DE2826126C2

DE2826126C2 - Spannungskomparator mit mindestens zwei Verstärker-Schaltkreisen

Info

Publication number: DE2826126C2
Application number: DE2826126A
Authority: DE
Inventors: Svein Erik Södertälje Olsen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-06-15
Filing date: 1978-06-14
Publication date: 1982-04-15
Also published as: US4162454A; GB2000406B; DE2826126A1; JPS5477549A; GB2000406A; SE7706953L; SE409511B

Description

Die Erfindung geht aus von einem Spannungskomparator mit mindestens einem ersten und einem zweiten Verstärker-Schaltkreis, Eingängen zum Anschluß jedes Verstärkereingangs an ein Eingangssignal entsprechend der Differenz zwischen der zu vergleichenden und der Bezugsspannung und einer zwischen dem Ausgang des ersten und dem Eingang des zweiten Verstärker-Schaltkreises angeordneten Einrichtung zum Verschieben des Schwellwertes, durch die die Größe des Schwellwertes des zweiten Verstärker-Schaltkreises in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des ersten Verstärker-Schaltkreises beeinflußt wird, wobei das Ausgangssignal des zweiten Verstärker-Schaltkreises das Ausgangssignal des Spannungskomparators ist

Üblicherweise wird in einem Spannungskomparator eine Spannung mit einer Bezugsspannung verglichen und bei Übereinstimmung das Ausgangssignal des !Comparators umgeschaltet, d. h. der Pegel des Ausgangssignals wird schlagartig auf eine andere Höhe gebracht. Die zu vergleichende Spannung kann periodisch oder nicht-periodisch sein und kann steil oder flach an- oder absteigen. Die Bezugsspannung ist dabei üblicherweise eine konstante Gleichspannung, deren Höhe einstellbar ist.

Ein Spannungskomparator besteht im wesentlichen aus einem schnell ansprechenden Verstärker mit einer Ausgangsschaltung, in welcher ein Schalttransistor vorgesehen ist, welcher nach oben und unten begrenzte Ausgangspegel aufweist, die beispielsweise in der Höhe der Versorgungsspannung der Schaltung liegen können. Damit das Ausgangssignal des !Comparators schlagartig von einem Niveau auf das andere umgeschaltet werden kann und zwar auch bei sich langsam veränderlichen Eingangssignalen, ist eine sehr hohe Verstärkung des Verstärkers wünschenswert. Im folgenden wird unter dem Ausdruck »Eingangssignal« die Differenz zwischen der zu vergleichenden und der Bezugsspannung verstanden. Da ein Verstärker keine unendlich hohe Verstärkung haben kann, gibt es immer einen schmalen linearen Verstärkungsbereich, in welchem das Ausgangssigna! als linear betrachtet werden muß. Wenn sich das Eingangssignal nur langsam verändert, wird es relativ lange in diesem linearen Bereich bleiben.

Die Tatsache, daß das Eingangssignal im linearen Bereich des Verstärkers liegt, bedeutet, daß der Verstärker zu Eigenschwingungen kommen kann.

10

15

Die Tatsache, daß das Eingangssignal des Verstärkers nach einer vollständigen Umschaltung des Ausgangssignals im linearen Bereich des Verstärkers liegt, bedeutet, daß dei Spannungskomparato,- eine geringe Rauschunempfindlichkeit aufweist Kurz nach einer vollständigen Umschaltung kann die Rauschunempfindlichkeit als nicht exzistierend betracntet werden, da in diesem Augenblick das Eingangssignal im Bereich sehr hoher Verstärkung liegt, was dazu führt, daß auch ein geringes Rauschsignal, beispielsweise in der Größenordnung von etwa einem Millivolt, sehr hoch verstärkt wird und zu einer unerwünschten Umschaltung des Ausgangssignals des Komparators führt Aus diesem Grund wird der Verstärker üblicherweise mit positiver Gegenkopplung betrieben. Die Umschaltungen des Verstärkers erfolgen dann ähnlich wie bei einem Multivibrator, was verhindert, daß das Eingangssignal lange Zeit im linearen Bereich des Verstärkers steht, selbst wenn das Eingangssignal sich nur sehr langsam verändert. Wird der Verstärker mit positiver Gegenkopplung betrieben, steigt seine Rauschunempfindlichkeit proportional zum Grad der Gegenkopplung.

Da die Erfindung von einem Spannungskomparator mit positiver Gegenkopplung ausgeht, ist zunächst die Wirkungsweise eines solchen Verstärkers zu betrachten.

Das Ausgangssignal des Komparators hängt davon ab, was sich zuvor im Komparator abgespielt hat. Aus diesem Grund erfolgen die Umschaltungen des Ausgangssignals des Komperators erst nach einer gewissen Verzögerungszeit im Vergleich zu dem Augenblick, in welchem die zu vergleichende Spannung mit der Bezugsspannung übereinstimmt. Wenn beispielsweise die zu vergleichende Spannung ansteigt und schließlich mit der Bezugsspannung übereinstimmt, erfolgt die sprunghafte Umschaltung des Ausgangssignals erst dann, wenn die zu vergleichende Spannung bereits weiter über die Bezugsspannung hinaus angestiegen ist und zwar um einen bestimmten Betrag, der als positiver Übergangspegel des Komparators bezeichnet wird. Wenn dagegen beispielsweise die zu vergleichende Spannung abfällt und dann mit der Bezugsspannung übereinstimmt, erfolgt die Umschaltung des Ausgangssignals erst wenn die Spannung die Bezugsspannung unterschreitet, und zwar um einen bestimmten Betrag, welcher als negativer Übergangspegcl des Komperators bezeichnet wird. Die Spannungsdifferenz zwischen positivem und negativem Übergangspegel wird als Hystereseabstand des Komparators bezeichnet. Bei den ersteren Spannungskomparatoren liegt der positive Übergangspegel höher als der negative.

Die Größe des Hystereseabstandes ist von großer praktischer Bedeutung. Sehr häufig wird die zu vergleichende Spannung durch hochfrequente Rauschsignale oder durch Rauschspannungen, sogenannte Spannungsspitzen, überlagert welche beispielsweise entstehen, wenn ein Schalter ein- oder ausgeschaltet wird. Wenn die Höhe solcher Spannungsspitzen höher ist als die Breite des Hystereseabstandes des Komparators, ergeben sich gemäß Fig.3a—b zahlreiche Umschaltungen. Wenn dies geschieht, wird das Ausgangssignal des Komparators mehrfach umgeschaltet, was jeweils bedeutet, daß die zu vergleichende Spannung mit der Bezugsspannung übereinstimmt, wohingegen in Wirklichkeit nicht die zu vergleichende Spannung, sondern die Summe aus der zu vergleichenden Spannung mit der Rauschspannung mit der Bezugsspannung übereinstimmt. Sehr häufig treten

40

45

50

55

60

65 mehrere Spannungsspitzen gleichzeitig auf, so daß unter ungünstigen Bedingungen zahlreiche Umschaltungen erfolgen. Um den Komparator gegenüber Rauschsignalen unempfindlich zu machen, damit er rauschfest wird, ist es üblich, einen möglichst großen Hystereseabstand zu benutzen Ein großer Hystereseabstand bedeutet jedoch auf der anderen Seite, daß die Umschaltungen des Ausgangssignals des Komparators. gegenüber dem Übereinstimmungszeitpunkt zwischen Eingangssignal und Bezugsspannung stark verzögert ist, insbesondere wenn das zu vergleichende Signal nur sehr langsam anoder absteigt Diese Verzögerung, welche von der Steilheit der zu vergleichenden Spannung abhängt, ist äußerst unerwünscht, insbesondere in Anwendungen, bei denen der Komparator als Analogdigitalwandler benutzt wird, wobei geringste Verzögerungszeiten gewünscht sind.

Bislang mußte beim Bau von Spannungskomparatoren ein Kompromiß zwischen zwei einander gegenseitig ausschließenden Eigenschaften gemacht werden, nämlich der Größe des Hystereseabstandes und der Rauschfestigkeit, welche insbesondere kurz nach einem Umschalten des Ausgangssignales sehr gering ist, insbesondere bei nur flach ansteigenden Spannungen, wenn nur geringe Hystereseabstände benutzt werden, was dann zu kurzen Verzögerungszeiten führt Komparatoren dieser Art haben — wenn sie einen Hysterseabstand aufweisen — einen Hystereseabstand, weicher einen Kompromiß zwischen den oben genannten Eigenschaften darstellt.

Die DE-OS 19 57 535 zeigt einen Komparator, wie er in der vorliegenden Erfindung als bekannt vorausgesetzt wird. Kennzeichnend für diesen ist, daß er immer eine positive Hystereses aufweist und somit auch sämtliche Nachteile, die damit verbunden sind. Der Schaltkreis der dortigen F i g. 1 weist einen Operationsverstärker auf, der mit den Dioden verbunden ist, so daß die Verstärkung des Verstärkers abhängig von dem Eingangssignal ist Die Übergangsfunktion dieses Schaltkreises, wie er in Fi g. 2a dargestellt ist, ist teillinear. Wie aus den F i g. 2b und 2c hervorgeht, sind die linearen Übergänge sehr störungsanfällig. In der üblichen Art und Weise ist deshalb eine positive Rückkopplung verwirklicht, und zwar mit Hilfe der Widerstände, die mit dem nicht-invertierenden Eingang verbunden sind. Wie aus F i g. 5 hervorgeht, wird damit ein schneller Übergang erreicht und die Störungsimunität ist entsprechend der Breite der positiven Hysteresis (vergleiche F i g. 5a).

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Spannungskomparator störungsunempfindlicher oder störungsunanfälliger zu machen, also Störsignal zu unterdrücken.

Diese Aufgabe ist bei einem Spannungskomparator nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, daß jeder Verstärker-Schaltkreis mit einer positiven Rückkopplung für bistabile Wirkungsweise ausgestattet ist, und daß der Ausgang der Einrichtung zum Verschieben des Schwellwertes mit dem positiven Rückkoppelsignal des zweiten Verstärker-Schaltkreises vereinigt ist. Auf diese Weise wird ein störungsunempfindlicher bistabiler Komparator geschaffen, dessen Hystereseabstand entweder größer, kleiner oder gleich Null in Abhängigkeit von dem gewählten Grad der positiven Rückkopplung des zweiten Verstärker-Schaltkreises und der Größe des Ausgangssignales der Einrichtung ist, wobei die Störungsempfindlichkeit des Komparators im wesentlichen von dem Grad der

positiven Rückkopplung des ersten Verstärker-Schaltkreises abhängt, der positive Hysterese aufweist. Der erfindungsgemäße Spannungskomparator erbringt die gleiche Störungsimmunität wie Komparatoren aus dem Stand der Technik, muß aber nicht notwendigerweise eine positive Hysteresis haben. Der erfindungsgemäße Komparator spricht nur auf Signale bei dem Schwellwert an, während die bekannten Vorrichtungen auf alle Signale um den Schwellwert herum ansprechen.

Bei dem erfindungsgemäßen Spannungskomparator ist es möglich, den Hystereseabstand unabhängig von der Rauschfestigkeit und von den davon abhängenden sicheren Schaltübergängen zu wählen. Ein Komparator ohne Hystereseabstand, der zu einer minimalen Verzögerungszeit führt, läßt sich ebenso verwirklichen.

Einige verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Spannungskomparators werden im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen im einzelnen erläutert. Dabei zeigt

Fig. la die schematische Grundschaltung eines bislang üblichen Spannungskomparators mit positiver Gegenkopplung bei invertiertem Betrieb;

Fig. Ib und Ic verschiedene Spannungsverläufe der Vorrichtung gemäß F i g. 1 a;

Fig. Id ein Diagramm der Umschalteigenschaften der Vorrichtung gemäß F i g. 1 a;

Fig. 2a einen Schaltplan, ähnlich wie in Fig. la, jedoch in nicht invertierender Betriebsweise;

F i g. 2b und 2c verschiedene Spannungsverläufe der jo Vorrichtung gemäß F i g. 2a;

F i g. 2d ein Diagramm der Umschalteigenschaften der Vorrichtung gemäß F i g. 2a;

F i g. 3a ein Spannungsdiagramm mit einer Eingangsspannung, der mehrere Rauschspannungsspitzen über- lagen sind;

F i g. 3b ein Spannungsdiagramm der Ausgangsspannung des Komparators gemäß Fig. 1, wenn die Spannung gemäß F i g. 3a angelegt wird;

Fig.4a einen schematischen Schaltplan des erfindungsgemäßen Spannungskomperators;

F i g. 4b bis 4f Spannungsdiagramme für verschiedene Punkte in der Schaltung gemäß F i g. 4a;

F i g. 4j ein Diagramm für die Umschalteigenschaften des Schaltkreises gemäß F i g. 4a;

Fig. 5a ein ähnliches Diagramm wie in Fig.4j, jedoch mit anderer Einstellung des Verstärkers 3 der Schaltung in F i g. 4a;

F i g. 5b bis 5f Spannungsdiagramme für verschiedene Punkte der Schaltung gemäß Fig.4a, jedoch mit der Verstärkereinstellung gemäß F i g. 5a;

F i g 6a bis 6f Umschalteigenschaften und Spannungsdiagramme, ähnlich denen in Fig. 5a bis 5f, jedoch für eine andere Verstärkungseinstellung des Verstärkers 3 in F i g. 4a;

Fig.7 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Spannungskomparators, bei dem V_n, die Differenz zwischen der zu vergleichenden und der Bezugsspannung ist und periodisch oder aperiodisch und auch null sein kann;

F i g. 8 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Komparators gemäß dem Blockschaltbild in F i g. 4a;

F i g. 9 ein Spannungsdiagramm zu Erläuterung der verschiedenen Hystereseabstände bei einem Spannungskomparator mit positivem Hystereseabstand;

F i g. 10 eine weitere Ausführung des Spannungskomparators gemäß F i g. 8, jedoch mit besseren Frequenzeigenschaften;

Fig. 11 bis 15 verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Spannungskomparators;

Fig. 16 ein ausführlicher Schaltplan des Spannungskomparators gemäß F i g. 10;

Fig. 17 ein Schaltbild eines Spannungskomparators mit Schmitt-Triggern;

F i g. 18 ein ausführlicher Schaltplan des Komparators gemäß Fig. 17, welcher als Nullspannungsdetektor benutzt wird;

Fig. 19 ein ausführlicher Schaltplan des Spannungskomparators gemäß F i g. 16 und gemäß F i g. 11, wobei jedoch die Verstärker 3a mit dem Schaltkreis 36 vertauscht sind;

Fig. 20 und 21 abgewandelte Schaltkreise der Ausführungsform gemäß F i g. 10 und 15.

Bevor die erfindup.gsgemäße Schaltungsanordnung im einzelnen beschrieben wird, sei anhand der F i g. 1 und 2 die Funktion bereits bekannter Spannungskomparatoren erläutert, woraufhin im Anschluß daran anhand von F i g. 3 die Bedeutung des Hystereeabstandes bei Rauschspannungsspitzen erläutert wird. Im Anschluß daran erfolgt die Beschreibung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung anhand mehrerer Ausführungsformen, die in den F i g. 4 bis 21 dargestellt sind.

In Fig. la ist ein üblicher Operationsverstärker mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang, weiche jeweils mit einem Plus und einem Minus gekennzeichnet sind, und einem Ausgang dargestellt. Der Operationsverstärker ist an die Versorgungsspannungen + E und - E angeschlossen. Masse liegt vereinbarungsgemäß an null Volt und wird als Bezugsspannung benutzt. Ein Teil der Ausgangsspannung wird über einen Spannungsteiler, welcher aus den Widerständen R und /-besteht, an den nichtinvertierenden Eingang zurückgeleitet, so daß der Verstärker bei positiver Gegenkopplung arbeitet Die zu vergleichende Spannung Vl wird an den invertierenden Eingang des Verstärkers gelegt und weist einen dreieckigen Verlauf auf, wie er in F i g. Ib dargestellt ist. In Fig. Ib ist die Bezugsspannung null Volt, was durch eine horizontale Linie gekennzeichnet ist Die Spannung VV₊ ist der Spannungspegel der Spannung Vl, bei welchem die Ausgangsspannung V2 des Komparators umschaltet Der Pegel Vr. wird im Folgenden als positiver Übergangspegel bezeichnet Die Spannung Vt- wird erreicht wenn die Spannung Vl die Bezugsspannung erreicht hat und das Ausgangssignal des Komparators erneut umschaltet. Die Spannung Vrwird im Folgenden als negativer Übergangspegel bezeichnet Aus F i g. Ic geht hervor, wie das Ausgangssignal V 2 in Abhängigkeit von der Spannung Vl verläuft Aus dem Vergleich der Fig. Ib und Ic geht hervor, daß eine Umschaltung des Ausgangssignales V 2 erst nach einer gewissen Verzögerungszeit t erfolgt vom Zeitpunkt der Übereinstimmung zwischen beiden Spannungen aus gerechnet Aus F i g. Ib geht außerdem deutlich hervor, daß der positive Umschaltpegel Vt₊ höher liegt als der negative Umschaltpegel Vt- und daß demgemäß der sogenannte Hystereseabstand, welcher definiert ist als Vh- Vt+ — Vt- größer als null ist Die Umschalteigenschaften der Vorrichtung gehen aus Fig. Idhervor.

Es ist hier anzumerken, daß der Umschaltpegel eines Spannungsgenerators mit Hystereseabstand ständig schwankt Wenn beispielsweise die zu vergleichende Spannung Vl den positiven Pegel Vr₊, erreicht verschiebt sich der Umschaltpegel nach unten zum Pegel Vr-, wodurch in diesem Augenblick der Abstand

von der Spannung Vl zum Umschaltpegel V₇--verringert wird, was in diesem Fall wünschenswert ist, da hierdurch die Rauschfestigkeit erhöht wird.

Die Fig.2a bis 2d entsprechen im wesentlichen den Fig. la bis Id, mit dem Unterschied, daß hier die Spannung Vl an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers gelegt wird. Außerdem ist bei der Schaltung gemäß F i g. 2 der Hystereseabstand Vh größer als null Volt.

In Fig.3a ist ein ansteigender Spannungsverlauf der zu vergleichenden Spannung Vl dargestellt Der Spar.nungsflanke sind Rauschspannungsspitzen überlagert Die Spannung Vl wird dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers in F i g. 1 a zugeführt. Wenn die Spannung Vl ansteigt und die Bezugsspannung überschreitet, weiche in diesem Fall bei null Volt liegt, und schließlich auch den positiven Umschaltpegei V₇-+ überschreitet, schaltet das Ausgangssignal des Operationsverstärkers von + ZT-Volt nach -F-VoIt, wie es aus Fig.3b hervorgeht. Die Rauschspannungsspitze erreicht ziemlich schnell ihr Maximum und fällt dann steil nach unten auf ihren Minimalwert ab, wobei sie den negativen Schaltpegel Vt- überquert, wodurch das Ausgangssignal des Operationsverstärkers augenblicklich von -E-VoIt nach + E-VoIt umschaltet Auch die nächste Spannungsspitze überschreitet sehr schnell den positiven Umschaltpegei Vr₊, so daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers erneut von + .E-VoIt nach — E-VoIt umspringt Der Minimalwert dieser zweiten Spannungsspitze erreicht jedoch Vt- nicht mehr, so daß der negative Umschaltpegei nicht erreicht wird, was zur Folge hat, daß das Ausgangssignal des Operationsverstärkers bei - E-VoIt bleibt Die restlichen Spannungsspitzen ändern den Pegel von — E-VoIt am Ausgang nicht mehr. Es ist deutlich, daß die beiden nicht gewünschten Umschaltungen des Ausgangssignals vermieden werden können, indem der Hystereseabstand V_H größer gemacht wird. Aus Fig.3 geht ebenso hervor, daß bei gleichem Hystereseabstand die unerwünschten Umschaltungen nicht auftreten, wenn die Steigung der zu vergleichenden Spannung Vl größer ist als in den Zeichnungen dargestellt In diesem Fall nämlich liegt das Minimum der ersten Spannungsspitze nicht unter dem negativen Umschaltpegei V_r_, was dazu führt, daß die Ausgangsspannung nicht erneut umschaltet Wenn die Steigung der Spannung jedoch weniger groß ist als in F i g. 3a angedeutet ergeben sich einige zusätzliche Umschaltungen des Ausgangssignals. Im letzteren Fall können die unerwünschten Umschaltungen nur verhindert werden, indem der Hystereseabstsnd Vh vergrößert -wird, jedoch ist dann zu erkennen, daß die Zeit von dem Augenblick an, wo die Spannung V1 die Bezugsspannung erreicht bis zu dem Augenblick, in welchem das Ausgangssignal umschaltet, unzulässig groß wird

Um die Erfindung darzustellen, sei ein weiterer Spezialfall beschrieben, bei welchem der Komparatorschaltkreis einen Hystereseabstand V_H von null Volt aufweist Die Schaltung ist in Fig.4a dargestellt und besteht im wesentlichen aus zwei Schaltkreisen, wie sie in Fi g. la gezeigt sind, wobei diese beiden Schaltkreise beide mit derselben, zu vergleichenden Spannung Fl versorgt sind. Der Einfachheit halber sei als Bezugsspanming wieder null Volt angenommen. Ein Teil es (iJXOR) der Ausgangsspannung des oberen !Comparators oder Operationsverstärkers 1 wird im Inverter 3 invertiert und schließlich demselben Teil (r/lOR) des Ausgangssignals des unteren !Comparators bzw. Operationsverstärkers 2 über zwei identische Widerstände R zugsführt, welche dafür sorgen, daß die Summe der Spannung im Punkt Fdurch zwei geteilt wird. In F i g. 4b ist der Verlauf der Spannung Vl am Punkt b in F i g. 4a dargestellt. Diese Spannung wird beiden Komparatoren zugeführt. Der in F i g. 4c dargestellte Spannungsverlauf entspricht dem am Punkt c in F i g. 4a. Diese Spannung wird vom Inverter 3 invertiert, an dessen Ausgang die Spannung schließlich den in Fig.4d gezeigten Verlauf aufweist Das Ausgangssignal V₀₁₁, des Operationsverstärkers 2 hängt davon ab, was zuvor im Verstärker passierte und weist die Form gemäß F i g. 4e auf, obwohl die Schwingungsamplitude des Signals V_ou, bei ± E-VoIt liegt Der in F i g. 4e dargestellte Verlauf der Spannung entspricht dem am Punkt ein Fi g. a. Am Punkt / in F i g. 4a liegt eine Spannung an, die halb so groß ist wie die Summe aus den Spannungen gemäß F i g. 4d und 4e. In Fig.4f ist schließlich die Spannung am Punkt / dargestellt Die Spannungsverläufe können in folgender Weise erklärt werden:

Zunächst sei die negative Flanke der Kurve in F i g. 4b • betrachtet Für diesen Teil der Kurve F i g. 4b sind die Ausgangssignale des Verstärkers jeweils positiv. Demgemäß wird das Summensignal am Punkt /null sein. In Punkt g in Fig.4a wird der Umschaltpegel V_T+ beispielsweise etwa +25 mV sein. "Die nächste positive Flanke des Eingangssignales, d. h. der Abschnitt Λ in F i g. 4b muß zunächst null Volt überschreiten, bevor es den Umschaltpegel vom Komparator 1 erreicht. Null Volt ist jedoch der Umschaltpegel des Komparators 2, weshalb der Komparator 2 seinen Zustand ändert, d. h. sein Ausgangssignal wird umgeschaltet Da der Komparator mit positiver Gegenkopplung arbeitet, wird eine genaue Umschaltung erfolgen. Das Ausgangssignal des Komparators 2 wird auf den niedrigen Pegel abfallen, was zur Folge hat daß die Spannung am Summenpunkt /"auf etwa -50 mV abfällt Wenn nun die positive Flanke h in Fig.4b den Umschaltpegei des Komparators 1 erreicht welcher beispielsweise bei etwa + 25 mV liegen kann, schaltet der Komparator 1 auf den niedrigen Pegel um. Die Ausgangssignale beider Komparatoren liegen nun auf niedrigem Pegel und die Spannung am Summenpunkt /beträgt demgemäß null Volt Der Komparator 2 kann nun erneut auf hohen Pegel gebracht werden, was bedeutet, daß die Spannung im Summenpunkt / auf den hohen Pegel, d. h. etwa + 50 mV, umschaltet wenn die nächste Flanke, d. h. die Flanke i, in F i g. 4b den Umschaltpegel des Komparators 2 überschreitet d. h. einen Pegel von null Volt wie es bereits oben erwähnt wurde.

In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß die Umschaltpegel des Komparators 2 identisch sind, d. h. beide bei null Volt liegen, so daß der Hystereseabstand Vh= O Volt ist Trotzdem erfolgt jede Umschaltung zu einem genauen Zeitpunkt wobei auch ein gewisser Grad an Rauschfestigkeit vorhanden ist Wenn die zu vergleichende Spannung Vl ansteigt und schließlich den positiven Umschaltpegel des Komparators 2 Vr₊ =nuU Volt erreicht ändert sich der Umschaltpegel dieses Komparators auf — 5OmV, wobei dieser neue Pegel im folgenden als Sicherheitspegel benannt ist, so daß in diesem Augenblick der Abstand der Spannung Vl zum Sicherheitspegel stufenförmig, d.h. etwa mV, ist, was sehr wünschenswert ist, um eine hohe Rauschfestigkeit zu erzielen. Dieser Sicherheitspegel bleibt erhalten, bis die positive Flanke der Spannung Vl den positiven Umschaltpegei des Komparators bei etwa

25 mV erreicht, was bedeutet, daß ein Komparator mit ausgezeichneter Rauschfestigkeit aufgebaut ist.

Die Rauschfestigkeit kann als das kleinstmöglichste Rauschssignal definiert werden, insbesondere von Spitze zu Spitze gemessen, welches zu unerwünschten Umschaltungen des Ausgangssignales im Komparator 2 führt. In der oben beschriebenen Ausführungsform, bei der ein Sicherheitspegel von 5OmV vorgesehen ist, welcher größer ist als der Umschaltpegel von etwa 25 mV des Komparators 1, definiert der Umschaltpegel des Komparators 1 die Rauschfestigkeit des Komparators.

Wenn beispielsweise während des Zeitintervalles D1 bis D2 in Fig.4b ein Rauschsignal auftaucht, dessen Amplitude groß genug ist, um den Zustand des Komparators 1 zu wechseln, wird der Sicherheitspegel von — 50 mV des Komparators 2 aufgegeben, wobei der Komparator 2 auf einen Umschaltpegel von null Volt zurückgeht. Wenn nun in diesem Augenblick eine negative Flanke des Rauschsignales tief genug nach unten geht, um den Umschaltpegel von null Volt, was der schlechtestmögliche Fall ist, unterschreitet, ergibt sich unerwünschte Umschaltung des Ausgangssignals im zweiten Komparator. In diesem besonderen Fall kann als Rauschfestigkeit ein Wert definiert werden, der halb so groß ist wie der Hystereseabstand des ersten Komparators, d. h. etwa 25 mV von Spitze zu Spitze gemessen.

Die Umschalteigenschaften der Schaltung gemäß F i g. 4a gehen aus der F i g. 4j hervor.

Wenn der Verstärkungsfaktor des Inverters 3 geändert wird, so daß das Signal vom Komparator 1 invertiert und um den Faktor 1,5 verstärkt wird, ergeben sich Kurvenverläufe an den Punkten b bis /in Fig.4a, wie sie in den F i g. 5b bis 5f wiedergegeben sind. Die entsprechenden Übertragungseigenschaften sind in F i g. 5a dargestellt. Wie aus F i g. 5a hervorgeht, ist V_T+ kleiner als W- und der Hystereseabstand ist demgemäß negativ, beispielsweise bei etwa -25 mV. Zu beachten ist hier, daß auch für einen negativen Hystereseabstand eine sichere bistabile Funktion gewährleistet ist

Wenn nun der Verstärkungsfaktor des Inverters 3 in Fig.4a so verändert wird, daß das Signal vom Komparator 1 invertiert und um den Faktor 0,5 verstärkt wird, ergeben sich an den Punkten b bis /in F i g. 4a die Spannungsverläufe, wie sie in den F i g. 6b bis 6f wiedergegeben sind. In diesem Fall ist der Hystereseabstand positiv, da Vr₊ größer als Vt- ist. Die Umschalteigenschaften sind in F i g. 6a dargestellt.

Durch Einstellen des Verstärkungsfaktors des Inverters 3 kann demgemäß der Hystereseabstand von positiven Werten bis herab zu negativen Werten, einschließlich null, eingestellt werden.

Ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Komparators ist in F i g. 7 dargestellt. Die Bezugszeichen 1 und 2 beziehen sich hier, wie im vorangehenden Teil, auf einen Verstärker bzw. Komparator mit positiver Gegenkopplung. Beide Verstärker werden mit der Eingangsspannung V,„ versorgt, welche sich aus der Spannung Vi abzüglich der Referenzspannung V_rCf zusammengesetzt. Die Referenzspannung kann konstant oder periodisch sein. Das Ausgangssignal des Komparators 1 wird dem Faktor K multipliziert und anschließend von dem gegengekoppelten Teil des Ausgangssignales des zweiten Verstärkers 2 abgezogen. Statt der Subtraktion kann auch eine Addition erfolgen, falls beide Verstärker in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden. Die Gegenkopplungsfaktoren des Komparators 1 und 2 sind mit <x und β bezeichnet.

In Fig.8 ist eine überprüfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Komparators dargestellt. Die Spannung Vl, welche mit der Bezugsspannung V_rci zu vergleichen ist, kann von beliebiger Höhe sein und wird beiden Verstärkern bzw. Komparatoren 1 und 2 gleichzeitig zugeführt Die Spannung V4 welche Teil des Ausgangssignales V3 des Komparators 1 ist und die Spannung V_r-r werden dem Inverter 3 zugeführt, welcher hier als linearer Verstärker mit dem Verstärkungsfaktor F— — K arbeitet Dieser Verstärkungsfaktor kann mit dem Potentiometer RA verstellt werden. Die resultierende Spannung V7 und eine weitere Spannung V5, welche Teil des Ausgangssignales V 2 des zweiten Komparators 2 ist und die Bezugsspannung V_rci werden addiert und zwar über die Widerstände /?24 und R 23, so daß am Punkt /die Summenspannung V6 anliegt Die Spannung V6 wird dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Komparators 2 zugeführt Die Spannung V6 kann nun mit dem Potentiometer R 4 verändert werden. Der Hystereseabstand des Komparators kann nun mit dem Potentiometer RA eingestellt werden, so daß es positiv, negativ oder auch null ist Die Schaltung ist wie folgt dimensioniert:

R_u = R_n > R_n > (1/R₃) und R₂₄ = R₂₃ > R₂₂ und K = R₄ZR₃. V₄ = 2 ■ a ■ V₃ + ν_Γφ wobei a = R_nIl ■ (R_n +A₁₂), K₅ = 2 · β ■ V₂ + V^, wobei β = R₂₂Il ■ (K₂₁ + A₂₂), V_b=ß-V₂-k- ν₃Λ-ν_φ wobei k = K-a>0,

Zur Einfachheit sei wieder angenommen, daß die Versorgungsspannungen für die Komparatoren 1,2 und den Inverter 3 ± Volt beträgt und daß sie identisch ist mit den Ausgangspegeln der Verstärker. Der Hystereseabstand ist so definiert wie zuvor, d.h. Vh=Vt₊-Vt-. Für den ersten Komparator beträgt der Übergangspegel für ein positives Signal Vn₊=Oi- E+ Vrefimd für ein negatives Signal beträgt der Übergangspegel Vn- = —α - E+ V_Ter, was bedeutet, daß der Hystereseabstand für den Komparator

1 Vm=2 E- «beträgt

Für den Komparator 2, d. h. den Ausgangskomparator, sind zwei Hystereseabstände definiert, nämlich einmal der wirksame Abstand Vho und der Sicherheitsabstand Vhs, welcher dem Sicherheitsabstand in der Kurve gemäß Fig.5f entspricht, wobei gut V_Ho ist Meiner Vm- Diese beiden Abstände sind in Fig.9 dargestellt Der Sicherheitsabstand Vhs tritt nur

lsi
j,

während der beiden Zeitintervalle (f 1, <2) und (t3, t4) auf, d. h. während der Zeitintervalle, während der die Komparatoren oder Verstärker besonders rauschanfällig sind. Bei Verwendung dieser Sicherheitsabstände werden genau definierte Umschaltungen erzielt. Der Ausdruck »genau definiert« soll hierbei bedeuten, daß Eigenschwingungen im Komparator 2 auftreten und daß der Einfluß von etwaigen Rauschsignalen bei der Umschaltung unterdrückt wird.

Vor der Umschaltung, d.h. in den Zeitintervallen f4 ι ο bis ti und i2 bis f3 in Fig.9 beträgt der Abstand Vh₀=2 · E{ß — k). Die Umschaltpegel betragen dann

V_To.=-E{ß-k)+Vrc,

Nach einer Umschaltung, d. h. in den Zeitintervallen ί 1 bis r2 und ί 3 bis i4 beträgt der Sicherheitsabstand V_Hs=2E(ß + k). Die Umschaltpegel betragen dann

20

Die Gleichung 2, welche sich auf den Hystereseabstand Vho bezieht, zeigt an, daß der Abstand positiv, null oder negativ sein kann, was von der Differenz {ß — k) abhängt

Die Zeitintervalle (ti, t2) und (f3, i4) sind proportional zu Vm und umgekehrt proportional zu d Vi/di und werden nach unten durch die Verzögerungszeiten begrenzt, die durch den Komparator oder die Verstärker gegeben sind. Die Verzögerungszeit kann mit Hilfe von Verzögerungsschaltungen erweitert werden.

Durch Verändern des Widerstandes /?₄ kann der Hystereseabstand so verändert werden, daß er positiv null oder negativ sein kann, wobei sich bei der Schaltung gemäß F i g. 8 Kurvenverläufe ergeben, wie sie in den F i g. 4b bis 4f, 5b bis 5f und 6b bis 6f dargestellt sind, vorausgesetzt daß die zu vergleichende Spannung Vl einen symmetrischen dreieckigen Verlauf hat, deren Gleichspannungskomponente null beträgt und weiter vorausgesetzt, daß die gewählte Bezugsspannung ebenfalls null ist was zur Folge hat, daß die Kurven symmetrisch zum Nullpotential liegen und daß die Ausgangsspannung V 2 = V5 sind, wenn man von einem Proportionalitätsfaktor absieht Die Spannungsbereiche in den F i g. 4b, 5b, 6b und in den F i g. 4f, 5f und 6f sind um den Faktor 2 erweitert Die durch die in F i g. 9 mit dicken Linien gekennzeichneten Spannungspegel entsprechen der Spannung V 6 in Fi g. 8. Wenn in F i g. 8 die Spannung Vl und die Bezugsspannung V_rer ausgetauscht werden, d.h. wenn die Spannung Vt an den Eingang für V_ref in Fig.8 und V_ref an den invertierenden Eingang des Komparator 1 und 2 gebracht wird, entstehen Umschaltdiagramme, die denen in den Fig.4j, 5a und 6a entsprechen, wobei die Diagramme jedoch um die Achse "Kl gespiegelt sind, ähnlich wie Fi g. Id, die an Vi gespiegelt wird, um das Diagramm in F i g. 2d zu erhalten.

Die genaue Dimensionierung von α, β und k ist eine Frage des Optimierens und hängt von dem jeweiligen Anwendungsfall des !Comparators ab.

In Fig. 10 ist eine Änderung der Schaltung gemäß F i g. 8 dargestellt Die Schaltung gemäß F i g. 10 ist mit einem Bezugsspannungseingang mit niedriger Impedanz ausgestattet, was zu einem besseren Frequenzgang führt In den F i g. 10 bis 19 liegt der Bezugsspannungseingang an null Potential, was hier zur besseren Übersicht erfolgt In der Schaltung gemäß Fig. 11 ist der lineare Inverter durch einen Verstärker 5 mit positiver Rückkopplung ersetzt, ähnlich dem Komparator in Fig. la. Falls erforderlich, kann ein Kondensator C, welcher als Verzögerungsschaltung wirkt, benutzt werden, um die Dauer des Sicherheitsabstandes Vn$ zu verlängern. Anstelle dieser Komparatorschaltung kann ein Schalttransistor benutzt werden, der als Negator arbeitet. Die Ausgangssignale dieses Transistors schalten zwischen begrenzten Spannungspegeln. Der Kondensator C'in Fig. 13 dient demselben Zweck wie der Kondensator Cin Fig. 11 und trägt darüber hinaus zur Rauschfestigkeit bei. Bei der Komparatorschaltung gemäß F i g. 12 wird die zu vergleichende Spannung V1 an den nichtinvertierenden Eingang des ersten Verstärkers und an den invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers gelegt. Bei einer solchen Anordnung kann auf einen besonderen Inverter verzichtet werden.

Die Schalung gemäß Fig. 14 ist eine Abänderung der Schaltung gemäß Fig. 12. In Fig. 15 ist eine Schaltung dargertellt, bei der nur zwei Operationsverstärker benutzt wenden. Die zu vergleichende Spannung wird an den nichtinvertierenden Eingang der Verstärker gelegt und die Bezugsspannung an den invertierenden Eingang eines jeden Verstärkers. Beide Verstärker arbeiten mit positiver Gegenkopplung. Alternativ kann die Spannung Vi auch an den invertierenden Eingang jedes Verstärkers gelegt werden und die Bezugsspannung an den nichtinvertierenden Eingang jedes Verstärkers. Durch Einstellen der Potentiometer Vh,, und Vh\ können der Hystereseabstand VHo und V«, eingestellt werden.

In Fig. 16 ist ein ausführlicher Schaltplan für die Schaltung gemäß Fig. 10 dargestellt. Die Widerstände sind in Ohm bzw. bei Zahlen mit einem k in Kiloohm angegeben.

In Fig. 17 ist ein Spannungskomparator dargestellt, der aus konventionellen Schmitt-Triggern zusammengesetzt ist. Ein spannungsbegrenzender Transistorschalter Ti ist zwischen den Schmitt-Triggern eingebaut, wie es aus den Zeichnungen hervorgeht. Das Ein- und Ausschalten des Transistors Tl wird durch die Spannungen an seiner Basis gesteuert wobei der durch den Transistor T\ geleitete Strom durch den Widerstand Vho begrenzt wird. Die Funktion dieses Widerstandes entspricht jener in Fig. 10. Durch Verändern des Stromes durch den Transistor Π verändert sich auch die Spannung am Widerstand Vhs, wodurch der Hystereseabstand des Komparators verändert werden kann.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 17 kann die Bezugsspannung beispielsweise an die gemeinsamen Emitterleitungen der Schmitt-Trigger gelegt werden. Die Bezugsspannung kann aber auch an andere Punkte der Schaltung angelegt werden, was Fachleuten hinlänglich bekannt ist Als Bezugsspannung kann eine interne, vom Schaltkreis selbst erzeugte Spannung benutzt werden. Wenn beispielsweise der Komparatorschaltung gemäß Fig. 17 ein Differentialverstärker vorausgeht, kann als Eingangsspannung Vjv eine Spannung benutzt werden, die aus der Spannung V₁ abzüglich der Referenzspannung Vorgebildet ist

In Fig. 18 ist eine überprüfte Schaltung dargestellt Die Schaltung ist ähnlich der in Fig. 17, jedoch mit der Ausnahme, daß hier zwei Emitterfolger Π und T4 hinzugefügt sind, deren Koüektorspannungen null Volt betragen oder negativ sind, was zu einer höheren

Eingangsimpedanz bei Signalen mit hoher Amplitude führt. Die Schaltung arbeitet ais Nulldurchgangsdetektor, d.h. der Hysterestabstand ist mit Hilfe des Potentiometers Vn₀ auf null einstellbar.

In Fig. 19 ist eine Schaltung dargestellt, die jener in Fig. 16 entspricht Die Schaltung gemäß F;g. 19 hat TTL-Ausgangspegel, welche demgemäß zwischen null und -i-5 Volt liegen. Ein invertierender Verstärker 3a ist innerhalb des gestrichelten Kastens dargestellt, welcher am Kollektor von 7"2 einen Verstärkungsfaktor von — 1 aufweist und das Ausgangssignal vom Komparator 1 invertiert Um die Einflüsse einer schwankenden Versorgungsspannung zu minimieren, ist ein Verstärker aus den Transistoren T3 und TA, ähnlich dem Verstärker 3a, vorgesehen, welcher die Versorgungsspannung von +5VoIt auf — 5 Volt im Punkt c invertiert Diese Spannung wird zur Pegelumschaltung benutzt

Der invertierende Verstärker 3a in F i g. 19 kann

durch einen Transistorschalter ersetzt werden, wie er in dem gestrichelten Rechteck 3b auf der rechten Seite in Fig. 19 dargestellt ist

In den Ausführungsformen gemäß Fig. 10 bis 19 wurde der Einfachheit halber vorausgesetzt, daß die Bezugsspannung V_rer= 0 Volt beträgt Falls die Bezugsspannung jedoch von null verschieden ist, ist an einem Eingang eines oder beider Verstärker 1 oder 2 ein Spannungsteiler vorzusehen, um eine Spannungsteilung der Eingangsspannung jedes Verstärkers zu erreichen, wobei die Spannungsteilung für beide Verstärker gleich seinmuß.IndenFig.20und21, welche den F i g. 10 und 15 entsprechen, ist eine solche Spannungsteilung vorgesehen, wobei zusätzlich der Widerstand RO in F i g. 20 und r'und R' erforderlich sind. In F i g. 20 wird dabei nur die Spannung V_ref geteilt, wobei eine ähnliche Teilung von Vi an den invertierenden Eingängen möglich ist. Bei Fig.21 wird Vl und V_rcr in gleicher Weise geteilt.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Spannungskomparator mit mindestens einem ersten und einem zweiten Verstärker-Schaltkreis, Eingängen zum Anschluß jedes Verstärkereingangs an ein Eingangssignal entsprechend der Differenz zwischen der zu vergleichenden und der Bezugsspannung, und einer zwischen dem Ausgang des ersten und dem Eingang des zweiten Verstärker-Schaltkreises angeordneten Einrichtung zum Verschieben des Schwellwertes, durch die die Größe des Schwellwertes des zweiten Verstärker-Schaltkreises in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des ersten Verstärker-Schaltkreises beeinflußt wird, wobei das Ausgangssignal des zweiten Verstärker-Schaltkreises das Ausgangssignal des Spannungskomparators ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Vorstärker-Schaltkreis (F], F₂, 1, 2) mit einer positiven Rückkopplung für bistabile Wirkungsweise ausgestattet ist, und daß der Ausgang der la Einrichtung (3,5) zum Verschieben des Schwellwertes mit dem positiven Rückkopplungssignal des zweiten Verstärker-Schaltkreises (F2,2) vereinigt ist.

2. Spannungskomparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verschieben des Schwellwertes einen dritten Verstärker-Schaltkreis (3,5) aufweist.

3. Spannungskomparator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Verstärker-Schaltkreis invertierend ausgebildet ist.

4. Spannungskomparator nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verschieben des Schwellwertes Widerstände aufweist (Fig.4a, 8, 10-17).

5. Spannungskomparator nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verschieben des Schwellwertes (3, 5) mit einem nicht-ivertierenden Eingang des zweiten Verstärker-Schaltkreises verbunden ist (Fig.4a, 8, 10—14, 16).

6. Spannungskomparator nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verschieben des Schwellwertes mit einem invertierenden Eingang des zweiten Verstärker-Schaltkreises verbunden ist (F i g. 15,17).

7. Spannungskomparator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vergleichende Spannung an die Eingänge des ersten und zweiten Verstärker-Schaltkreises herangeführt ist, um diese beiden Verstärker-Schaltkreise in übereinstimmender Weise anzusprechen, nämlich entweder beide invertierend oder beide nichtinvertierend (F i g. 4a, 8, 10,11,15-17).

8. Spannungskomparator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vergleichende Spannung an die Eingänge des ersten und zweiten Verstärker-Schaltkreises herangeführt ist, um diese beiden Verstärker-Schaltkreise in verschiedener Weise anzusprechen, nämlich einen Verstärker-Schaltkreis invertierend und den anderen Verstärker-Schaltkreis nicht-invertierend (F i g. 12— i4).

9. Spannungskomparator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Verstärker-Schaltkreis einen Schaltkreis mit begrenzten Ausgangspegeln bildet (F i g. 4a, 11,13,17).

10. Spannungskomparator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Verstärker-Schaltkreis einen Liniearverstärker ist (Fig.4a, 8, 10,16).

11. Spannungskomparator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Verstärker-Schaltkreis ein Spannungskomparator ist (F i g. 5).

12. Spannungskomparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Verschieben des Pegels Kapazitäten zum Verzögern der Schwellwertverschiebung, die mit dem Eingang des zweiten Verstärker-Schaltkreises verbunden ist, aufweist

13. Spannungskomparator nach einem der 1 — 12, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang Spannungsteilervorgesehen sind.

14. Spannungskomparator nach einem der 1 — 13 dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang Tiefpaßfilter (C) zur weiteren Rauschunterdrückung angeordnet sind (F ig. 13).