175. Компараторы: задержка, выход с открытым стоком, гистерезис, оконный компаратор

Операционный усилитель с гистерезисом уже встречался в 56.7, встроенные компараторы STM32 — в разделе 44. Здесь — сам прибор: почему задержка зависит от того, насколько сигнал перешёл порог, чем отличается выход с открытым стоком, как считать гистерезис и как из двух компараторов получается контроль «напряжение в допуске».

Числа ниже — модель ngspice компаратора с явно заданными параметрами (усиление 100 000, полоса 1 МГц, ограниченный ток внутреннего узла) и малосигнальный ключ на выходе.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
propagation delay (tPD)	задержка распространения
input overdrive	перегрузка входа над порогом
open-drain / open-collector output	выход с открытым стоком / коллектором
push-pull output	двухтактный выход
pull-up resistor	подтягивающий резистор
hysteresis	гистерезис
Schmitt trigger	триггер Шмитта
window comparator	оконный компаратор
wired-OR	монтажное «ИЛИ»
response time	время срабатывания

175.1 Компаратор — не операционный усилитель

Схемотехнически это тот же дифференциальный усилитель, но задачи разные: усилитель должен быть устойчив в обратной связи и потому нарочно замедлен (раздел 163), а компаратор в обратную связь не ставят — его внутри не компенсируют, и он быстрее в десятки раз.

Отсюда три различия, которые видны на плате:

• выход у компаратора цифровой: либо двухтактный, либо открытый сток; насыщение для него — рабочий режим, а не авария;
• обратной связи нет, поэтому и полосы нет: есть только задержка;
• операционный усилитель в роли компаратора работает, но плохо: он выходит из насыщения медленно (единицы микросекунд), а на входе у него может стоять защита, не рассчитанная на большую разность.

Внутри STM32 компараторы есть (раздел 44.6), и у них те же свойства: задержка, гистерезис, выбор опоры.

175.2 Задержка зависит от перегрузки входа

Порог 1,65 В; на вход подаётся ступенька, которая переходит его на 10, 50 и 200 мВ:

Причина проста: скорость нарастания внутреннего узла задаётся током, который пропорционален разности на входах. Чем ближе сигнал к порогу, тем медленнее переключение — при 10 мВ задержка в 8,3 раза больше, чем при 200 мВ. Поэтому в документации время срабатывания всегда указывают при заданной перегрузке, обычно 5, 10 или 100 мВ, и сравнивать приборы по разным перегрузкам бессмысленно.

Практический вывод: если сигнал подходит к порогу медленно (датчик, интегратор, медленная зарядка), компаратор переключится не «в точке», а позже — и тем позже, чем медленнее сигнал.

175.3 Выход с открытым стоком

Открытый сток — внутренний ключ, который тянет линию к земле; вверх её тянет внешний резистор. Плата за универсальность — скорость: фронт задаёт RC подтяжки и ёмкости линии. Модель с ёмкостью 20 пФ:

Фронт пропорционален сопротивлению подтяжки: 2,2 · R · C даёт те же 538 нс при 24,5 пФ (20 пФ линии плюс около 4,5 пФ самого ключа). Низкий уровень — это ток через сопротивление открытого ключа, здесь 25 Ом.

Чем платят за быструю подтяжку: в низком состоянии через неё течёт ток постоянно — 1,1 мВт при 10 кОм и 10,6 мВт при 1 кОм. Для батарейного устройства это много, для платы с сетевым питанием — ничто.

Зато открытый сток умеет то, чего не умеет двухтактный выход:

• монтажное «ИЛИ»: несколько выходов на одной линии, любой тянет её вниз — так делают оконный компаратор и сигнал «авария» от нескольких источников;
• другой уровень: подтяжка к 5 В превращает выход в пятивольтовый — если выход это допускает: предельное напряжение на нём смотрят в документации, у многих оно не выше питания, а у STM32 5 В держат только выводы FT; подтяжка к 1,8 В — в выход на 1,8 В, сам компаратор при этом питается от 3,3 В.

175.4 Дребезг и гистерезис

Если сигнал подходит к порогу медленно, любая помеха переводит выход туда-сюда. Модель: сигнал идёт от 1,62 к 1,68 В за миллисекунду, на нём помеха 5 мВ на 100 кГц.

Гистерезис делается положительной обратной связью: часть выходного напряжения возвращается на тот же вход. Сигнал подан на «+» через Rи = 10 кОм, с выхода на тот же вход идёт Rос = 1 МОм; ширина гистерезиса по входу — Uвых · Rи / Rос. У выхода с открытым стоком высокий уровень приходит через подтяжку, и её 10 кОм прибавляются к Rос: Uвых · Rи / (Rос + Rп) = 3,3 · 10 кОм / 1,01 МОм = 32,7 мВ — больше размаха помехи, и дребезг исчезает. (Формула Uвых · Rи / (Rи + Rос) — для другой схемы: опора на «+» через Rи, сигнал на «−».)

Правило выбора: гистерезис берут больше, чем размах помехи и шума на входе (раздел 165), но меньше, чем допустимая погрешность порога. Если помеха известна плохо, начинают с 20…50 мВ.

175.5 Оконный компаратор

Задача «напряжение в допуске» решается двумя компараторами: один следит за верхней границей, другой за нижней, выходы — на одной линии с общей подтяжкой. Пороги задаёт делитель из трёх резисторов: 13 кОм, 10 кОм и 10 кОм от 3,3 В — ток 100 мкА, границы 1,000 и 2,000 В.

Подключение: у верхнего компаратора сигнал идёт на инвертирующий вход, а порог 2,0 В — на неинвертирующий; у нижнего наоборот — сигнал на неинвертирующий, порог 1,0 В на инвертирующий. Выход с открытым стоком отпущен, когда на «+» больше, чем на «−», поэтому линия остаётся высокой, только пока отпущены оба.

Границы срабатывания в модели — 1,001 и 1,999 В: ровно пороги делителя. Такой узел ставят, когда микроконтроллер не должен опрашивать АЦП: выход подключают к выводу с прерыванием, и он сам сообщает, что напряжение вышло из допуска.

Гистерезис здесь тоже нужен — иначе на границе окна выход задребезжит ровно так же, как в 175.4.

175.6 Грабли

Компаратор «медленный», хотя в документации 40 нс. Время указано при перегрузке 100 мВ; при 10 мВ он в разы медленнее — в модели 595 против 71 нс.

Выход не поднимается до питания. Открытый сток без подтяжки; резистор обязателен, и он же задаёт фронт.

Фронт растянут на микросекунды. Подтяжка 100 кОм на линии с ёмкостью: 2,2 · R · C.

Выход дребезжит на медленном сигнале. Нет гистерезиса: в модели 11 переключений вместо одного.

Гистерезис есть, а дребезг остался. Ширина меньше размаха помехи; считать по Uвых · Rи / (Rос + Rп).

Операционный усилитель вместо компаратора «иногда тормозит». Выход из насыщения — микросекунды, и от перегрузки входа это зависит ещё сильнее.

175.7 Итоги

• Задержка компаратора зависит от перегрузки входа: 595 нс при 10 мВ, 124 нс при 50 мВ и 71 нс при 200 мВ — в 8,3 раза.
• Открытый сток: фронт 2,2 · R · C — 538 нс при 10 кОм и 54 нс при 1 кОм; низкий уровень 8,3 и 81,4 мВ на сопротивлении ключа 25 Ом.
• Ток подтяжки в низком состоянии — 0,33 и 3,22 мА, то есть 1,1 и 10,6 мВт.
• Гистерезис Uвых · Rи / (Rос + Rп) = 32,7 мВ убирает дребезг: 1 переключение вместо 11.
• Оконный компаратор на делителе 13 / 10 / 10 кОм даёт границы 1,000 и 2,000 В, выход высокий только внутри окна.

Дальше: раздел 176 «Инструментальный усилитель».