Komparator

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 28. april 2017; checks kræver 25 redigeringer .

Komparator (fra latin comparare "sammenlign") af analoge signaler - en sammenligningsenhed: et elektronisk kredsløb, der modtager to analoge signaler ved sine indgange og udsender et signal på højt niveau, hvis signalet ved den ikke-inverterende indgang ("+") er større end ved den inverterende (omvendte) indgang ("-"), og et lavniveausignal, hvis signalet ved den ikke-inverterende indgang er mindre end ved den inverterede indgang. Værdien af udgangssignalet fra komparatoren, når indgangsspændingerne er ens, i det generelle tilfælde, er ikke defineret. I logiske kredsløb tildeles et signal på højt niveau typisk en logisk 1- værdi , og et signal på lavt niveau tildeles en logisk 0- værdi .

Komparatorer bruges til at forbinde kontinuerlige signaler, såsom spændinger, til de logiske variabler for digitale enheder.

De bruges i forskellige elektroniske enheder, ADC og DAC , signaleringsenheder, tolerancekontrol osv.

En af de spændinger (signaler), der påføres en af komparatorindgangene, kaldes normalt reference- eller tærskelspænding . Tærskelspændingen deler hele området af indgangsspændinger, der påføres den anden indgang på komparatoren, i to underområder. Komparatorens udgangstilstand, høj eller lav, angiver, hvilken af de to underområder indgangsspændingen er i. En komparator med én indgangstærskelspænding kaldes almindeligvis en enkelttærskelkomparator, der er komparatorer med to eller flere tærskelspændinger, som henholdsvis deler indgangsspændingsområdet i antallet af underområder med 1 større antal tærskler.

Det sammenlignede signal kan tilføres både til den inverterende og ikke-inverterende indgang på komparatoren. Afhængigt af dette kaldes komparatoren derfor inverterende eller ikke-inverterende.

Matematisk beskrivelse af komparatoren

I en analytisk form er den ideelle en-tærskel ikke-inverterende komparator givet af følgende system af uligheder:

U_{out}={\begin{cases}U_{0},&{\mbox{if }}U_{in}<U_{ref}\\{\text{undefined)),&{\ mbox {if }}U_{in}=U_{ref}\\U_{1},&{\mbox{if }}U_{in}>U_{ref}\end{cases}}

hvor er sammenligningstærskelspændingen,

U_{ref}

U_{out}

er udgangsspændingen for komparatoren,

U_{in}

er indgangsspændingen ved komparatorens signalindgang.

Den tredje, udefinerede værdi, i tilfælde af en binær outputtilstand, kan være:

tildele eller , $U_{0}$ $U_{1}$
tildele eller tilfældigt dynamisk, $U_{0}$ $U_{1}$
tage højde for den tidligere tilstand af output og betragte ligheden som utilstrækkelig til at skifte,
tage højde for den førstegangsafledte af udgangssignalet og betragte den lig med nul som utilstrækkelig til at skifte.

I tilfælde af at bruge flerværdilogik, for eksempel ternær for at tage hensyn til den tredje tilstand (lighed), skal du anvende den tilsvarende ternære funktion fra klar ternær logik med en klar tredje værdi.

Komparatorkredsløb

Kredsløb , den enkleste komparator er en differentialforstærker med en høj forstærkning (ideelt set uendelig). Normalt bruges operationsforstærker -chips (op-amp) som spændingskomparatorer i moderne elektronik . Men der er mikrokredsløb, der er specialiseret til brug som komparatorer.

Komparatorchippen adskiller sig fra den sædvanlige lineære (op-amp) enhed i både input- og outputtrin:

Komparatorindgangstrinnet skal være i stand til at modstå en lang række differentielle inputspændinger (mellem inverterende og ikke-inverterende input), op til forsyningsspændinger og hele spektret af common mode spændinger.
Komparatorudgangstrinnet er normalt designet til at være kompatibelt med hensyn til logiske niveauer og strømme med en almindelig type logiske kredsløbsindgange ( TTL , ESL -teknologier osv.). Komparatorens udgangstrin fås med en enkelt åben kollektortransistor , som giver samtidig kompatibilitet med TTL- og CMOS -logiske kredsløb.
Komparatorkredsløb er ikke designet til at fungere med negativ feedback som en op-amp, og når de bruges, bruges negativ feedback ikke. Omvendt, for at danne en hysteretisk overførselskarakteristik, er komparatorer ofte omgivet af positiv feedback. Denne foranstaltning undgår hurtig, uønsket omskiftning af udgangstilstanden på grund af støj i indgangssignalet, når indgangssignalet ændres langsomt.
Ved design af komparatormikrokredsløb lægges der særlig vægt på den hurtige genopretning af indgangstrinnet efter en overbelastning og en ændring i tegnet på indgangsspændingsforskellen. I højhastighedskomparatorer, for at øge hastigheden, tillader kredsløb ikke, at bipolære transistorer i udgangstrinnet går i mætningstilstand.

Komparatorer omfattet af positiv feedback har hysterese og er i det væsentlige to-tærskel-komparatorer, ofte kaldes en sådan komparator en Schmitt-trigger .

Når indgangsspændingerne er ens, giver rigtige komparatorer og op-forstærkere forbundet i henhold til komparatorkredsløbet et kaotisk skiftende udgangssignal på grund af deres egen støj og støjen fra indgangssignalerne. En almindelig foranstaltning til at undertrykke sådan kaotisk omskiftning er indførelsen af positiv feedback for at opnå en hysteretisk overførselskarakteristik.

Når man modellerer en komparator i software, er der et problem med komparatorens udgangsspænding med de samme spændinger ved begge indgange på komparatoren. På dette tidspunkt er komparatoren i en tilstand af ustabil ligevægt . Problemet kan løses på mange forskellige måder, beskrevet i underafsnittet "softwarekomparator".

Softwaresimulering af en komparator

I programmer kan du som en første tilnærmelse bruge den enkleste model af en asymmetrisk komparator, hvor den tredje værdi med lige værdier af de sammenlignede inputvariable konstant tildeles "0" eller til "1", i eksemplet nedenfor er den tredje værdi konstant tildelt "0":

int V1 , V2 buldre ud hvis ( V1 > V2 ) { ud = 1 } andet { ud = 0 }

I mere komplekse modeller af symmetriske komparatorer er den tredje værdi mulig inden for binær logik :

tildele til "0" eller til "1" permanent,
tildele til "0" eller til "1" tilfældigt dynamisk,
tage højde for den tidligere værdi og betragte ligheden som utilstrækkelig til at skifte,
tage hensyn til den første afledte og betragte dens lighed til nul som utilstrækkelig til at skifte,

eller gå ud over binær logik og:

for at tage højde for den tredje værdi (lighed), skal du anvende den passende ternære funktion fra klar ternær logik med en klar tredje værdi.

Det eksisterende problem med den tredje tilstand i softwaresimulering, når to tal repræsenteret af kodeord kan være nøjagtigt ens, finder ikke sted i praksis: to spændinger kan ikke matche nøjagtigt, da den analoge spænding for det første er en ikke-kvantiserbar værdi, og for det andet er der støj, komparatorindgangsforspænding og andre forstyrrelser, der løser tvetydighed, selvom de analoge komparatorindgangsspændinger er ens.

Komparatorer med to eller flere sammenligningsspændinger

De er bygget på to eller flere konventionelle komparatorer.

To-tærskel (ternær) komparator

To-tærskel (ternær) komparator har to referencespændinger og består af to konventionelle komparatorer. To sammenligningsspændinger deler hele området af indgangsspændinger i tre fuzzy underområder i fuzzy ternær logik , som tildeles tre distinkte værdier i skarp ternær logik . Det 2-bit ternære (2B BCT) logiske signal ( trit ) ved udgangen af den ternære komparator angiver, hvilket af de tre underområder indgangsspændingen er i. Den logiske del af den ternære komparator udfører en unær ternær logisk funktion - "repeater" (F107 3 = F8 10 ). En 2-bit ternær trit (2B BCT) kan konverteres til en 3-bit trit (3B BCT) eller en 3-bit trit (3LCT) .

I en analytisk form er en to-tærskel (ternær) komparator givet af følgende ulighedssystemer:

{\begin{cases}U_{ref2}>U_{ref1}\\U_{out1}={\begin{cases}0,&{\mbox{if }}U_{in}<U_{ref1} \\undefined,&{\mbox{if }}U_{in}=U_{ref1}\\1,&{\mbox{if }}U_{in}>U_{ref1}\end{cases}}\\ U_{out2}={\begin{cases}0,&{\mbox{if }}U_{in}<U_{ref2}\\undefined,&{\mbox{if }}U_{in}=U_{ref2 }\\1,&{\mbox{if }}U_{in}>U_{ref2}\end{cases}}\end{cases}}

hvor:

U ref1 og U ref2 er spændingerne for de nedre og øvre sammenligningstærskler; U ud1 og U ud2 er udgangsspændingerne for komparatorerne; U in er indgangsspændingen på komparatorerne.

To-tærskel (ternær) komparator er den enkleste enkelt-bit ternære ADC .

Den ternære komparator er en adapter fra fuzzy ternær logik til sprød ternær logik til løsning af fuzzy ternær logikproblemer ved hjælp af sprød ternær logik.

Vippekontakter og kontakter til 3 positioner uden fastgørelse (ON)-OFF-(ON) [1] [2] er mekanoelektriske ternære (to-tærskel) komparatorer, hvor inputværdien er den mekaniske afvigelse af håndtaget fra midterpositionen .

Den to-tærskel (ternære) komparator er tilgængelig som en separat MA711H-chip (K521CA1).

Den bruges i den præcise Schmitt-trigger på den populære NE555 timer-chip .

En ternær komparator af lav kvalitet med binære komparatorer på 2I-NOT digitale logiske elementer bruges i en ternær strømforsyningsspændingsindikator med konvertering af tre indgangsspændingsområder til en tre-bit en-enheds trit (3B BCT) [3] . For at bygge en præcis Schmitt-trigger mangler dette kredsløb en binær RS-flip-flop, som kan udføres på to yderligere 2I-NOT logiske elementer (brug f.eks. to af de fire 2I-NOT logiske elementer på K155LA3 chippen).

Multi-input komparatorer

Indgangstrinnet for parallelle direkte konverterings ADC'er er en multilevel komparator. Den bruger sammenligningsspændinger, hvor n er antallet af bits i outputkoden. Forskellen mellem tilstødende sammenligningsniveauer i sådanne multi-input komparatorer er normalt konstant. $2^{n}-1$

Eksempler på komparator integrerede kredsløb

Et eksempel på velkendte komparatorer: LM311 (russisk analog - KR554CA3), LM339 (russisk analog - K1401CA1). Dette mikrokredsløb findes ofte, især på computerens bundkort , såvel som i styresystemer af PWM-controllere i spændingskonverteringsenheder (for eksempel i computerstrømforsyninger med et ATX-strømsystem) [4] [5] .

Sammenligningsparametre

Parametrene, der karakteriserer kvaliteten af komparatorer, kan opdeles i tre grupper: nøjagtighed, dynamisk og ydeevne. Komparatoren er karakteriseret ved de samme nøjagtighedsparametre som op-forstærkeren. Komparatorens vigtigste dynamiske parameter er koblingstiden tp. Dette er tidsintervallet fra begyndelsen af sammenligningen til det øjeblik, hvor komparatorens udgangsspænding når det modsatte logiske niveau. Koblingstiden måles med en konstant referencespænding påført en af komparatorindgangene og et indgangsspændingsspring Uin påført den anden indgang. Denne tid afhænger af overskuddet af Uin over referencespændingen. Komparatorkoblingstiden tp kan opdeles i to komponenter: forsinkelsestiden tg og stigningstiden til tærsklen for det logiske kredsløb tl. Håndbøger angiver normalt koblingstiden for en differentialspændingsværdi på 5 mV efter trinnet.

Noter

↑ Vippekontakt uden fastgørelse af 3 positioner 5114.3709 . Hentet 3. januar 2018. Arkiveret fra originalen 4. januar 2018. (ubestemt)
↑ Vippekontakter enpolet KN3 til 3 positioner uden fastgørelse (ON)-OFF-(ON) . Hentet 3. januar 2018. Arkiveret fra originalen 4. januar 2018. (ubestemt)
↑ Simple enheder på K155LA3-chippen. Det andet kredsløb er en indikator for tilstanden af strømforsyningens udgangsspænding.
↑ Milovzorov O. V. Pankov I. G. Electronics - 2004
↑ Weisburd F. I., Panaev G. A., Saveliev B. N. Elektroniske enheder og forstærkere - 2005