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

Próba eliminacji szumów

Ostatnie wyrażenie pozwala obliczyć elementy układu progowego nieczułego na szumy. Do obliczeń musimy przyjąć pewne założenia. Zakładamy więc, że międzyszczytowe napięcie szumów jest równe 0,3 V. Na podstawie pomiarów (rysunek 9) przyjmujemy do obliczeń napięcie wyjściowe w stanie wysokim (UwyH) równe 3,8 V, napięcie w stanie niskim (UwyL) równe 100 mV.

Mamy jeszcze dwa elementy (R1 i R2), a jedno równanie. Jedną z tych wielkości trzeba więc przyjąć. Niech będzie to rezystor R1. Zakładamy, że rezystancja ta jest równa 1 kΩ. Musimy ponadto uwzględnić pewien niewielki margines dla histerezy. Skoro międzyszczytowe napięcie szumów jest równe 300 mV, przyjmujemy histerezę 350 mV. Przekształcamy wyrażenie określające histerezę względem R2. Mamy:

Po podstawieniu danych otrzymujemy rezystancję R2:

Przyjmujemy 9,1 kΩ, która powoduje oczywiście niewielką zmianę zakładanej histerezy. Jest ona teraz równa 366 mV. Sprawdzamy układ w symulacji i w praktyce. Najpierw wyznaczamy charakterystykę przejściową (rysunek 16).

Rysunek 16. Symulacyjna charakterystyka przejściowa komparatora z histerezą

Źródło V2 wytwarza napięcie referencyjne 2,5 V. Źródło V3 podaje na wejście komparatora napięcie piłokształtne (od 0 do 5 V). Po uruchomieniu symulacji .TRAN wskazujemy wyjście „wy” jako punkt, dla którego ma być wykreślony wykres. Otrzymujemy oczywiście wykres czasowy, więc klikamy na opis osi czasu i w otwartym oknie „Horizontal Axis” wpisujemy w polu „Quantity Plotted” V(wes). Ustawiając dwa kursory na obu zboczach charakterystyki możemy odczytać szerokość histerezy. Okazuje się, że w symulacji jest ona równa 349,8 mV.

Sprawdźmy jeszcze czy stosując powyższy zabieg faktycznie wyeliminowaliśmy szumy. Wracamy do układu z rysunku 10 dokładając do niego elementy dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Rysunek 17. Symulacyjne badanie komparatora z histerezą

Zmodyfikowany układ wraz z wynikami symulacji pokazano na rysunku 17. Niekontrolowanych przerzutów na wyjściu już nie ma. Żarówka ocalona.

Pozostaje jeszcze upewnić się czy rzeczywisty układ zachowa się tak samo. Powtarzamy eksperyment pokazany na rysunku 12, tyle, że z włączonymi elementami dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Rysunek 18. Badanie rzeczywistego komparatora z histerezą

Wyniki (rysunek 18) dowodzą, że metoda rzeczywiście sprawdziła się w praktyce. Niekontrolowanych przerzutów nie ma. Z czystej więc ciekawości zdejmujemy jeszcze charakterystykę przejściową Uwy=f(Uwe), ale tu okazuje się, że uzyskane parametry różnią się od obliczonych. Szerokość histerezy układu rzeczywistego jest równa 259 mV wobec zakładanej 350 mV (rysunek 19). To spora różnica, ale układ i tak działa prawidłowo.

Rysunek 19. Pomiar histerezy rzeczywistego komparatora z dodatnim sprzężeniem zwrotnym

Jest jeszcze kilka zagadnień związanych z komparatorami, ale w tym odcinku nie będą już omówione. Może będzie okazja, by wrócić do tematu, choć w kolejnym odcinku zaplanowałem coś o modulacji.

Jarosław Doliński, EP