5.2 Выбор типа микросхем для преобразователя аналогового сигнала

В ряде случаев возникает необходимость преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму. Для этого в числе других применяются специальные устройства – компараторы, являющиеся специализированными операционными усилителями с дифференциальным входом и одиночным (иногда парафазным) цифровым выходом. Входной каскад компаратора построен аналогично схемам операционных усилителей и работает в линейном режиме. На выходе компаратора формируются сигналы высокого логического уровня 1, если разность входных сигналов меньше напряжения срабатывания компаратора, или низкого логического уровня 0, если разность входных сигналов превышает напряжения срабатывания компаратора. на один вход компаратора подается исследуемый сигнал, на другой опорный потенциал.

Компаратор применяют в следующих схемах:

- в триггере Шмитта или схеме формирования сигнала преобразующей сигнал произвольной формы в прямоугольный или импульсный сигнал;

- в детекторе нуля – схеме, индицирующей момент и направление прохождения входного сигнала через 0 В;

- в детекторе уровня – схеме, индицирующей момент достижения входным напряжением данного уровня опорного напряжения;

- в генераторе сигналов треугольной или прямоугольной формы.

Компаратор также может применяться как пороговое устройство в схемах для квантования сигнала в высокоскоростных аналого-цифровых преобразователях. Можно расширить возможности применения и увеличить надежность основной схемы компаратора, добавив к операционному усилителю общего назначения несколько навесных элементов.

В настоящее время компараторы изготовляются исключительно в виде микросхем, которые имеют гораздо лучшие характеристики, и содержат в одном корпусе один, два или несколько компараторов. Наиболее распространенными сериями компараторов являются серии К554, К555, К521, К597, К1401 и К1121.

Выходные сигналы компараторов К554СА и К555СА являются совместимыми с входными сигналами цифровых микросхема ТТЛ – типа. Компаратор К554СА2 имеет два дифференциальных усилительных каскада, выходной эмиттерный повторитель, стабилитронные схемы сдвига уровня и цепь ограничения амплитуды выходного сигнала [3]. Дифференциальный входной каскад имеет обычное для интегральных операционных усилителей малое напряжение смещения нуля. Второй дифференциальный каскад имеет балансную схему подачи смещения. Выходной эмиттерный повторитель служит для увеличения нагрузочной способности выхода по току.

Для увеличения чувствительности входного сопротивления, а также снижения потребляемой мощности пороговых устройств следует применять компаратор К554СА3, который является универсальным. Он может работать от любых источников питания, включая однополярные + 5 или – 30 В.

Компаратор К554СА3 имеет парафазный выход, то есть два выхода: открытый коллектор (вывод 9) и эмиттерный (вывод 2). Из-за этих особен-ностей он пригоден для обслуживания любых цифровых микросхем умеренного быстродействия (t_зд.р = 200 нс), а также индикаторов многих типов. Выходной ток микросхем достаточен для переключения реле.

В схеме двойного дифференциального компаратора К554СА1 выходы двух отдельных компараторов совмещаются на эмиттерных повторителях по логике ИЛИ. Для обоих компараторов использованы один общий диод сдвига уровня и делитель смещения. Применение двухканального принципа позволяет улучшить электрические параметры аппаратуры, особенно устройств считывания сигналов магнитной памяти.

Благодаря идентичности параметров компараторов возможно построение двухпороговых схем, имеющих симметричный отклик на положительное и отрицательное превышение абсолютного уровня сигнала над пороговым уровнем.

Компараторы на основе микросхем К555СА1 имеют два входа стробирования С₁ и С₂. Двойной компаратор выполняет те же электрические функции, что и два одинарных компаратора К555СА2, однако потребление мощности этой микросхемой превышает только на 50%.

Для каждой цифровой логики требуется компаратор с адекватными свойствами. Для совместной работы с цифровыми микросхемами ТТЛШ серии 555 применяются быстродействующие стробируемые компараторы напряжения КР521СА4 и КР521СА5 с парафазными выходами. Компаратор КР521СА4 состоит из усилителя и двух ТТЛШ схем 2И – НЕ, выполненных на одном кристалле.

Аналоговая часть схемы содержит два дифференциальных каскада и схему сопряжения. Коллекторные нагрузки этой схемы подключены к эмиттерам выходных каскадов ключей ТТЛШ. Вторые эмиттеры ключевых каскадов служат входами стробирования. Использование импульсных транзисторов с барьерами Шоттки значительно повысило быстродействие компаратора без изменения потребляемой мощности, так как исключено время выхода транзисторов из насыщения.

Компаратор К521СА4 может работать в широком диапазоне питающих напряжений: U_ип1 = 5 – 10 В, U_ип2 = (-6)-(-10) В, при этом обеспечивается стабильность выходного напряжения в широком диапазоне температур. Компаратор типа К521СА5 имеет более упрощенную электри-ческую схему и улучшенные технические характеристики, чем компаратор К521СА4. Например, время задержки компаратора типа К521СА5 составляет t_зд.р  30 нс.

Для обслуживания цифровых микросхем ЭСЛ предназначены компараторы серии КМ497, выполненные по ЭСЛ-технологии с изоляцией p-n-переходами. Компаратор КМ591СА1 имеет очень малое время задержки распространения t_зд.р  6,5 нс. Транзисторы компаратора, как и в ЭСЛ-ключах, всегда работают в линейном режиме и не входят в насыщение, что дает предельное быстродействие. Компаратор имеет два противофазных входа, два выхода Q и Q и вход стробирования, отключающий входной каскад. Для ускорения срабатывания в схеме усилителя введена положительная обратная связь с выхода второго каскада на вход первого.

Компаратор КМ597СА2 представляет собой модификацию схемы КМ597СА1. Он предназначен для совместной работы с высокоскоростными ТТЛ цифровыми микросхемами. Компаратор снабжен схемой запоминания предыдущего состояния. Подключение на выход входного каскада триггерной схемы, выполняющей функции стробирования с хранением (защелка) обеспечивает лучшую помехоустойчивость для цифровых сигналов.

Микросхема КМ597СА3 представляет собой два автономных маломощных прецизионных компаратора в металлокерамическом корпусе 201.16.5. По выходным уровням компараторы сопрягаются с ТТЛ и КМОП цифровыми микросхемами. Внутренняя схема каждого компаратора состоит из трех дифференциальных усилительных каскадов. Входные каскады компараторов напряжения имеют дифференциальные входы и парафазные выходы. Для перехода к однофазному выходу в схеме использован каскад сдвига уровня на n-p транзисторе. Микросхема работает от двух источников питания.

В настоящее время промышленностью выпущены четырехканальные микросхемы К1401СА1, К1401СА2 и К1121СА1. Каждая из этих микросхем содержит в одном корпусе по четыре компаратора, которые могут работать в диапазон питающих напряжений  3 … 16,5В. Компараторы этих типов имеют уменьшенные габаритные размеры, высокие надежности и улучшенные технические характеристики. Компаратор типа К1121СА1 является более быстродействующим, чем компараторы К1401СА1 и К1401СА2, но потребляет относительно большую мощность. Компаратор типа К1121СА1 имеет время задержки распространения t_зд.р  120 нс и ток потребления I_пот  4,5 мА.

Компараторы типов К1401СА1 и К1401СА2 имеют умеренное (среднее) быстродействие, время задержки распространения этих микросхем составляет 310³ нс, относительно высокое. Однако эти микросхемы по сравнению с компараторами других типов имеют очень малую мощность потребления и другие достоинства, описанные выше. Ток потребления в микросхемах серии К1401 составляет всего 2 мА. Из-за этих особенностей микросхемы серии К1401 выбраны для построения компараторов в устройстве защиты информации.

Каждый компаратор микросхемы серии К1401 имеет два входа (инвертирующий и неинвертирующий) и один выход. На один вход компаратора подается исследуемый (входной) сигнал, а на другой – опорное напряжение. В случае превышения входным сигналом опорного напряжения на выходе компаратора появляется напряжение, соответствующее высокому логическому уровню. Эти логические сигналы используются в устройстве защиты информации для управления состояниями светодиодов в линейной индикационной шкале.

В заключении приведем значения электрических параметров, выбранной для построения компараторов микросхемы типа К1401СА1:

- напряжение смещения U_см = 5 мВ;

- входные токи I_вх – токи, протекающие через вход контакты операционного усилителя компаратора, I_вх = 0,25 мкА;

- разность входных токов  I_вх = 0,05 мкА;

- коэффициент усиления напряжения К_уU =5  10⁴;

- логические уровни выходного напряжения: U¹_вых = 4,5 В, U⁰_вых = 0,4 В;

- ток потребления I_пот = 2 мА;

- напряжение источника питания  15 В.

Условно-графическое обозначение компаратора типа К1401СА1 показано на рисунке 5.2

Рисунок 5.2 - Микросхема К1401СА1

6. Выбор схем генераторов импульсов прямоугольной формы