Предисловие (стр. 15 )

- общего применения (tзд. р <300нс, Ку < 100 дБ);

- быстродействующие (tзд. р < 30 нс);

- прецизионные (Ку>100 дБ, есм< 3мВ, Δiвх<10нА).

Кроме того, компараторы можно разделить на стробируемые и нестробируемые, а также с памятью и без памяти.

В табл. 1. приведены основные параметры двух быстродействующих компараторов со стробированием. Оба компаратора содержат по три дифференциальных каскада, что обеспечивает достаточно высокую пороговую чувствительность. Кроме того, они обладают повышенным быстродействием в режиме непрерывного стробирования.

Таблица 1

Основные параметры быстродействующих компараторов

Параметры	Типы компараторов
КМ597СА11	КМ597С2А2
Выходные логические сигналы	ЭСЛ	ТТЛ
Пороговая чувствительность, мВ	0,25	0,25
Напряжение смещения, мВ	2	2
Входной ток, мкА	10	10
Разность входных токов, мкА	1	1
Коэффициент ослабления синфазного сигнала, дБ	80	80
Время задержки распространения, нс	6,5	12
Время разрешения выборки, нс	3	6
Максимальная частота стробирования, МГц	125	80
Наличие памяти	нет	есть

Компараторы общего применения имеют более скромные характеристики по сравнению с приведенными в табл. 1. Однако эти компараторы имеют свои преимущества – они потребляют меньшую мощность, могут работать при низком напряжении питания и в одном корпусе располагается до четырех компараторов. Так, счетверенные компараторы среднего быстродействия и небольшого тока потребления типа К1401СА2 имеют время задержки распространения меньше 3 мкс, ток потребления 2 мА, коэффициент усиления 90 дБ и напряжение смещения нулевого уровня меньше 5 мВ.

Многие компараторы общего применения имеют на выходе транзистор с открытым коллектором, что позволяет подключать нагрузку этого транзистора к внешнему источнику питания, напряжение которого выбирается в зависимости от типа используемой логики. Значение сопротивления нагрузочного резистора выбирают в пределах 100... 1000 Ом. Меньшие сопротивления обеспечивают более высокую скорость переключения.

Прецизионные компараторы отличаются от компараторов общего применения рядом улучшенных характеристик. Они имеют повышенный коэффициент усиления, меньшее пороговое напряжение переключения, пониженное напряжение смещения нулевого уровня и малый входной ток. Быстродействие этих компараторов обычно не очень высокое, время переключения – меньше 300 тыс. B качестве примера в табл. 2. приведены характеристики некоторых типов прецизионных компараторов. Наиболее высокие параметры имеет компаратор СМР-02 фирмы Precision Monolithics.

Таблица 2

Основные параметры прецизионных компараторов

Параметр	Тип компаратора
СМР-02	К554САЗ
Коэффициент усиления	500000	150000
Напряжение смещения, мВ	0,8	3
Входной ток, нА	3	10
Время переключения, нс	190	200

Отечественный компаратор К554САЗ немного уступает ему по пороговой чувствительности и напряжению смещения нуля. Быстродействие этих компараторов практически одинаково.

Основные особенности аналоговых компараторов связаны с отсутствием в них частотной коррекции и большим коэффициентом усиления. В отличие от операционных усилителей в компараторах практически никогда не применяют отрицательную обратную связь, так как она понижает стабильность их работы. Специализированные компараторы напряжений имеют малые задержки, высокую скорость переключения, устойчивы к большим переключающим сигналам.

Для устранения многократных переключений в момент сравнения сигналов в компараторах часто используют положительную обратную связь. Положительная обратная связь обеспечивает надежное переключение компаратора и устраняет дребезг выходного напряжения в момент сравнения. Однако при введении положительной обратной связи создается зона неопределенности, обусловленная гистерезисом. Если сигнал на входе компаратора изменяется монотонно, то наличие гистерезиса не отражается на погрешности компарирования.

Напряжения на входах компаратора из-за отсутствия отрицательной обратной связи могут существенно отличаться. Поэтому для ограничения входного напряжения на входе компаратора часто устанавливают двухсторонний диодный ограничитель, схема которого приведена на рис. 2.25.

Быстродействие компаратора существенно зависит от уровня входного дифференциального сигнала. С увеличением входного сигнала до определенного значения время переключения уменьшается. Однако дальнейшее увеличение входного сигнала может привести к насыщению компаратора и снижению его быстродействия. В связи с этим в схеме двухстороннего ограничителя, приведенного на рис. 2.25 рекомендуется использовать диоды Шоттки с малым падением напряжения. Рекомендуемое значение входного напряжения указывается в справочных данных на компаратор и обычно лежит в пределах 20... 100 мВ.

Отказ от отрицательной обратной связи приводит к еще одной особенности применения компараторов напряжения – снижению их входного сопротивления и увеличению входного тока. При увеличении входного напряжения свыше порогового значения у компараторов может резко увеличиться входной ток и понизиться входное сопротивление. Происходит это по двум причинам: резкое увеличение тока базы транзисторов дифференциального каскада и включение диодов защиты.

Для компарирования аналоговых сигналов можно применять операционные усилители. В этом случае для ограничения выходного напряжения в цепь отрицательной обратной связи ОУ включают стабилитрон с напряжением включении, зависящем от типа цифрового логического элемента. Основными недостатками компараторов на ОУ являются невысокое быстродействие и большое число внешних дискретных элементов. Время переключения таких компараторов обычно имеет значение 0,5…1,0 мкс. Для устранения паразитной генерации используется внешняя положительная обратная связь, с помощью которой формируется зона гистерезиса.

2.3.2. Электронный ключ

Электронный ключ предназначен для коммутации (переключения) тока в нагрузке. Если ключ идеален, то его сопротивление в разомкнутом состоянии равно бесконечности, а в замкнутом равно нулю. Электронный ключ отличается от идеального. В полупроводниковой ключевой схеме роль ключа выполняет биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, или полевой, включенный по схеме с общим истоком. Раньше широко применялись схемы на диодах (рис.2.26).

Диодный ключ при отсутствии управляющего напряжения заперт. При подаче на аноды диодов положительного управляющего напряжения диоды отпираются и ключ замыкается. Напряжение смещения диодного ключа определяется разностью прямых напряжений на диодах D1 и D2. При подобранных диодах напряжение смещения лежит в пределах 1...5 мВ. Время коммутации определяется быстродействием диодов. Для диодных ключей обычно используются диоды Шотки или кремниевые эпитаксиальные диоды с тонкой базой. В этих диодах слабо выражены эффекты накопления носителей и их инерционность в основном определяется перезарядом барьерной емкости. Дифференциальное сопротивление открытого диодного ключа равно сумме дифференциальных сопротивлений диодов и может лежать в пределах от 1 до 50 Ом.

Основным недостатком такого ключа является прямое прохождение управляющего сигнала через нагрузку Rн и источник сигнала ес. Для снижения напряжения помехи эту схему целесообразно использовать при малых сопротивлениях источника сигнала и сопротивления нагрузки. Кроме того, желательно увеличивать сопротивление Ry для снижения тока в цепи управления. Однако следует учитывать, что снижение тока управления приводит к увеличению дифференциального сопротивления диодов.

Ключи на биполярных транзисторах более совершенны, чем диодные ключи и значительно чаще используются в электронных схемах. Простейший ключ на одном биполярном транзисторе приведен на рис. 2.27. Он состоит из ключевого транзистора Т1 и схемы управления на транзисторе Т2. По структуре транзисторный ключ похож на двухдиодный ключ, изображенный на рис. 2.26. При отсутствии тока базы транзистор Т1 закрыт и ключ разомкнут, а при протекании через базу тока управления iб>iб. нас ключ замкнут. В этом случае коллекторный и эмиттерный переходы открыты и действуют так же, как открытые диоды в схеме рис. 2.26.

Рассмотрим процессы в транзисторе, происходящие при работе в ключевом режиме (рис.2.28).

Управление таким ключом (рис. 2.28,а) осуществляет сигнал Uвх. При Uвх=0 ток базы IБ тоже равен нулю и состояние схемы определяется точкой В (рис. 2.28,б) пересечения нагрузочной прямой с выходной характеристикой транзистора при IБ=0. Транзистор находится в состоянии отсечки, что равносильно разомкнутому ключу, и выходное напряжение, определяемое потенциалом точки К, равно UКЭ отс, т. е. несколько меньше, чем Ек. При Uвх,, достаточном для создания базового тока IБнас, переводящего транзистор в режим насыщения, напряжение Uкэ составляет доли вольт. В этом случае состояние схемы определяется точкой А, что равносильно замкнутому ключу, и выходное напряжение равно Uкэ нас, т. е. несколько выше нулевого уровня. Таким образом, транзистор ведет себя как неидеальный ключ.