Comparadores analógicos

Titulo comparadores vino del latín compare - compare. Dispositivos en los que la medición se realiza mediante la comparación con un trabajo estándar sobre este principio. Por ejemplo, balanzas de brazos iguales o potenciómetros eléctricos.

El principio de acción distingue entre comparadores eléctricos, neumáticos, ópticos e incluso mecánicos. Estos últimos se utilizan para verificar las medidas de longitud final. Por primera vez, Lenoir aplicó un comparador para verificar las medidas finales en París en 1792, sobre el cual hay un artículo en la enciclopedia de Brockhaus y Efron.

Este comparador mecánico se utilizó para verificar el estándar de 1 m en la formación del sistema métrico francés. La precisión de medición de dicho comparador utilizando un sistema de palancas móviles alcanzó 0.0005 mm. Para ese momento fue muy preciso. Pero en este artículo no consideraremos en detalle los comparadores mecánicos y de otro tipo, ya que nuestra tarea es comparadores de voltaje.

Comparadores integrados. Principio de acción y variedades.

Actualmente, los comparadores se utilizan principalmente en diseño integrado. Pocas personas pensarían en armar un comparador a partir de transistores discretos. Además, los comparadores se utilizan como parte de algunos circuitos.

Por ejemplo temporizador integrado NE555 contiene hasta dos comparadores en las entradas, lo que, de hecho, logra todo el encanto de su trabajo. Además, muchos microcontroladores modernos También tienen comparadores incorporados. Pero, independientemente de la ejecución, los principios de los comparadores son exactamente los mismos.

Los comparadores modernos en el esquema son muy similares a los opamps. De hecho, este es el mismo amplificador operacional, solo sin retroalimentación y con una ganancia muy alta. El comparador también tiene dos entradas, directa e inversa (marcada con un círculo o un signo menos).

La función principal del comparador es comparar dos voltajes, uno de los cuales es ejemplar o de referencia, y el otro se mide realmente. La señal de salida del comparador puede tomar solo dos valores: un cero lógico y una unidad lógica, pero no puede cambiarse linealmente, como un amplificador operacional.

En la salida de los comparadores, como regla, hay una salida transistor con colector abierto y emisor. Por lo tanto, se puede conectar de acuerdo con un circuito con un OE o un seguidor de emisor, según los requisitos de un circuito en particular, como se muestra en la Figura 1.

La figura 1a muestra la inclusión de un transistor de salida en un circuito con un emisor común. En este caso, TTL y CMOS - lógica con un voltaje de alimentación de + 5V se puede conectar a la salida de la cascada. Si la lógica CMOS - es alimentada por un voltaje de 15V, entonces la salida superior de la resistencia de 1Kohm según el esquema debe conectarse al bus de alimentación de + 15V.

Cuando el transistor de salida se conecta de acuerdo con el circuito seguidor del emisor, como se muestra en la Figura 1b, el voltaje en la salida del comparador variará dentro de + 15V ... -15V. Sin embargo, con esta inclusión, la velocidad del comparador disminuye significativamente y, además, las entradas se "intercambian", las entradas se invierten.

Figura 1

¿Cómo verificar el comparador, vivo o no vivo?

Si un LED se suelda secuencialmente con una resistencia R en el circuito que se muestra en la Figura 1a conectando el ánodo a una fuente de alimentación de + 5V, y el voltaje se aplica a las entradas usando resistencias, entonces cambiar estos voltajes usando al menos resistencias variables puede hacer que el LED parpadee. En qué secuencia aplicar la referencia y el voltaje de entrada se pueden encontrar más adelante. Deje que tal esquema de prueba sea una pequeña tarea práctica.

La lógica del comparador

El diagrama funcional del comparador se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Diagrama funcional del comparador

Con tantas entradas y señales de entrada, son posibles dos opciones. En el primer caso, que se muestra en el lado izquierdo de la figura, el voltaje de referencia se aplica a la entrada inversora y el voltaje de entrada a la entrada no inversora. Si el voltaje de entrada excede el voltaje de referencia, aparecerá un nivel alto en la salida del comparador (log. 1). De lo contrario, tendremos un cero lógico.

En la segunda versión, que se muestra en el lado derecho de la figura, el voltaje de referencia se aplica a la entrada directa, y el voltaje de entrada al inversor. En este caso, si el voltaje de entrada es mayor que el voltaje de referencia en la salida del comparador, cero lógico, de lo contrario, unidad. En la figura 2, todas estas conclusiones se muestran en forma de fórmulas matemáticas.

Pero aquí, un lector atento puede tener una pregunta justa: “Mire la Figura 1, ¡cuántas salidas hay! ¿De cuál están hablando, qué clase de cero hay y dónde está la unidad aquí? En este caso, estamos hablando de la base del transistor de salida, se cree que esta es la salida del amplificador operacional, al que se suministran las señales de entrada. Y el transistor de salida, como se indica en los comentarios a la Figura 1, puede activarse de cualquier manera.

Algunas características de los comparadores analógicos.

Cuando se utilizan comparadores, se deben tener en cuenta sus características, que se pueden dividir en estáticas y dinámicas. Los parámetros estáticos del comparador son aquellos que se determinan en estado estacionario.

En primer lugar, este es el umbral de sensibilidad del comparador. Se define como la diferencia mínima de las señales de entrada en las que aparece una señal lógica en la salida.

Además de entrada y salida, muchos comparadores tienen salidas para suministrar voltaje de polarización Ucm. Usando este voltaje, se lleva a cabo el cambio necesario de la característica de transferencia con respecto a la posición ideal.

Uno de los principales parámetros del comparador es la histéresis. La forma más fácil de explicar este fenómeno es usar el ejemplo con un relé convencional. Deje que el voltaje de funcionamiento de la bobina, por ejemplo, 12 V, entonces el relé funcione con él. Si después de eso, reduzca gradualmente la tensión de alimentación de la bobina, el relé se liberará, por ejemplo, a una tensión de 7V. Esta diferencia de hasta 5 V para este relé es histéresis. Pero el relé no se encenderá nuevamente, si el voltaje permanece en el nivel de 7V, no sucederá. Para hacer esto, suba el voltaje nuevamente a 12V. Y luego ...

Lo mismo se observa con los comparadores. Suponga que el voltaje de entrada aumenta suavemente en relación con el voltaje de referencia (se aplican señales, como se muestra en la parte izquierda de la Figura 2). Tan pronto como el voltaje de entrada sea más alto que el voltaje de referencia (no menos que el valor de sensibilidad umbral), aparecerá una unidad lógica en la salida del comparador.

Si el voltaje de entrada ahora comienza a disminuir suavemente, entonces la transición de una unidad lógica a un cero lógico ocurrirá cuando el voltaje de entrada sea ligeramente más bajo que el voltaje de referencia. La diferencia en los voltajes de entrada en estos "por encima de la referencia" y "por debajo de la referencia" se llama histéresis del comparador. La histéresis del comparador se debe a la presencia de retroalimentación positiva en él, que está diseñada para suprimir el "rebote" de la señal de salida al cambiar el comparador.

Como es el comparador

El diagrama del circuito en el nivel del transistor es bastante complejo, grande, no muy claro, pero prácticamente no es necesario. Estas son las características de diseño de los circuitos integrados, parece que los transistores sobresalen en todas partes, incluso cuando no son necesarios. Por lo tanto, es mejor considerar un diagrama funcional simplificado del comparador, que se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Diagrama funcional simplificado del comparador

El diagrama muestra la etapa diferencial de entrada (CC), la lógica de salida y el circuito de cambio de nivel.

La entrada DC lleva a cabo la amplificación principal de la señal de diferencia, y también, con la ayuda de un dispositivo de polarización, hace posible llevar a cabo el estado preferido en la salida, lo que le permite elegir el tipo de lógica (TTL, ESL, CMOS) con la que trabajará.Esta configuración se lleva a cabo utilizando una resistencia de recorte conectada a los terminales "equilibrados".

Compuertas y comparadores de memoria

Algunos comparadores modernos tienen una entrada de compuerta: la comparación de las señales de entrada se produce solo en el momento del suministro del pulso correspondiente. Esto le permite comparar las señales de entrada en ese momento cuando es necesario. Bueno, claro, lo que quieras! En la figura 4 se muestra un diagrama de bloques simplificado de un comparador con compuerta.

Figura 4. Diagrama de bloques simplificado de un comparador

Los comparadores que se muestran en esta figura tienen una salida de parafase, como un disparador, la salida superior es directa y la inferior, marcada con un círculo, es inversamente natural. Además, la puerta C también se muestra aquí.

En la Fig. 4a, las señales de entrada se activan a un nivel alto en la entrada C. Cuando se activa a un nivel bajo, la designación gráfica en la entrada C debe tener un círculo pequeño (signo de inversión).

En la Fig. 4b, la entrada de puerta C tiene un guión /, que indica que la activación se produce en el borde ascendente del pulso. En el caso de una compuerta en un frente que cae, el tablero tiene esta dirección.

Por lo tanto, la señal de activación no es más que la resolución de la comparación. El resultado de la comparación puede aparecer en la salida solo durante la acción del pulso de la puerta. Pero algunos modelos de comparación tienen memoria (solo un disparador es suficiente para esto) y recuerdan el resultado de la comparación hasta que llegue el siguiente pulso de activación.

La duración del pulso estroboscópico (su borde) debe ser suficiente para que la señal de entrada pase a través de la CC antes de que la celda de memoria tenga tiempo de activarse. El uso de la activación aumenta la inmunidad al ruido del comparador, ya que la interferencia puede cambiar el estado del comparador solo en un pulso de activación de corto tiempo. A menudo, el comparador se denomina ADC de un solo bit.

Clasificación de comparadores

Mediante una combinación de parámetros, los comparadores se pueden dividir en tres grandes grupos. Estos son comparadores de uso general, alta velocidad y precisión. En la práctica amateur, los primeros se usan con mayor frecuencia.

Al no tener parámetros sobrenaturales de velocidad y ganancia, la presencia de compuerta y memoria, los comparadores de amplia aplicación tienen sus propias propiedades y características atractivas. Tienen bajo consumo de energía, la capacidad de trabajar a bajo voltaje y el hecho de que se pueden ubicar hasta cuatro comparadores en un caso. Tal "familia" permite en algunos casos crear dispositivos muy útiles. Uno de estos dispositivos se muestra en la Figura 5.

Este es el convertidor más simple de una señal analógica en un código unitario digital. Dicho código se puede convertir en binario mediante conversión digital.

Figura 5. Esquema de conversión de una señal analógica a un código unitario digital

El circuito contiene cuatro comparadores K1 ... K4. El voltaje de referencia se aplica a las entradas de inversión a través de divisor resistivo. Si la resistencia de las resistencias es la misma, entonces el voltaje en las entradas inversoras de los comparadores es n * Uop / 4, donde n es el número de serie del comparador. El voltaje de entrada se aplica a las entradas no inversoras conectadas entre sí. Como resultado de comparar el voltaje de entrada con el voltaje de referencia en las salidas de los comparadores, obtenemos un código digital unitario del voltaje de entrada.

Con más detalle, consideraremos los parámetros de los comparadores de uso general utilizando el ejemplo del comparador LM311, bastante extendido y bastante asequible.

Comparadores de la serie LM311

Tensiones de alimentación y condiciones de trabajo.

Como está escrito en la Hoja de datos, estos comparadores tienen corrientes de entrada mil veces más pequeñas que comparadores de las series LM106 o LM170. Además, los comparadores de la serie LM311 tienen una gama más amplia de voltajes de alimentación: desde bipolar ± 15V, como en amplificadores operacionales, hasta unipolar + 5 ... 15V.Este amplio rango de potencia permite el uso de los comparadores de la serie LM311 junto con amplificadores operacionales, así como con varias series de circuitos lógicos: TTL, CMOS, DTL y otros.

Además, los comparadores LM311 pueden controlar directamente las lámparas y los bobinados de relé con voltajes operativos de hasta 50 V y corrientes que no excedan los 50 mA. Además del LM311, también hay comparadores LM111 y LM211. Estos microcircuitos difieren en las condiciones de operación, principalmente en temperatura. El rango operativo del LM311 es 0 ° C ... + 70 ° C (rango comercial) LM211 -25 ° C ... + 85 ° C (industrial), LM311 -55 ° C ... + 125 ° C (aceptación militar).

Los análogos domésticos completos del comparador LM311 son 521CA3, 554CA3 y algunos otros. Al reemplazar, no necesita cambiar el circuito y ni siquiera tiene que rehacer la placa de circuito. Solo debe prestar atención al hecho de que los comparadores, como otros microcircuitos, están disponibles en varios casos, por lo que cuando los compre, debe prestar la máxima atención a esto, especialmente si esta compra se utilizará para reparar el dispositivo terminado.

La Figura 7 muestra el pinout (pinout) del comparador LM311, realizado en varios casos.

Figura 6. Comparador LM311

Figura 7. Pinout (pinout) del comparador LM311, realizado en varios casos.

En realidad, se puede escribir mucho más sobre comparadores. Con su ayuda puedes hacer retransmisión de fotos, relé térmico, indicador de campo eléctrico, relé capacitivo y muchos otros dispositivos útiles.

Se pueden encontrar varios circuitos interesantes y útiles en la "hoja de datos" del comparador LM311, donde se proporcionan como circuitos de conmutación típicos. Es en esta forma que los comparadores se usan con bastante frecuencia. Estas son solo descripciones de esquemas típicos en inglés "típico". Pero incluso sin saber un idioma extranjero, puede averiguarlo, al menos con la ayuda de un traductor en línea Google.

Artículo continuado: Algunos circuitos comparadores simples

Boris Aladyshkin