Компаратор напряжения

.В ки 8.8)детельство СС 3 М 1/ 10, 198 ции температ фа нуля, а т помощью обра шение времен ров обеспечи 1 ил ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах автоматического регулирования, аналоговых вычислительных машинах, Цель изобретения - повышение чувствительности и быстродействия. Компаратор содержит два усилительных транзистора 1,2, первый ключ 3, гене,:ратор 4 тока, шину 5 питания, конден-, саторы 6, 7, истоковые повторители 8,9 согласующие транзисторы 10, 11, ключиРБ Р 1) Н 03 К 5/24, С 05 В 1/01 212, 13, входные шины 14, 15, базовые резисторы 16, 7, генератор 18 тока, триггер 19, выходные шины 20, 21, генератор 22 импульсов, элемент 23 задержки, иагрузочные резисторы 24, 25, шину 26 питания, разделительные резисторы 27, 28, нагрузочные резисторы 29, 30, дополнительные транзисторы 31, 32, подзарядные транзисторы 33 - 36, транзисторы 37 - 40 элемента сравнения, генераторы 41 - 46 тока, ключи 47, 48, ограничители 49, 50, элемент ИЛИ 51, нагрузочные резисторы 52 - 55, резисторы 56 в .59 обратной связи, разделительные резисторы 60 - 63, щиу 64 опорного напряжения, входные транзисторы 64, 65. Чувствительность повышена за счет компенсарного и временного дреикже небаланса схемы с нои связи по току. Уменьперезаряда конденсатоает быстродействие, 1653149Изобретение относится к импульсной технике и может использоваться в устройствах автоматическогорегулирования, аналоговых вычислитель.ных машинах, аналого-циФровых преобразователях.Целью данного изобретения является повышение чувствительности за счеткомпенсации небаланса и дрейФа нуля 10и повышение быстродействия за счетуменьшения времени перезаряда конденсаторов.На чертеже представлена структур-. 15 Ная схема компаратора напряжения.Компаратор напряжения содержит два усилительных транзистора 1 и 2, объединенные эмиттеры которых через Последовательно соединенные первый ключ 3 и первый генератор 4 тока соединены с первой шиной 5 питания, два накопительных конденсатора 6 и 7, перрые выводы которых соединены с общей шиной, два истоковых повторителя на транзисторах 8 и 9 два согласующих транзистора 10 и 11, второй и третий ключи 12 и 13, входные шины 14 и 15, подключенные через базовые резисторы 16 и 17 к общей шине, второй генератор 18 тока, выходной триггер 19, выходы которого являются выходами 20, 2.1 компаратора, и последовательно соединенные генератор 22 им,пульсов и элемент 23 задержки, соеди 35 ненные межу собой коллектор первого ,усилительного 1 и затвор первого полевого 8 транзисторов, а также соединенные между собой коллектор второго усилительного 2 и затвор второго по левого 9 транзисторов, подключенные соответственно к первым выводам первого и второго накопительных конден- . саторов 6 и 7, а общая шина через первый нагрузочный резистор 24 под соединена к объединенным истоку первого полевого 8 и базе первого согласующего 10 транзисторов, и черезвторой нагрузочный резистор 25 - к объединенным истоку второго полевого9 и базе второго согласующего 11 транэисторов, а стоки полевых транзисторов 8,9 соединены с второй шиной 26 питания, катод через второй генератор 18 тока и последовательно соединенные55 . с ним первый и второй разделительные резисторы 27, 28 подключен к эмиттерам согласующих транзисторов 10, 11, коллекторы: которых соответственно соединены с К- и Б"входами выходного триггера 19 и через третий й четвертый нагрузочные резисторы 29, 30 - с первой шиной 5 питания, два дополни- тельньЖ транзистора 31 и 32, две диФФеренциальные пары подзарядных транзисторов 33 - 36, две пары транзисторов 37 - 40 элемента сравнения, шесть генераторов 41 - 46 тока, четвертый и пятыи ключи 47 и 48, два ограничителя 49, 50 выходного напряжения, логи" ческий элемент ИЛИ 51, пятый, шестой, седьмой и восьмой нагрузочные резисторы 52 - 55, четыре резистора 56 - 59 обратной связи и четыре разделительных резистора 60 - 63, два входных транзистора 64 и 65, причем базы входных транзисторов 64, 65 соединены с входными шинами 14 и 15, эмиттеры 1через последовательно соединенные второй ключ 12 и третий генератор 41 тока подключены к второй шине 26 питания, которая подключена через последовательно соединенные четвертый генератор 42 тока и третий ключ 13 к эмиттерам дополнительных транзисторов 31 и 32, через последовательно соединенные пятый генератор 43 тока и четвертый ключ 47 - к эмиттерам первого и второго подзарядных транзисторов 33 и 34, через последовательно соединенные шестой генератор 44 тока и пятый ключ 48 - к эмиттерам третьего и четвертого подзарядных транзисторов 35 и Зб, коллек торы первогои третьегоподзарядных транзисторов 33 и 35 соединены с общей шиной, коллектор второго подэарядного транзистора 34 соединен сколлектором первого усилительного транзистора 1,1 а коллектор четвертого подзарядного . транзистора 36 - с коллектором второго1.усилительного транзистора 2,коллекторы первого входного 64 ипервого дополнительного 31 транзисторов соединеныс ба" .зой первогоусилительного транзистора 1" и подключенычерез пятыйнагрузочный резистор 52 к первой шине 5 питания, которая через шестой нагрузочный резис тор 53 подсоединена к коллекторам второго усилительного 2, второго до;полнительного 32 и базе второго усилительного 2 транзисторов, при этом базы первого и второго дополнительных транзисторов 31,32 соединены соответственно с К- и 8-входами триггера 19, а также с первым и вторым ограничителями 49, 50 напряжения, базы первого и четвертого транзисторов5 10 15 40 55 5 16537, ч 0 элемента сравнения соединены систоками первого и второго полевыхтранзисторов 8 и 9, а базы второгои третьего транзисторов 38, 39 элемента сравнения - с шиной источникаопорного напряжения, эмиттеры первогои второго транзисторов 37, 38 элемента сравнения через третий и четвертый разделительные резисторы 60, 61и последовательно соединенный с нимиседьмой генератор 45 тока подключенык первой шине 5 питания, которая через восьмой генератор 46 тока подключена к первым выводам пятого 62 ишестого 63 разделительных резисторов,вторые выводы которых соединены сэмиттерами третьего и четвертоготранзисторов 39,40 элемента сравнения,коллекторы первого и второго тран. зисторов 37, 38 которого соединены сбазами первого и второго подзарядныхтранзисторов 33, 34 и соответственночерез первый и второй резисторы 56,57 обратной связи - с первым выводомседьмого нагрузочного резистора 54,второй вывод которого соединен с второй шиной 26 питания, коллекторы третьего и четвертого транзисторов 39,чО элемента сравнения соединены сбазами четвертого и третьего подзарядных транзисторов 35, 36 и соответственно через третий и четвертый резисторы 58, 59 обратной связи - с первым выводом восьмого нагрузочного резистора 55, выход генератора 22 соединен с управляющим входом третьегоключа 13 и первым входом элементаИЛИ 51, второй вход которого соединен с выходом элемента 23 задержки,а выход - с управляющими входами первого 3, четвертого 47 и пятого 48ключейКомпаратор напряжения работаетследующим образом,В начале интервала времени, на ко-.тором производится сравнение напряжения входного сигнала с опорным по сигналу генератора 22 импульсов, на период 1,. замыкаются ключи 12,13, 47и ч 8. Замыкание ключа 13 на интервалес вызывает отпирание транзисторов31,32 по эмиттерам. Выходное напряжение компаратора, прилокенное к базам транзисторов 31 и 32, усиливаетсяими и поступает на базы транзисторов1, 2, в эмиттеры которых в результате замыкания ключа 3 поступает токгенератора 4, перераспределяясь мезду 3149 6 транзисторами 1, 2 пропорциональнонапряжениям, приложенным к их базам,т.е. выходному напряжению компаратора. Коллекторные токи транзисторов1,2 разряжают конденсаторы 6, 7. Вто же время коллекторными токами транзисторов 33, 36 происходит заряд этихконденсаторов. Равенство токов заряда и разряда поддерживается цепямивнутренней отрицательной обратной связи, содержащими элементы сравнения натранзисторах 37, 38 и 39, 40. Благодаря внешней отрицательной обратнойсвязи на транзисторах 31, 32 разностьнапряжений на конденсаторах снижаетсядо величины, при которой выходное напряжение компаратора станет равным нулю. После размыкания ключей 12, 13, ч 7 и 48 это напряжение сохраняется до момента появления импульса на выходе элемента 23 задержки соответственно началу интервала ь сравнелния напряжения входного сигнала с опорным. В момент появления импульсов напряжения на выходах элемента 23 задержки и логического элемента ИЛИ 51замыкаются ключи 12, 13, 47 и 48 навремя ,в результатечего транзисторы 30 6 ч, 65, 1, 2, 33, 34 и 35, 36 отпираются. Усиленное транзисторами 64,65 входное нап,ряжение поступаетв базытранзисторов 1 . и 2, коллектор ные токи которых разряжают" накопительные конденсаторы 6, 7, в то же время заряд которых осуществляется коллекторными токами транзисторов 34, 36. Разряд - заряд конденсаторов осуществляется в течение времени 3 г , в конце которого на конденсаторах установится разность напряжении, пропорциональная входномусигналу, Эта разность напряжений поддерживается неизменной после размыкания ключей 12, 13, 47, 48 до момента запуска генератора 22. Усиленноетранзисторами 64, 65 и 1,2 входноенапряжение через истоковые повторители на транзисторах 8 9 и согласующие транзисторы 10, 11 поступает на50 К- и 8-входы триггера 19, устанавливая его в одно из устойчивых состояний. Так как напряжение на выходелинейной части компаратора (на коллекторах транзисторов 10, 11) перед моментом занесения входного сигнала равнялось нулю, то усиленное транзисторами 64, 65 и 1,2 входное напрякение, превышающее порог срабатывания40 45 50 в состояние, соответствующее входному сигналу.Для ограничения уровней напряженияна входах триггера 19 установленыограничители 49, 50 напряжения, в функции которых могут, использоватьсястабилизирующие диоды.Внутренняя обратная связь, содержащая схему сравнения на транзисторах 1037 - 40 и управляющая током заряда . конденсаторов, служит для отслеживания уровня заряда накопительных конденсаторов и равенства токов заряда и разряда конденсаторов. Напряжениязаряда накопительных конденсаторов изменяются относительно некоторого уровня Б, при котором Б , = 0 и которое задается напряжением опорного источника, т.е. Оо = Бо + Оъи 20 где Бо - напряжение опорного источника; Б ц - напряжение затвор - исток полевого транзистора. Обычно дляобеспечения максимального диапазона усиленного сигнала при линейном режи" 25 ,ме работы усилительных транзисторов .11 о должно быть равно. половине кол",лекторного напряжения питания, т.е.13 р= Е/2, где Е ., - напряжение источника 26, а изменение напряжения от вход ного сигнала 11 /2 те, Е/4. Исходя из этого, определим максимальное быстродействие компаратора, характеризуемое, временем преобразования, котороеравно сумме двух интервалов сГ - заЛнесения входного сигнала и обнулениясхемы: Где Б - максимальное напряжениезаряда конденсатора относительно Б равное 11 о/2,1,. - ток генератора 22:,- коэффициент усиленияпо току транзистора;С - емкость накопительного конденсатора.Численное значение С определим из условия использования маломощныхсреднечастотных транзисторов в схеме компаратора, При этом примем Е = 15 В, что соответствует напряжению питания используемых в народном хозяйстве55 схем операционных усилителей, компараторов, аналого-циФровых преобразователей: Т,.= 10 А;, С = 10 "Ф. Емкость С принята при условии использования в качестве накопительных конденсаторов коллекторных емкостей транзисторов 1, 2, 34, 36 и емкости затвора транзисторов 8, 9, т.е,ЕС 15 10-И- 15 нс. (2)10 С целью увеличения быстродействия можно увеличить ток генераторов 4, 43 и 44,По сравнению с прототипом быстродействие предложенного компаратора в 3 раза выше. Так как напряжение на конденсаторе изменяется от Е до 11 о - Е/4, т,е. на величину ЗЕ/4, то При одинаковых значениях составляющих формулы (3) С прототипа равно 45 нс.Как быпо сказано, чувствительность компаратора прототипа ограничена величиной температурного и временного дрейфа нуля и небалансом схемы. В предложенном компараторе дрейф нуля и небаланс схемы компенсируются внешней обратной связью схемы.Предложенная схема значительно превосходит по быстродействию и чувствительности известные схемы компа" раторов, ячеек выборки и хранения, аналого-цифровых преобразователей при сохранении усреднения входных сигна- . лов на интервале стробирования усилительных транзисторов за счет интегрирования коллекторных токов с помощью емкостей. Формула изобретения Компаратор напряжения, содержащий два усилительных транзистора, объединенные эмиттеры которых через последовательно соединенные первый ключ и первый генератор тока соединены с первой шиной питания, два накопительных конденсатора, первые выводы котоРых соединены с общей шиной, два истоковых повторителя на полевых транзисторах, два согласующих транзистора, второй и третий ключи, входные шины, подключенные через базовые резисторы к общей шине, второй генератор тока, выходной триггер, выходы которого являются выходами компаратора, и последовательно соединенные генератор импульсов и элемент задержки, соеди 16531ненные между собой коллектор первогоусилительного транзистора и затворпервого полевого транзистора; а так 11же коллектор .второго усилительноготранзистора и затвор второго полевоготранзистора, подключенные соответственно к первым выводам первого и второго накопительных конденсаторов, аобщая шина через первый нагрузочныйрезистор. подсоединена к объединенным ,истоку первого полевого и базе первофго. согласующего транзисторов и черезвторой нагрузочный резистор - к объединенным.истоку второго полевого и базе второго оогласующего транзисторов, а стоки полевых транзисторов соединены с второй шиной питания, которая через второй генератор тока и последовательно соединенные с ним первый и второй разделительные резисторыподключена к эмиттерам согласующих транзисторов, коллекторы которых соответственно соединены с К- и Я-входами выходного триггера и через третий и четвертый нагрузочные резисторы - с первои шиной питания о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия и чувствительности, в него введены дифференциальная пара входных и дифференциальная пара дополнительных транзисторов, две дифференциальные пары подзарядных транзисторов, две пары транзисторов элемента сравнения, шесть генераторов то- З 5Ф ка, четвертый и пятый ключи, два ограничителя выходного напряжения и логический элемент ИЛИ, причем базы входных транзисторов соединены свходными шинами компаратора, эмитте" ры входных транзисторов через последовательно соединенные второй ключ и третий генератор тока подключены к второй шине питания, которая подключена через последовательно соединенные четвертый генератор тока и третий ключ к эмиттерам дополнительных транзисторов, через последовательно соединенные пятый генератор тока и чет вертый ключ - к эмиттерам первого и второго подзарядных транзисторов, через последовательно соединенные шестой генератор тока и пятый. ключ - кэмиттерам третьего и четвертого подзарядных транзисторов, коллекторы первого и третьего подзарядных транзисторов соединены с общей шинойколлектор второго подзарядного тран 49 1 Озистора соединен с коллектором первого усилительного транзистора, а коллектор четвертого подзарядного транзистора - с коллектором второго усилительного транзистора, коллекторы первого входнога и первого дополнительного транзисторов соединены с базой первого усилительного транзистора и подключены через пятый нагрузочный резистор к первой шине питания, которая через шестой нагрузочный резистор подсоединена к коллекторам второго входного, второго дополнительного и базе второго усилительного транзисторов, при этом базы первого и второго дополнительных транзисторов соединены соответственно с К- и Я-входами триггера, а также с первым и вторым ограничителями напряжения, базы первого и четвертого транзисторов элемента сравнения сое динены с истоками первого и второго полевых транзисторов соответственно, а базы второго и третьего транзисторов элемента сравнения - с шиной источника опорного напряжения, эмиттеры первого и второго транзисторов элемента сравнения через третий ичетвертый разделительные резисторы и последовательно соединенный с ними седьмой генератор тока подключены к первой шине питания, которая через восьмой генератор тока подключена к первым выводам пятого и шестого разделительных резисторов, вторые выводы которых соединены с эмиттерами третьего и четвертого транзисторов элемента сравнения, коллекторы первого и второго транзисторов которого соединены с базами первого и второго подзарядных транзисторов и соответственно через первый и второй резисторы обратной связи - с первым выводом седьмого нагрузочного резистора, второй вывод которого соединен с второй шиной питания, коллекторы третьего и четвертого транзисторов элемента сравнения соединены с базами четвертогои третьего подзарядных транзисторов и соответственно через третий и четвертый резисторы обратной связи - с первым выводом восьмого нагрузочного. резистора, второй вывод которого соединен с второй шиной питания, выход генератора импульсов соединен с управляющи входом третьего ключа и с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом элемента задерж11 1653149ки и управляющим входом второго клю- дами первого,ча, а выход - с управляющими вхо - ключей,2 четвертого н пятого Составитель Н Маркин .,Техред М,Дидык Корректор М. Самборская Редактор М. Келемеш Тираж 484 Заказ 1780 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5