Symulacja i pomiar, czyli LTspice i Analog Discovery 2 w rękach konstruktora (19). Komparator analogowy

Symulacja i pomiar, czyli LTspice i Analog Discovery 2 w rękach konstruktora (19). Komparator analogowy
Pobierz PDF Download icon

Komparacja, czyli porównywanie jest operacją, która wbrew pozorom nie jest związana wyłącznie z techniką cyfrową. Komparatory analogowe znajdują zastosowanie w wielu aplikacjach użytkowych. Można je znaleźć również w układach z pogranicza techniki cyfrowej i analogowej, np. w przetwornikach ADC.

Spis treści

Na temat komparatorów analogowych (tylko do takich ograniczamy się w artykule) można znaleźć mnóstwo artykułów, publikacji i prezentacji filmowych. Długo zastanawiałem się, czy warto poświęcić im część tego cyklu. Ostatecznie uznałem, że przy okazji można omówić kilka powiązanych, istotnych zagadnień.

W większości materiałów omawiany jest któryś z najbardziej popularnych komparatorów, np. LM339, LM393, LM311 czy legendarny µA710. My popchniemy świat nieco do przodu i zajmiemy się komparatorem AD8561 produkowanym przez Analog Devices. Jest to odpowiednik układu LT1016, który był produkowany przez przejętą przez AD firmę Linar Technologies.

Jak pamiętamy, to właśnie dzięki niej korzystamy z darmowego symulatora LTspice.

Komparator a wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się bardzo dużym wzmocnieniem sięgającym dziesiątek, a nawet setek tysięcy woltów na wolt. Z tego względu w zdecydowanej większości aplikacji nie może on pracować bez ujemnego sprzężenia zwrotnego. Gdyby go nie było wzmacniacz praktycznie nie mógłby pozostawać w aktywnym zakresie, i albo by się nasycał, albo zatykał.

Oznacza to, że napięcie wyjściowe przyjmowałoby wartość bliską dodatniemu lub ujemnemu napięciu zasilającemu. Ze względu na rozwiązania układowe zastosowane w standardowych wzmacniaczach operacyjnych napięcie wyjściowe może różnić się od napięcia zasilającego (zarówno dodatniego, jak i ujemnego) nawet o ponad 1,5 V. Tylko we wzmacniaczach rail-to-rail różnica ta jest mierzona w miliwoltach, ale zwiększa się, czasami dość znacznie, jeśli oporność obciążenia staje się zbyt mała. Symulowane charakterystyki obu typów wzmacniaczy zostały pokazane na rysunku 1.

Rysunek 1. Porównanie charakterystyk przejściowych wzmacniacza operacyjnego klasycznego i rail-to-rail

No tak, tylko o ile dla wzmacniacza operacyjnego praca poza zakresem aktywnym nie ma zwykle żadnego uzasadnienia, to dla komparatora jest wręcz odwrotnie. Ma on dawać jednoznaczną odpowiedź, można ją uznać jako cyfrową, na pytanie czy jakieś napięcie jest większe od określonego napięcia odniesienia czy też jest mniejsze. Wyjście komparatora musi więc przyjmować tylko jeden z dwóch stanów: wysoki lub niski. Utrzymywanie wyjścia w stanie pośrednim wprowadza dezinformację, o czym przekonamy się w dalszej części artykułu.

W zależności od przyjętej konwencji stan wysoki będzie odpowiedzią pozytywną na postawione wcześniej pytanie, stan niski będzie natomiast odpowiedzią negatywną. Oczywiście równie dobrze można przyjąć konwencję odwrotną. Aby zmienić konwencję wystarczy zamienić miejscami sygnały doprowadzane do wejść komparatora. Niektóre typy tych układów mają dwa wyjścia – proste i zanegowane. Takie rozwiązanie zastosowano m.in. w przyjętym do doświadczeń układzie AD8561.

Warto podkreślić, że wyjścia komparatorów są często projektowane z myślą o współpracy z układami cyfrowymi. Są więc zgodne np. z logiką TTL, CMOS czy ECL. Spotykane są też układy z wyjściami Open Collector, np. popularny LM339, które łatwo można dostosować do dowolnej logiki cyfrowej. Należy pamiętać, że używając takich układów konieczne jest dołączenie zewnętrznego rezystora podciągającego. Bez niego nie zaobserwujemy żadnej zmiany stanu wyjściowego. W komparatorach o bardziej zaawansowanej konstrukcji stosowane są zabezpieczenia uniemożliwiające nasycanie się tranzystorów wyjściowych. Zabieg ten w odczuwalnym stopniu korzystnie wpływa na szybkość przełączania, a jest to jeden z najważniejszych parametrów komparatorów. Wzmacniacze operacyjne pod tym względem daleko od nich odstają. Za chwilę przekonamy się o tym w symulacji. Kończąc jednak wątek należy wymienić pozostałe cechy różniące komparatory i wzmacniacze operacyjne. Komparatory oprócz krótszego czasu odpowiedzi mają zwykle: szybszy czas narastania sygnału wyjściowego, większe napięcie niezrównoważenia, szerszy zakres napięć wejściowych, możliwość zatrzaskiwania stanu wyjściowego, mniejszą impedancję wyjściową.

W bardzo prostych aplikacjach wyższość komparatorów nad zwykłymi wzmacniaczami operacyjnymi może nie być na tyle istotna, aby specjalnie po nie sięgać. Wzmacniacz operacyjny z powodzeniem sprawdzi się jako komparator. Jeśli jednak nie został nam żaden wolny wzmacniacz a musimy wykonać porównanie sygnałów analogowych, warto użyć do tego celu prawdziwego komparatora, tym bardziej, że ceny tych układów są porównywalne, a często nawet nisze od wzmacniaczy operacyjnych. Popularny LM311 można kupić dosłownie za grosze.

Wracamy do symulacyjnego porównania czasów odpowiedzi komparatora i wzmacniacza operacyjnego. Z zadaniem tym wiąże się jednak kilka nie omawianych w tym cyklu zagadnień, od których tym razem się nie wykręcimy. Na początek, do porównania weźmiemy komparator LT1016, którego model znajduje się w standardowej bibliotece symulatora LTspice oraz popularny wzmacniacz operacyjny TL084, którego modelu w tej bibliotece nie ma. Naszym zadaniem jest więc symulacja z zastosowaniem modelu firm trzecich.

Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
luty 2021
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Materiały dodatkowe

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik kwiecień 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio kwiecień - maj 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje kwiecień 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna kwiecień 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich maj 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów