Сдвоенные прецизионные компараторы необходимы во многих приложениях, например, в промышленных и контрольно-измерительных приборах для генерации точных сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с очень высокими (более 99%) и очень низкими (менее 1%) коэффициентами заполнения. Эта схема (Рисунок 1) улучшает конструкцию, основанную на распространенных устройствах LM311 и LT1011, которые требуют подтягивающих резисторов и имеют несимметричные пути прохождения сигналов синхронизации. Особенностями этой новой схемы являются согласованные короткие задержки распространения, точное формирование коэффициента заполнения, двухтактный rail-to-rail выход и работа от источника питания выше 15 В.
 | |
| Рисунок 1. | Существует несколько вариантов построения этой схемы (различные источники тока и цепи смещения транзистора). |
Схема основана на высокоскоростном видео операционном усилителе LM359 (усилителе Нортона) с дополнительным входным каскадом на биполярных p-n-p транзисторах и выходном драйвере MCP1402T, питающимися от одного источника +15 В. LM359 используется для создания высокоскоростного устройства с характеристиками компаратора. Эта микросхема также позволяет на низком уровне вносить изменения в конструкцию, поскольку имеет выводы программирования как входного, так и выходного тока, а также доступный узел коррекции. Токи программирования входа и выхода управляются источником тока 0.5 мА.
Поскольку в корпусе микросхемы содержатся два операционных усилителя, одна половина включается как компаратор, а другая остается запасной. На схеме запасная половина показана для демонстрации ее подключений. Перед токовым входом LM359 расположен транскондуктивный усилитель, обеспечивающий вход по напряжению. Коэффициент усиления уменьшается в высокоимпедансном узле каскада (вывод COMPA) резистором 4.99 кОм. При необходимости управлять полосой пропускания LM359 можно параллельно резистору включить конденсатор. Вывод IN– микросхемы LM359 является дополнительным высокоимпедансным узлом, и он также может быть подключен к земле. (Идеи для входного каскада помог найти Рисунок 43 из технического описания LM359 «Добавление входного каскада на JFET»).
Выход LM359 подключен к входу драйвера MCP1402T – rail-to-rail устройства, которое может очень хорошо управлять и емкостными нагрузками. Напряжение питания LM359 можно даже сделать более низким, а MCP1402T все равно сможет работать с уровнем выходного напряжения 15 В. Максимальное напряжение питания компаратора ограничено 20 В, предельно допустимыми для MCP1402T, что означает, что его можно использовать в конструкциях с напряжением до 18.
Использование более высокого напряжения питания улучшает отношение сигнал/шум, поскольку при заданном уровне шума увеличивается уровень сигнала. Кроме того, большие входные сигналы доминируют над любыми составляющими напряжения смещения, что также является преимуществом использования более высокого напряжения питания. (Обратите внимание, что полярность выходного сигнала можно легко изменить на существующей печатной плате, используя MCP1401T вместо MCP1402T).
В схеме используются источники тока 1 мА и 0.5 мА (двухвыводные). В первоначальной конструкции для этого использовались специальные микросхемы, но вместо них можно установить резисторы (хотя и с ухудшением характеристик подавления пульсаций питания). Возможно также применение микросхемы источника тока LM334, а также полевого транзистора с истоковым резистором для управления напряжением затвор-исток. Диоды 1N4148W на токовом входе защищают переходы эмиттер-база от обратного смещения, в то время как BAT54A предотвращает добавление тока с одной или другой стороны дифференциальной пары к «хвосту» тока.
На Рисунке 2 показаны осциллограммы в ключевых узлах компаратора, демонстрирующие согласование задержек в обоих компараторах. Измеренное рассогласование задержек распространения вызывает отклонение коэффициента заполнения от 50% всего на 0.06%.
 | |
| Рисунок 2. | Канал CH1 (темно-синий) – это треугольные импульсы, подаваемые на инвертирующий вывод входного каскада, CH2 (светло-синий) и CH4 (зеленый) (один поверх другого) – прямоугольные импульсы на выходе MCP1402T, а CH3 (розовый) – половинный уровень напряжения питания на неинвертирующем выводе входного каскада. |