быстродействующие и высокоточные компараторы выполняются на ОУ в интегральном исполнении.
Точность работы компаратора характеризуется напряжением, на которое необходимо превысить опорное напряжение, чтобы выходное напряжение достигло порога срабатывания логической схемы.
3. Разновидности компараторов. Передаточные характеристики
Реакция компаратора на превышение входных сигналов заданного уровня называется амплитудной дискриминацией или детектированием уровня.
Однопороговым компаратором сравнения называются такие схемы сравнения, для которых коэффициент усиления всегда остается положительным.
В компараторе (рис.11а) цепь ОС формирует на выходе усилителя сигнал, совместимый с входными уровнями ТТЛ-схем: напряжение порога срабатывания (переключения) Uпор = Еоп. Если напряжение смещения нуля скомпенсировано, то при Uвх = Uпор напряжение на выходе Uвых ? 0; стабилитрон и диод закрыты и, таким образом, цепь ОС разомкнута. Если напряжение на входе изменится на несколько десятков микровольт в сторону уменьшения или увеличения, то изменение выходного сигнала будет составлять единицы вольт, благодаря большому коэффициенту усиления ОУ. Это изменение прекратится в тот момент, когда откроется диод или стабилитрон и коэффициент по цепи ОС станет равен единице.
Если Uвх станет больше Uпор , то Uвых = - Uд.
Если Uвх станет меньше Uпор , то Uвых = Uct.
Недостаток однопороговых компараторов: при очень медленных изменениях или малых амплитудах выходного сигнала время переключения однопорогового компаратора зависит от скорости изменения входного сигнала, частоты единичного усиления и коэффициента усиления усилителя по напряжению.
Рис.11. Схема однопорогового компаратора (а) и его передаточная характеристика (б)
Для уменьшения времени сравнения таких сигналов используют схемы компараторов с положительной ОС - регенераторные компараторы.
Регенераторные компараторы. Особенностью таких компараторов (рис.12а) является наличие гистерезиса передаточной характеристики.
Если напряжение на входе близко к нулю, или имеет отрицательное значение, то выходное напряжение будет положительным, а напряжение на неинвертирующем входе определяет верхний порог переключения
Если напряжение на входе достигает величины Uв = Ucp, ток в цепи стабилитрона становится равным нулю, а затем меняет направление и выходное напряжение ОУ переключается. После этого на неинвертирующем входе ОУ устанавливается напряжение нижнего порога срабатывания (напряжение отпускания Uотп):
Чтобы теперь переключить компаратор в обратное состояние, входное напряжение должно измениться от Uн до Uв, то есть на величину, равную 2 Uв, которое и определяет напряжение гистерезиса.
Чтобы петля гистерезиса была симметричной относительно входного напряжения, минимальное и максимальное значения выходного напряжения должны быть равны по абсолютному значению: если по какой то причине произойдет изменение одного из уровней, то это вызовет смещение гистерезиса и, следовательно, изменение расчетной точки компаратора, что приводит к увеличению погрешности сравнения. Для ослабления этого недостатка в современных схемах подобных компараторов вводится ключ для управления выходным напряжением (например, на полевом транзисторе).
Двухпороговые компараторы. Компаратор, состояние выхода которого изменяется два раза при увеличении входного сигнала в некотором диапазоне, называется двухпороговым.
На рис.13а представлена одна из наиболее распространенных схем двухпорогового компаратора. Диодный мост включен в цепь ОС усилителя.
Изменение выходного напряжения происходит, как только входной ток I1 превысит или станет меньше тока I2 , отдаваемого в мост цепью смещения. При изменении выходного напряжения переключаются диоды, и изменяется значение коэффициента передачи по цепи ОС.
Точность уровней дискретизации и минимальная ширина окна ограничиваются десятками МВ изза разброса падений напряжений на открытых диодах.
Для повышения точности сравнения можно использовать сдвоенные двухвходовые компараторы.
Интегральные компараторы отличаются от схем сравнения, выполненных на ОУ общего применения, тем, что их выходной сигнал согласован по уровню с напряжениями, которые используются в цифровой технике для отображения сигналов логических уровней - логического нуля и логической единицы. Компараторы на ОУ общего применения, имея достаточно высокую точность сравнения входных напряжений, не в состоянии обеспечить нужного быстродействия, которое, как было сказано выше, принято характеризовать «временем восстановления» .
Таким образом, время восстановления определяется как временной интервал между моментом равенства напряжений на входах компаратора и моментом, когда его выходное напряжение достигнет порогового уровня (Uпор), которое определяется уровнем срабатывания логических схем. Используя в компараторах обычные ОУ без ОС, независимо от их быстродействия, трудно получить твост < 1 мкс (при этом основной его составляющей будет время задержки): Нормальным режимом работы транзисторов в ОУ является активный режим. В режиме сравнения двух сигналов напряжение на входе ОУ, работающего без ОС, равно где Ku - коэффициент прямой передачи напряжения со входа на выход ОУ без ОС. В этом случае транзисторы в ОУ переходят в режим насыщения (режим перегрузки), и потребуется определенное время, чтобы избыточные заряды в базах транзисторов рассосались. Быстродействие схемы сравнения снижается. Поэтому при разработке интегральных компараторов (ИКП) применяют специальные схемотехнические решения, направленные на недопустимость перехода транзисторов в режим насыщения. Поэтому, современные компараторы выполняются по специализированным схемам в интегральном исполнении и, в этом случае, время восстановления у них менее 100 нс.
Вывод
коммутатор компаратор аналоговый сигнал
1. Компараторы (аналоговые часы) на ОУ общего применения используются при разработке высокоточных схем сравнения, которые работают с медленно изменяющимися сигналами.
2. Интегральные компараторы применятся в тех случаях, когда необходимо обеспечить высокое быстродействие и, в зависимости от конкретных требований, используют высокоточные или высокоскоростные компараторы.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
