Компаратор для сравнения разнополярных сигналов

Сравниваемые напряжения разной полярности подаются на один, например, инвертирующий вход ОУ (рис. 3а).

Для получения на выходе схемы цифровых уровней и (соответствующих логической единице и логическому нулю) в нее введен согласующий элемент (СЭ) в виде диодного ограничителя.

Падение напряжения на открытом диоде составляет 0,7 В. Поэтому напряжение на выходе схемы при =+3 В не может быть выше +3,7 В и ниже – 0,7 В.

Для нахождения характеристики преобразования компаратора воспользуемся эквивалентной схемой, представленной на рис. 4.

На эквивалентной схеме входное сопротивление ОУ представлено в виде комбинации дифференциального и синфазного сопротивлений. Усилительные свойства моделируются источником напряжения , где выражение в скобках представляет собой дифференциальный сигнал между входами ОУ. Выходное сопротивление ОУ учтено в виде внутреннего сопротивления эквивалентного источника напряжения.

При разомкнутой отрицательной обратной связи имеет значение от 100 кОм до 1 ГОм для ОУ с МОП-транзисторами на входе. Величина же обычно лежит в диапазоне от нескольких МОм до 1000 ГОм, то есть много больше величины . Поэтому при анализе компараторов на основе ОУ без отрицательной обратной связи влиянием величины на точностные параметры схемы можно пренебречь и учитывать только конечное входное сопротивление . В результате эквивалентная схема упрощается до вида на рис. 5.

Предположим, что выход ОУ работает на бесконечно большую нагрузку, поэтому влиянием будем пренебрегать и под будем понимать уровень напряжения, соответствующий полному логическому перепаду.

Выходное напряжение ОУ можно определить из основного уравнения, зная потенциалы точек А и Б:

. (6)

Для напряжения можно записать:

. (7)

Используя принцип суперпозиции, определим напряжение в точке А:

. (8)

Выражение для можно записать в следующем виде:

. (9)

Разрешая уравнение относительно , для рассматриваемой схемы компаратора получим:

. (10)

В случае идеального ОУ, имеющего , сигнал равенства напряжений вырабатывается при условии

, (11)

следовательно, порог срабатывания компаратора определяется значением и отношением .

Рассмотрим систематические ошибки компаратора, вызванные конечностью коэффициента усиления, входного сопротивления и смещением нуля. Абсолютное значение систематической ошибки, вызванной конечностью коэффициента усиления и входного сопротивления, в соответствии с выражениями (10) и (11) равно:

. (12)

С учетом этого относительное значение ошибки определяется выражением

. (13)

Рассмотрим систематическую ошибку, вызванную смещением нулевого уровня ОУ. Для этого воспользуемся эквивалентной схемой, учитывающей источники смещения нуля при нулевых входных сигналах.

При нулевых входных напряжениях компаратора его выходное напряжение будет принимать значения низкого или высокого уровней за счет действия входных токов и напряжения смещения нуля. На эквивалентной схеме (рис. 6) входные токи и и напряжение смещения нуля представлены в виде эквивалентных генераторов, действующих на входах компаратора.

Используя методы эквивалентных преобразований и принцип суперпозиции, определим напряжения в точках А и Б эквивалентной схемы.

Напряжение в точке А от действия входных токов можно записать:

. (14)

Аналогично для напряжения в точке Б:

. (15)

Суммарная составляющая систематической ошибки, вызванная смещением нулевого уровня, запишется в виде

. (16)

Обычно для компенсации токовых ошибок при примерно равных токах и выбирают . В результате выражение (16) запишется в виде

, (17)

где – разность входных токов.

В выражении (17) во втором слагаемом разделим числитель и знаменатель на :

. (18)

Отсюда систематическая составляющая ошибки смещения, приведенная ко входу, имеет вид

. (19)

Так как для идеального интегрального компаратора и идеального ОУ величина , то выражение (19) определяет абсолютную величину смещения. Поэтому относительная величина составляющей систематической ошибки, обусловленной смещением нулевого уровня компаратора, равна:

. (20)

Дата добавления: 2015-07-08