Двопороговий компаратор

Винахід належить до інформаційно-вимірювальної техніки та систем (вузлів) автоматичного регулювання (керування), у яких застосовуються датчики регульованого параметру зі струмовим виходом, у тому числі фотодіоди, і може бути використаний для створення оптоелектронних обчислювальних пристроїв неперервної логіки та порогових нейронних елементів. Відомий двопороговий компаратор [Титце У. и др. Полупроводниковая схемотехника. Μ.: Мир. 1982, с.288], до складу якого входять два компаратори на операційних підсилювачах, виходи яких з'єднані зі входами логічного елемента, який виконує функцію I-НІ. Вхідні сигнали подаються на неінвертуючий вхід першого компаратора та на інвертуючий вхід др угого компаратора. Напруга нижнього порогу подається на інвертуючий вхід першого компаратора. Напруга верхнього порогу подається на неінвертуючий вхід другого компаратора. На виході логічного елемента, який є виходом двопорогового компаратора, виділяється рівень логічного нуля, якщо вхідний сигнал знаходиться в області між нижнім і верхнім порогами компараторів, і рівень логічної одиниці у всі х інши х випадках. Недоліками цього двопорогового компаратора є те, що: - двопороговий компаратор працює тільки при умові, що на вхід першого компаратора подається напруга нижча, ніж напруга, яка подається на вхід другого компаратора; - для роботи двопорогового компаратора необхідна також наявність джерела напруги негативної (від'ємної) полярності (для живлення операційних підсилювачів). Найбільш близьким до пристрою, що заявляється, є двопороговий компаратор [авторське свідоцтво СРСР №1723663, кл. Η03К5/24, G05В1/01], до складу якого входять два компаратори, два діоди, п'ять резисторів, два ланцюжки зміщуючи х діодів, які виконують роль опорних напруг (струмів) компараторів та логічний елемент. Порогові значення регульованого параметру у прототипі можна змінювати дискретно з кроком, рівним падінню напруги на діоді (0.6В) шляхом зміни кількості зміщуючих діодів у кожному ланцюжку. Недоліками цього двопорогового компаратора є те, що: - двопороговий компаратор працює тільки при умові, що на вхід першого компаратора подається напруга вища, ніж напруга, яка подається на вхід другого компаратора; - у двопорогового компаратора відсутня можливість неперервно (безперервно) змінювати порогові значення регульованого параметру з довільною точністю у всьому робочому діапазоні змін регульованого параметру. В основу винаходу поставлена задача створення двопорогового компаратора, який забезпечує можливість неперервно (безперервно) змінювати порогові значення регульованого параметру з довільною точністю у всьому робочому діапазоні змін регульованого параметру та можливість подачі опорного струму більшої величини як на опорний вхід першого компаратора, так і на опорний вхід другого компаратора (за умови подачі опорного струму меншої величини на опорний вхід іншого компаратора). Вказана задача досягається тим, що у відомий двопороговий компаратор, який містить перший і другий компаратори з потенціальним виходом та логічний елемент, вихід якого є виходом пристрою, додатково введені генератор (джерело, датчик - далі генератор) вхідного стр уму, віддзеркалювач вхідного струму з двома виходами, перший і другий генератори опорного струму, причому генератор вхідного стр уму підключений до входу віддзеркалювача вхідного стр уму, перший вихід якого підключений до сигнального входу першого компаратора, а другий ви хід підключений до сигнального входу др угого компаратора, перший генератор опорного струму підключений до опорного входу першого компаратора, другий генератор опорного струму підключений до опорного входу др угого компаратора, вихід першого компаратора підключений до першого входу логічного елемента, а вихід др угого компаратора підключений до другого входу логічного елемента. Крім того, віддзеркалювач вхідного струму з двома виходами виконаний на трьох n-канальних МДНтранзисторах, затвори яких з'єднані зі входом віддзеркалювача і зі стоком вхідного транзистора, загальний провід віддзеркалювана підключений до загальної шини і до витоків трьох транзисторів, а стоки вихідних транзисторів підключені відповідно до першого і до другого ви ходів віддзеркалювача. Крім того, перший і другий компаратори з потенціальним виходом виконані на двох віддзеркалювачах з одним виходом, причому перший віддзеркалювач з одним виходом виконаний на двох n-канальних МДНтранзисторах, затвори яких з'єднані зі входом віддзеркалювача, який є опорним входом компаратора, і зі стоком вхідного транзистора, загальний провід віддзеркалювача підключений до загальної шини і до витоків двох транзисторів, а сток вихідного транзистора підключений відповідно до виходу віддзеркалювача, причому другий віддзеркалювач з одним виходом виконаний на двох р-канальних МДН-транзисторах, затвори яких з'єднані зі входом віддзеркалювача, який є сигнальним входом компаратора, і зі стоком вхідного транзистора, загальний провід віддзеркалювача підключений до шини живлення і до витоків двох транзисторів, а стік вихідного транзистора підключений до виходу віддзеркалювача, причому з'єднані виходи першого і другого віддзеркалювачів утворюють потенціальний вихід компаратора. Крім того, генератор вхідного струму виконаний як фотодіод, підключений катодом до шини живлення, а анодом до входу віддзеркалювача вхідного струму. Крім того, генератор вхідного струму та перший і другий генератори опорного струму виконані як фотодіоди, підключені катодами до шини живлення, а анодами відповідно до входу віддзеркалювача вхідного струму, до опорного входу першого компаратора і до опорного входу другого компаратора. Крім того, логічний елемент виконує функцію «складання за модулем 2». Розглянемо основний технічний результат і доведемо, що поставлена задача досягнута. Отримана можливість неперервно (безперервно) змінювати порогові значення регульованого параметру з довільною точністю у всьому робочому діапазоні змін регульованого параметру та можливість подачі опорного струму більшої величини як на опорний вхід першого компаратора, так і на опорний вхід др угого компаратора. Те, що поставлена задача вирішується всією сукупністю ознак винаходу, доведено розкриттям принципу роботи та результатами моделювання. Те, що наявність нових ознак винаходу є причиною появи нових властивостей об'єкту винаходу, очевидно при порівнянні винаходу з прототипом та з аналогом. Адже тільки завдяки застосуванню першого і другого генераторів опорного струму та виконанню першого і другого компараторів на двох віддзеркалювачах, з'єднані виходи яких утворюють потенціальний вихід компаратора, отримана можливість неперервно (безперервно) змінювати порогові значення регульованого параметру з довільною точністю у всьому робочому діапазоні змін регульованого параметру та можливість подачі опорного струму більшої величини як на опорний вхід першого компаратора, так і на опорний вхід другого компаратора. Таким чином, отриманий технічний результат доводить вирішення поставленої задачі. Суть винаходу пояснюється кресленням. На кресленні Фіг.1 зображена електрична схема двопорогового компаратора. До складу пристрою входять сім функціональних вузлів: перший 1 і другий 2 компаратори з потенціальним виходом логічний елемент 3, вихід якого є виходом 4 пристрою, генератор 5 вхідного струму, віддзеркалювач 6 вхідного струму з двома виходами, перший 7 і другий 8 генератори опорного струму. Перший компаратор 1 виконаний на двох віддзеркалювачах з одним виходом, причому перший віддзеркалювач з одним виходом виконаний на двох п-канальних МДН-транзисторах 9 і 10, затвори яких з'єднані зі входом віддзеркалювача, який є опорним входом компаратора, і зі стоком вхідного транзистора 9, загальний провід віддзеркалювача підключений до загальної шини і до витоків транзисторів 9 і 10, а сток вихідного транзистора 10 підключений відповідно до виходу віддзеркалювача, причому другий віддзеркалювач з одним виходом виконаний на двох р-канальних МДН-транзисторах 11 і 12, затвори яких з'єднані зі входом віддзеркалювача, який є сигнальним входом компаратора, і зі стоком вхідного транзистора 11, загальний провід віддзеркалювана підключений до шини живлення і до витоків транзисторів 11 і 12, а стік вихідного транзистора 12 підключений до виходу віддзеркалювана, причому з'єднані виходи першого і другого віддзеркалювачів утворюють потенціальний вихід 13 компаратора 1. Другий компаратор 2 виконаний на двох віддзеркалювачах з одним виходом, причому перший віддзеркалювач з одним виходом виконаний на двох n-канальних МДН-транзисторах 14 і 15, затвори яких з'єднані зі входом віддзеркалювача, який є опорним входом компаратора, і зі стоком вхідного транзистора 14, загальний провід віддзеркалювача підключений до загальної шини і до витоків транзисторів 14 і 15, а сток вихідного транзистора 15 підключений до виходу віддзеркалювача, причому другий віддзеркалювач з одним виходом виконаний на двох р-канальних МДН-транзисторах 16 і 17, затвори яких з'єднані зі входом віддзеркалювача, який є сигнальним входом компаратора, і зі стоком вхідного транзистора 16, загальний провід віддзеркалювача підключений до шини живлення і до витоків транзисторів 16 і 17, а стік вихідного транзистора 17 підключений до виходу віддзеркалювача, причому з'єднані виходи першого і до другого віддзеркалювачів утворюють потенціальний вихід 18 компаратора 2. Логічний елемент 3 виконує функцію «складання за модулем 2» і є загальновідомим вузлом. Генератор 5 вхідного струму є загальновідомим вузлом. Віддзеркалювач 6 вхідного струму з двома виходами, виконаний на трьох n-канальних МДН-транзисторах 19, 20 і 21, затвори яких з'єднані зі входом віддзеркалювача і зі стоком вхідного транзистора 19, загальний провід віддзеркалювача підключений до загальної шини і до витоків транзисторів 19, 20 і 21, а стоки вихідних транзисторів 20 і 21 підключені відповідно до першого і до другого ви ходів віддзеркалювача 6. Перший 7 і другий 8 генератори опорного струму є загальновідомими вузлами. Генератор 5 вхідного струму підключений до входу віддзеркалювача 6 вхідного струму. Перший генератор 7 опорного струму підключений до опорного входу першого компаратора 1. Другий генератор 8 опорного струму підключений до опорного входу др угого компаратора 2. Перший вихід віддзеркалювача 6 вхідного струму підключений до сигнального входу першого компаратора 1, а другий ви хід віддзеркалювача 6 вхідного стр уму підключений до сигнального входу др угого компаратора 2. Вихід 13 першого компаратора 1 підключений до першого входу логічного елемента 3, а вихід 18 другого компаратора 2 підключений до другого входу логічного елемента 3. Принцип роботи пристрою розглянемо для його варіанту, визначеному у п унктах 1, 2, 3, 4, 6, коли генератор вхідного струму виконаний як фотодіод. Фотодіод, який є датчиком потужності світлового потоку у місці його контролю, генерує фотостр ум, величина якого пропорціональна величині потужності світлового потоку, який падає на фотодіод у місці контролю світлового потоку. Фотострум фотодіода є вхідним струмом віддзеркалювача 6 і віддзеркалюється ним на виходах віддзеркалювача, тобто величина вихідного струм у на обох ви хода х віддзеркалювача за величиною рівна вхідному стр уму віддзеркалювача (струму фотодіода). Нехай перший генератор опорного струму генерує стр ум, величина якого рівна величині струму фотодіода при мінімально допустимій потужності світлового потоку у місці його контролю. Нехай другий генератор опорного струму генерує струм, величина якого рівна величині фотоструму фотодіода при максимально допустимій потужності світлового потоку у місці його контролю. Нехай фотострум фо тодіода починає збільшуватись від нуля і вище. До того часу, коли фотострум фотодіода буде меншим, ніж струм першого генератора опорного струму, на потенціальних виходах 13 і 18 першого і другого компараторів будуть низькі (нульові логічні) рівні напруги, бо вони визначаються більшими за сигнальні опорними струмами (вхідними струмами). Коли фотострум фотодіода перевищить струм першого генератора опорного струму, на потенціальному виході 13 першого компаратора стане високий (одиничний логічний) рівень напруги. На потенціальному виході 18 другого компаратора змін не буде, бо вхідний струм другого компаратора менший його опорного струму. Такий стан обох компараторів буде зберігатись до того часу, коли фотостр ум фотодіода стане рівним струму другого генератора опорного струму. Коли фотостр ум фотодіода перевищить струм другого генератора опорного струму, на потенціальному виході 18 друго го компаратора стане високий (одиничний логічний) рівень напруги На потенціальному ви ході 13 першого компаратора буде зберігатись високий (одиничний логічний) рівень напруги. Аналогічно пристрій працює і тоді, коли перший генератор опорного струму генерує струм, величина якого рівна величині фотостр уму фотодіода при максимально допустимій потужності світлового потоку у місці його контролю, а другий генератор опорного струму генерує стр ум, величина якого рівна величині струму фотодіода при мінімально допустимій потужності світлового потоку у місці його контролю. В обох випадках на виході 4 пристрою буде сигнал одиничний логічний, якщо фотостр ум перевищить струм першого генератора опорного струму і буде меншим струму др угого генератора опорного струму, та нульовий логічний при інших співвідношеннях сигнального і опорних струмів. Аналогічно пристрій працює також в інших випадках, коли датчик регульованого параметру має струмовий вихід. Можливість здійснення винаходу очевидна для фахівців і підтверджується моделюванням, результати якого наведені на Фіг.2 та Фіг.3. Моделювання параметрів компаратора на n-канальних МДН-транзисторах та на р-канальних МДНтранзисторах, виконаних за технологією AMI 1,5мкм дало такі результати: - діапазон вхідних (робочих) стр умів від 100нА до 100мкА; - чутливість (різниця сигнального та опорного струмів, яка змінює рівень напруги на потенціальному виході компаратора з низького на високий чи навпаки) становить 0,6нА при струмі порогу 100нА і 0,4мкА при струмі порогу 100мкА; - падіння напруги на вихідних транзисторах компаратора не перевищує 0,3В при струмі 100мкА, що дає можливість підключати безпосередньо до виходів компаратора цифрові мікросхеми логічного елемента. На Фіг.2 наведена часова діаграма роботи двопорогового компаратора, з якої видно, що при значенні вхідного стуму, що лежить між порогами обох компараторів (перший поріг 12=30мкА, др угий поріг 13=60мкА), напруга на виході пристрою 3В, що відповідає рівню логічної одиниці. В інших випадках на виході пристрою є напруга логічного нуля. На Фіг.3 показана зміна стану пристрою при змінах значень вхідного струму в межах 0-100мкА, та значеннях порогів як на Фіг.2 (перший поріг 12=30мкА, другий поріг 13=60мкА).