Схемотехника: Типовая схема Супервизора питания (детектор пониженного напряжения). Методика расчёта [2015.03.24]

Полезна ли эта статья? Однако, меня заворожила красота математических выкладок и пришедших идей. Поэтому захотел её опредметить…

(Примечание: картинки в статье кликабельны и ведут на увеличенное изображение.)

Вступление


Определение: Супервизор — это микросхема детектор пониженного напряжения, для защиты схемы/устройства от некачественного питания (по англ. «Undervoltage Protection», «Undervoltage Sensing Circuit», «Supply Voltage Supervisor» и т.п.)

Читая даташиты на Супервизоры, и рассматривая функциональные схемы — заметил, что реализация встроенных компараторов напряжений различается:
  1. Некоторые схемы основаны на классической конфигурации, когда эталонный Источник Опорного Напряжения (ИОН) подключается Анодом к Земле и подпирает один из входов Компаратора — это, ИМХО, более естественно и привычно.
    Обычно, в такой схеме, ИОН подпирает инверсный вход (-), тогда при снижении напряжения питания ниже Порога — выход компаратора переключается в состояние «лог.0», что значит: «ошибка» или «нет питания»… (см. схему «Рис.2»)
  2. Но как ни странно, большинство Супервизоров общего назначения реализованы на перевёрнутой конфигурации: когда ИОН подключается как-то хитро… Катодом к шине Питания… Запутанная схема — вызвала желание разобраться… (см. схему «Рис.1»)
А впоследствии, ещё возник вопрос: какой из двух подходов эффективнее? Я тогда искал схемотехническое решение для собственной реализации Супервизора, на дискретных компонентах…

Таким образом, в этой статье представлен разбор принципа работы двух схем. Методика расчёта обвязки компаратора, для обоих схем. И мои рекомендации, какая из двух схем лучше.

1. Типовая схема Супервизора «Рис.1»


По этой схеме выполнены микросхемы Супервизоров: KIA70xx Series; PST529 Series; отечественные серии К1171СП2хх, К1274хх... То есть, здесь, большинство простейших универсальных трехвыводных супервизоров питания общего назначения.

Рис.1 — Типовая схема Супервизора:
Рис.1 - Типовая схема Супервизора

Пояснение работы схемы

На компаратор поступает два напряжения, формируемые:
(1) каскадом со стабилитроном = Vcc — dUстаб. (фиксированная аддитивная добавка)
(2) резистивным делителем = Vcc * R2/(R1+R2) (пропорциональная часть)

Изначально: (1)>(2), компаратор выдаёт «лог.0» на выходе.

При уменьшении Vcc, пропорциональная часть (2) от Vcc — уменьшается медленнее, чем целое Vcc (1)… В конце концов, потенциал (1) нагонит и сравняется с (2).

Смещение dUстаб. не влияет на скорость схождения — это лишь небольшая фора для (1), чтобы успеть нагнать напряжение (2), которое стартует при изначально более «выгодных» условиях {Упрощённо: если напряжение (1) бежит аж от Vcc до 0V, то напряжение (2) бежит от Vcc*R2/(R1+R2) до 0V...} Хотя, скорость снижения напряжения (1) быстрее. Однако, если бы не было смещения dUстаб., то (1) никогда бы не догнал (2), но они бы лишь сравнялись только в точке =0V.

Практически, процессы можно проиллюстрировать графиком «Рис.3», который облегчает настройку параметров системы и делает вещи более очевидными.
Точка равенства напряжений (1)=(2): Uпорог-dUстаб. = Uпорог*R2/(R1+R2)

Рис.3 — Точка переключения компаратора:
Рис.3 - Точка переключения компаратора

Примечание: Для универсальности, далее в расчётах и по тексту, будем обозначать смещение и Стабилитрона, и ИОНа одинаково: dUстаб. (номинал стабилитрона) = Uref (номинал ИОН). По сути, это одно и тоже, тождественно...

Расчёт схемы

Пусть, требуется Uпорог=3.2V

Номинал стабилитрона: Uref=3/4*Uпорог=2.4V (меньше не бывает, и в рекомендуемый диапазон попадает)
Стабилитрон BZV55-B/C2V4 имеет ток утечки Irmax=50uA.
Следовательно, в него надо загонять ток на порядок больше >500uA.
Следовательно, номинал токоограничивающего резистора должен быть менее R3 < (Uпорог-Uref)/500uA=1600R, т.е. R3=1.5k

Компаратор должен иметь «Выход с открытым коллектором»…
В модели использован Идеальный компаратор (для безглючности симуляции и чётких графиков), но входные каскады рассчитаем, для примера, на реальные компараторы общего назначения:
LMx39 (4шт. Компаратора, Питание single +2..36V, или dual +-1..18V)
у него, средний входной ток: «Input Bias Current Max.» = 250nA
плюс, для верности, дифференциал между входами: «Input Offset Current Max.» = 50nA

LMx93 (2шт. Компаратора, Питание single +2..36V, или dual +-1..18V)
у него, средний входной ток: «Input Bias Current Max.» = 500nA
плюс, для верности, дифференциал между входами: «Input Offset Current Max.» = 200nA
(хм, этот — вообще, так себе...)
Предположим, реальная схема будет построена на компараторе «LMx39». Максимальный ток по входу, при самых неблагоприятных условиях, будет = «Input Bias Current Max.» + «Input Offset Current Max.» = 300nA
Следовательно, через резистивный делитель должен протекать ток, как минимум, на порядок больше >3uA. Тогда, сумма номиналов резисторов должна быть, как минимум, меньше: (R1+R2) < Uпорог/3uA=1M
Хотя, для точности — желательно, конечно, чтобы через резистивный делитель протекал ток на два порядка больше >30uA. Тогда, сумма номиналов резисторов должна быть меньше: (R1+R2) < Uпорог/30uA=100k…
Но при таком грубоватом компараторе (со значительными утечками) — мы не будем гнаться за идеальной схемотехникой. Тем более, что «типичные» токи утечки ожидаются на порядок меньше, чем «максимальные»… Поэтому, здесь, рекомендую рассчитывать на границу: (R1+R2)<1M

Второе уравнение системы, для расчёта резисторов:
(Uпорог-Uref)=Uпорог*R2/(R1+R2) или
R2/R1=(Uпорог/Uref-1)
а учитывая, что у нас Uref=3/4*Uпорог:
R1=3*R2.
Решив систему уравнений, получаем номиналы: R1=150k, R2=51k…
Окончательную подстройку границы срабатывания производим экспериментально…

2. Классическая схема Супервизора «Рис.2»


По этой схеме выполнены микросхемы Супервизоров: ADM705, ADM706, ADM707, ADM708; TLC7701, TLC7725, TLC7703, TLC7733, TLC7705; и возможно, MN1280x, MN1281x... Это всё сложные специализированные супервизоры питания для микропроцессоров, с кучей дополнительных функций. Диапазон питания у данных супервизоров ограничен максимумом 6-7V. А компаратор напряжений, выполненный по «классической схеме», присутствует в них отдельным функциональным узлом.
Но сюда же попадают и простейшие супервизоры общего назначения: MC34064, MC33064...

Рис.2 — Классическая схема Супервизора:
Рис.2 - Классическая схема Супервизора

Расчёт схемы

Первая часть расчётов — абсолютно такая же, как и для схемы «Рис.1» — можно не смотреть…
Различия проявляются только во второй части расчётов. Причём, заметьте: полученные номиналы для R1 и R2 — абсолютно те же, что и для схемы «Рис.1», но взаимообратные, т.к. схема симметрична!


Второе уравнение системы, для расчёта резисторов:
Uref=Uпорог*R2/(R1+R2) или
R1/R2=(Uпорог/Uref-1)
а учитывая, что у нас Uref=3/4*Uпорог:
R2=3*R1.
Решив систему уравнений, получаем номиналы: R1=51k, R2=150k…
Окончательную подстройку границы срабатывания производим экспериментально…

3. Сравнение схем


Предыдущая схема «Рис.1», поначалу, меня очень удивляла: странно, почему Диод Зеннера в верхнем плече (это же источник опорного напряжения — обычно, его ставят от Земли до некоторого порога Uref)? Да ещё и выходы компаратора пришлось менять местами, для требуемой логики переключения (схема «Рис.1» выглядит перевёрнутой)?
Классическая схема «Рис.2» — прямая и ясная: здесь, чётко виден уровень Vref; делитель входного (тестового) напряжения Vtest… Диод Зеннера (или ИОН) задаёт эталонное опорное напряжение, равное части Uпорогового…

Так зачем же путать себя (и природу), выдумывая хитрости конфигурации «Рис.1»?
Догадываюсь: возможно, схема «Рис.2» хоть и проще/понятнее, но менее технологична для настройки и изготовления? У производителей свои причины…

По схемотехнике и принципиальной возможности для реализации — разницы нет, куда ставить Стабилитрон/ИОН, в верхнее плечо или в нижнее. Реализовать ИОН «от верхнего уровня» плавающего Питания (VCC) — столь же просто, в схемотехническом плане, как и «от нижнего уровня» фиксированной Земли (GND).
Если задействуется простой Стабилитрон — там напряжение смещения формируется чисто физическими процессами PN-перехода, а не хитрой схемой ИОН — нет схемотехнических изысков, которые нужно упорядочивать… Однако, микросхемы ИОН имеют столь же простое подключение к схеме: имеют выводы условно именуемые «Анод» и «Катод». А «универсальные микросхемы» имеют ещё вывод обратной связи «ADJ» или «FB», для подстройки порогового номинала внешним резистивным делителем (вместо встроенного и фиксированного), но от своих же выводов «Анод» и «Катод»...

Что лучше: Типовая схема «Рис.1» или Классическая «Рис.2»?

В чём эффективная разница между схемами «Рис.1» и «Рис.2»?
При медленно изменяющихся входных сигналах — эти схемы одинаково эффективны, поскольку наклон графиков нивелируется… Но на больших частотах — это имеет значение!
  1. Ведь, что такое наклон прямой графика? Это изменяющееся входное напряжение.
  2. А что означает «изменение входного напряжения» — это перетекание зарядов, переходные процессы.
  3. А переходные процессы — конечны во времени! Следовательно, имеют место «гонки сигналов».
  4. А гонки сигналов — нарушают стабильность характеристик переключения Компаратора...
Т.е. Классическая схема «Рис.2», где уровень Uref (один из входных напряжений на Компаратор) фиксирован во времени — теоретически, более стабильная. Кроме того, схема «Рис.2» чуток проще рассчитывается… Поэтому, для дальнейшего продвижения и воспроизводства я бы рекомендовал идею «Рис.2»

Однако, Vga обратил внимание на важный параметр Компараторов и ОУ: «Input Common Mode Voltage Range» (в datasheet обозначается как: Vicm или Vcmr), учёт которого разительно меняет всю картину:
Vga : при использовании LM358 или LM393 лучше поставить стабилитрон сверху, т.к. допустимый уровень сигнала на входах этих микросхем — 0V..Vcc-1.5V, т.е. при опоре в 2.4В снизу питание требуется не менее 4В. При стабилитроне сверху будет работать от 3В (ограничение самого LM358).

Действительно, «допустимые уровни входных сигналов» — для большинства Компараторов и ОУ (исключая «Rail-to-Rail»), специфицируется как:
  • Vicm = [0… Vcc-1.5V], при температуре +25°C
  • Vicm = [0… Vcc-2.0V], во всём температурном диапазоне
А те микросхемы, что не поддерживают входные сигналы до самого нуля — как правило, ассиметрично ближе к нулю, например: [Vss+0.5V… Vdd-1.5V]. Такова тенденция…

Отдельного слова заслуживают элементы «Rail-to-Rail». Современная элементная база развивается по направлению к низковольтной и малотоковой электронике — микросхем «Rail-to-Rail» выпускается всё больше… Я не сильно искал. Потому, мне встретились только два экземпляра, поддерживающих полный диапазон входных напряжений (но их, конечно же, больше):
  • Компаратор серии «MCP6541,1R,1U,2,3,4» имеет: «Input Voltage Range» Vcmr = [Vss-0.3V… Vdd+0.3V]
  • Линейный ОУ серии «MCP6001/2/4» — также, специфицирует: «Common Mode Input Range» Vcmr = [Vss-0.3V… Vdd+0.3V] (и обещает полный «Rail-to-Rail Input/Output»)
Компоненты из категории «Rail-to-Rail» («от шины до шины») — имеется в виду способность принимать на вход или выдавать на выход напряжения «от уровня Земля до уровня Питания»… Кстати, замечу: спецификации на вход и на выход ОУ различаются — и далеко не все ОУ, способные выдавать «Rail-to-Rail» напряжения на выход, поддерживают также и полный диапазон входного напряжения!
  • Вот, например, ОУ серии «MCP601/1R/2/3/4» специфицирует: «Common Mode Input Range» Vcmr = [Vss–0.3V… Vdd–1.2V] (т.е. обещают лишь «Input Range Includes Ground»)...
В принципе, при использовании «Rail-to-Rail Input» компараторов — уже не играет роли какую схему использовать для Супервизора: Типовую «Рис.1» или Классическую «Рис.2». Но следует учитывать, что элементы «Rail-to-Rail» — как правило, низковольтные и дороже обычных (что тоже немаловажно), их ассортимент и доступность более ограничены. Поэтому, в общем случае, не следует на них особо рассчитывать…

Таким образом, абсолютное большинство существующих Компараторов/ОУ (и все традиционные, схемотехника которых рассчитана на широкий диапазон напряжений питания +2..36V) — очень плохо переносят высокие входные напряжения (приближённые к питанию). Хотя, при этом, зачастую хорошо принимают низкие напряжения, вплоть до уровня Земли. Это очень важный аргумент в пользу схемы «Рис.1»!
Наверное, это всё и объясняет: Производители выбирают Типовую схему «Рис.1» для всех простейших Супервизоров — поскольку они предназначены для работы в широком диапазоне напряжений питания, и в особенности для пониженных напряжений (смотри пример на «Рис.5»).

Что лучше: Стабилитрон или ИОН?

Стабилитрон гораздо дешевле и доступнее (везде можно купить)…
Модельный ряд Стабилитронов гораздо шире: существуют Диоды Зеннера на довольно большие номиналы напряжений (до 100-200V)!
В то время как, ИОНы: выпускаются только на малые напряжения (до ~10V), и только для характерных пороговых напряжений (что диктуется технологически).

Однако, для Супервизора большие номиналы напряжений не нужны — чаще требуются малые… И вот тут, ограничение: стабилитроны не бывают на очень малые напряжения! До <2.4V — используются только ИОНы (по технологии Бандгап?)
А ещё, по сравнению с ИОН, Стабилитроны гораздо менее точны (разброс параметров в серии, и температурный дрейф)…

Поэтому, для построения Супервизора — предпочтительнее использовать ИОНы.
Хотя, если не требуется большая точность срабатывания (если у вас не супер мощный микропроцессор с узким диапазоном напряжений питания), и если порог срабатывания схемы не очень мал (выше >4V) — то можно использовать и Стабилитрон, как дешёвую альтернативу.

Зачем нужен выходной транзистор Q1?

Этот вопрос лучше задать иначе: Почему на функциональной схеме Супервизора, в datasheet, после ОУ изображён дополнительный выходной каскад на биполярном транзисторе?
Ответ: Нет там никакого ключа! Это условное графическое изображение (УГО) того факта, что выход Супервизора — с открытым коллектором (англ. «Open collector» or «Open-Drain» Output).

Типовая функциональная схема Супервизора из datasheet

Есть одно важное Функциональное Требование: от Супервизора требуется ВЫХОД С ОТКРЫТЫМ КОЛЛЕКТОРОМ. Ведь, одно из самых традиционных применений Супервизоров — это давить шину RESET к Земле (при некачественном питании)…

Как правило, и для большинства выпускаемых Компараторов это так: выход Компаратора напряжений представляет собой «выход с открытым коллектором»!
Почему именно выход с открытым коллектором? Это лёгкий и доступный, и наверное самый простой, способ обеспечить необходимую универсальность применения Компараторов: совместимость выходов логическим уровням TTL и CMOS. А также, для специфических схем, где требуется открытый коллектор: например, соединять выходы нескольких компараторов по «логике ИЛИ»… или вот, подобно Супервизору, для непосредственного подключения к «Шине с открытым коллектором»…

Но не смотря на то, что Компаратор — это разновидность ОУ… Однако, выходные каскады Операционных усилителей (ОУ) — построены по Двухтактной схеме (как в комплементарной логике), и не являются «выходами с открытым коллектором»!
Поэтому, Операционные усилители (такие как LM324, LM358 и LM741), обычно, не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжений, из-за их биполярных выходов (и низкой скорости). Тем не менее, эти операционные усилители могут быть использованы в качестве компаратора напряжений, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор — для того чтобы воссоздать выход с открытым коллектором… (Приятный бонус: использование внешнего транзистора позволит обеспечить бОльший ток нагрузки, чем у обычного компаратора.)

Операционный Усилитель (ОУ) может быть использован в качестве Компаратора напряжения, если к выходу ОУ подключить диод или транзистор

Поскольку условное графическое изображение (УГО) компараторов и ОУ практически не различаются, то на схемах в datasheet, чтобы подчеркнуть факт «открытого коллектора» — специально дорисовывают дополнительный выходной каскад на биполярном транзисторе (с открытым коллектором)…

Какой номинал «эталонного смещения» выбрать?

Теоретически, можно построить всю серию Супервизоров (весь номинальный ряд от и до [Uпорог_min..Uпорог_max]) на одном единственном ИОН, с фиксированным опорным Uref. Единственное условие, здесь: чтобы опорное напряжение было меньше всех, Uref<Uпорог_min<Uпорог_max.

Сразу забрезжили «розовые перспективы»: Для всей серии, внутри микросхемы, использовать один и тот же Стабилитрон/ИОН — отлаженной схемы, исследованных и фиксированных характеристик. А вся подстройка на требуемый порог (Uпорог) осуществляется только подбором резисторов в делителе R1:R2…
Преимущества: Технологичность производства (повторяемость характеристик изделий с конвейера), Простота проектирования и перенастройки оборудования для разных номиналов серии… Температурная нестабильность параметров одинаковая во всей серии (т.к. схема одна и та же).

Но это теоретически… А так ли это здорово практически?

Disclamer: На самом деле, я конечно не знаю наверняка, как в промышленных интегральных супервизорах — используется ли один и тот же стабилитрон во всей серии? всеми ли производителями?
В зависимости от технологии производства, в микросхеме могут использоваться как простые «стабилитроны в интегральном исполнении», так и некие «схемы ИОН»… И их может быть несколько номиналов на всю серию, для повышения точности и надёжности конечного Супервизора…

Разбор графиков, ниже, показывает: для повышения точности и надёжности конечного Супервизора — на разные поддиапазоны Uпорогового, следует подбирать своё оптимальное эталонное смещение (Uref)…

4. Методические рекомендации по расчёту Компаратора напряжений в схеме Супервизора


Для настройки схемы Супервизора (точнее, его центрального узла: Компаратора) на конкретный порог срабатывания — первым делом, нужно выбрать оптимальный номинал эталонного смещения: Стабилитрон (dUстаб.) или ИОН (Uref)…

Сперва, разберём Типовую схему «Рис.1» — как самую непонятную, и потому, интересную.

Если есть возможность выбирать номинал Стабилитрона/ИОН (а в схеме на дискретных компонентах такая возможность имеется) то, для повышения надежности работы схемы и чёткости настройки: лучше брать Стабилитрон/ИОН номиналом = [1/2*Uпорог… 3/4*Uпорог], чтобы прямые (1) и (2) на графиках «Рис.4»,«Рис.5»,«Рис.6» сходились под как можно более тупым углом!

Вот здесь-то и становится очевидным, почему нельзя построить всю серию Супервизоров на одном ИОН:
  • Если взять большое опорное напряжение — это очень сильно ограничит диапазон пороговых напряжений, на которые можно построить Супервизор — потому что требуется: Uref<Uпорог_min.
  • Но при слишком маленьком опорном, графики (1) и (2) сходятся уже под таким острым углом, что начинает играть очень большую роль чувствительность входов реального Компаратора/ОУ (см. влияние параметров «Input offset voltage» и «Input offset Drift») — пропорционально, набегает очень большая погрешность измерений входного/тестируемого напряжения питания. Например, пусть Vcc упало на -1V, но при делителе R1:R2 в 1000 раз, Vtest упадёт всего на -1mV!..


Рис.4 — Рекомендуемый диапазон выбора dUстаб. для Типовой схемы «Рис.1»:
Рис.4 - Рекомендуемый диапазон выбора dUстаб. для Типовой схемы Рис.1

А теперь, чтобы проверить методику (и себя), рассмотрим самый трудный случай для этой «Типовой схемы» (стабилитрон в верхнем плече): при малом Uпороговом=2V и размахе питания до Vcc_max=16V — замечу, что этот режим достигается и промышленными микросхемами Супервизоров, самыми малыми в серии.

График, ниже, показывает, что углы схождения прямых сохраняются — методика работает… Номинал эталонного смещения, при этом, выбирается из диапазона dUстаб.=[1-1.5V] — конечно, это будет не Стабилитрон (столь малых не существует), но ИОН стандартного номинала 1.25V.

Рис.5 — Пример режима работы при малом Uпор. (самый трудный случай) для Типовой схемы «Рис.1»:
Рис.5 - Пример режима работы при малом Uпор. (самый трудный случай) для Типовой схемы Рис.1

Далее, разберём Классическую схему «Рис.2» — традиционную и понятную, хороший пример для сравнения.

Аналогичный анализ углов схождения графиков для схемы «Рис.2» (классической) показывает, что для повышения надёжности работы схемы и чёткости настройки, рекомендуется использовать Стабилитрон/ИОН с номинальным Uref, также, из диапазона [1/2*Uпорог… 3/4*Uпорог].
И в целом, такая схема выгоднее (стабильнее) — при равных граничных условиях, углы на графике «Рис.6» больше (тупее), чем на графике «Рис.4»… Поэтому, с некоторой натяжкой, допустимо ещё использовать Стабилитрон/ИОН с Uref из диапазона [1/4*Uпорог… 1/2*Uпорог].

Рис.6 — Рекомендуемый диапазон выбора Uref для Классической схемы «Рис.2»:
Рис.6 - Рекомендуемый диапазон выбора Uref для Классической схемы Рис.2

Здесь, в точках пересечения графиков (1) и (2), соблюдается условие: Vref=Uпорог*R2/(R1+R2)

Таким образом, итоговая методика расчёта входного каскада Компаратора напряжений:
  1. Сперва, выбирается «эталонное смещение» (dUстаб. или Uref) как часть от требуемого Uпорогового,
    ближайшим номиналом из диапазона [1/2*Uпорог… 3/4*Uпорог],
    из доступных в наличии Стабилитронов или ИОНов.
  2. Затем, окончательная подстройка точки схождения производится номиналами резисторов R1 и R2.


Примечание к выбору dUстаб. и Uref:
Почему рекомендованы такие ограничения?
Все ОУ плохо работают при входных напряжениях в окрестностях 0V или приближённых к VCC. Поэтому, настоятельно не рекомендуется выбирать точку переключения (напряжение компарации) в верхней или нижней четверти Uпорогового. Т.е. не следует (нельзя) выбирать значение dUстаб./Uref из диапазонов [0… 1/4*Uпорог] && [3/4*Uпорог… Uпорог].

Кроме того, есть и чисто схемотехническое ограничение: Не забывайте о необходимости наличия токоограничивающего резистора R3 (необходимого как Стабилитрону, так и ИОНу). На этом резисторе упадёт ещё очень приличное напряжение! Так что, точка компарации естественно опустится из верхней четверти (для схемы «Рис.2») или поднимется над нижней четвертью (для схемы «Рис.1»)… Слишком уменьшать номинал R3 тоже нельзя — увеличится лишний ток через стабилитрон. (Рекомендации по оптимизации токопотребления схемы — см. в следующем блоке.)

Как следствие, принципиально нельзя отказываться от наличия резистивного делителя R1:R2 по входу компаратора. Не смотря на то, что резисторы вносят дополнительную погрешность измерений, усложняют схему — но точку компарации приходится смещать. Рассмотренные схемы содержат необходимый минимум деталей...


Рекомендации к выбору номиналов токоограничивающих резисторов:
Резисторы каскадов (1) и (2) на входе ОУ следует выбирать максимальных номиналов, чтобы минимизировать нецелевой ток, но так чтобы…
  1. В цепи делителя R1:R2 должен протекать ток, как минимум, на порядок больше (в x10 раз), чем входной ток ОУ (который мал, но ненулевой).
  2. Аналогично, и для тока через каскад со Стабилитроном/ИОНом… Но тут есть ещё и дополнительное условие: ток должен быть на порядок больше, чем «минимальный требуемый схеме стабилизации ток для выхода на режим» — см. в datasheet:
    • для Стабилитрона — это параметр «Max reverse Leakage Current, Ir»;
    • а для ИОН — это параметр «Minimum Operating current, Irmin».
  3. Наконец, если в схеме, после Компаратора, присутствует ещё выходной усиливающе-инвертирующий транзисторный ключ Q1… То базовый резистор этого выходного ключа (ранее обозначавшийся как R4, на первых версиях схем «Рис.1»/«Рис.2») рассчитывается по правилам «Инвертора на биполярном транзисторе» (методика)… Основной тезис здесь: базовый ток должен быть достаточным для уверенного поддержания открытого биполярного транзистора в насыщении, даже при минимальном напряжении питания Vcc_min — это определяет верхнюю границу для номинала R4 (реальный номинал выбирается чуть меньше, но приближённым к границе, чтобы минимизировать нецелевой ток).


Приложение: Улучшение работы Супервизора с помощью ПОС


Рис.7 — ПОС на Компараторе добавляет гистерезис переключения:
Рис.7 - ПОС на Компараторе добавляет гистерезис переключения

Пояснение работы схемы:

Положительная Обратная Связь (ПОС) на Компараторе добавляет гистерезис переключения. (Это как «взрывающийся вертолёт» улучшает любой «экшн» — так и ПОС улучшит любой Супервизор!)

Возьмём за основу Классическую схему, где Стабилитрон подключается от Земли — здесь, к «прямому» входу компаратора подключён каскад резистивного делителя (повезло: гистерезис получится).
Особо замечу, что если бы в схеме к «прямому» входу компаратора подключалась цепочка со Стабилитроном D1, то последний бы нивелировал весь ток через резистор R4, и поддерживал бы уровень Vref неизменным — и никакого гистерезиса не наблюдалось бы, как ни крути!

Силу ПОС — а значит и ширину петли гистерезиса — можно регулировать величиной резистора R4. Номинал R4 рекомендую выбирать на порядок больше, чем (R1+R2)… Можно рассчитать и точно, но предупреждаю, что формулы будут скучные (громоздкие, а толку мало):
Когда выход ОУ в «High» состоянии, то R4 запараллелен с R1 в резистивном делителе (R1||R4):R2.
пусть a=1/(1/R1+1/R4),
тогда Vtest1 = Vcc * R2/(a+R2)

Когда выход ОУ в «Low» состоянии, то R4 запараллелен с R2 в резистивном делителе R1:(R2||R4).
пусть b=1/(1/R2+1/R4),
тогда Vtest2 = Vcc * b/(R1+b)

Итоговая Ширина Гистерезиса: dVtest=|Vtest1-Vtest2|
или dVtest = Vcc * |1/(a/R2+1) — 1/(R1/b+1)|

Таким образом, последняя формула показывает, что величину гистерезиса лучше считать не в абсолютных единицах, а в процентах от Vcc. Кроме того, величина гистерезиса меняется от изменения уровня Vcc (что логично)… Поэтому, нас интересует гистерезис именно в окрестностях порогового значения: Uпорог=3.2V
Например, если подставить текущие схемные номиналы в вышеприведенные формулы, то получим: dVtest=3.7% от VCC, или в абсолютной величине (при VCC=Uпорог) dVtest=0.117V

Только учтите, что данное значение дельты dV — действительно применимо к показателю Vtest (который является малополезным)! Чтобы получить оценку гистерезиса применительно к уровню Vcc, нужно ещё домножить эту дельту пропорционально резистивному делителю: dVcc = dVtest * (R1/R2+1)
Например, если подставить текущие схемные номиналы в вышеприведенные формулы, то получим: dVcc=5% от VCC, или в абсолютной величине для dUпорог=0.16V

Недостатки схемы:

Обратите внимание, что у Компаратора выход «с открытым коллектором» — не обеспечивает стабильность «высокого уровня» напряжения. Уровень «лог.1» обеспечивается схеме внешней подтяжкой выхода к шине Питания (в данном случае: цепью условной нагрузки R5). Однако, если таковая подтяжка слаба, если подтягивающее сопротивление сравнимо с величиной R4 — то будут сильны побочные эффекты:
  • ПОС R4 будет значительно засаживать выходное напряжение!
  • И как следствие, на внешнюю схему (на всю шину к которой подключён выход Супервизора) пойдут очень большие глюки.
  • А также, из-за просадки выходного напряжения — эффективность ПОС тоже будет неконтролируемо уменьшаться (ширина гистерезиса входных сигналов будет сужаться).

Поэтому, предупреждение: внешняя подтяжка выходной шины к Питанию должна быть значительно (пусть на 2 порядка) сильнее, чем ПОС. То есть, при R4=1M, подтяжки R5=100k недостаточно для поддержания выходного уровня. И на графике (кликни на картинку «Рис.7») видна эта просадка уровня «OUT» относительно «VCC»! Требуется уменьшить R5, хотя бы до величины R4/100: R5=10k…

Дополнительная литература


Супервизор

ИОН

Компаратор (ОУ)

Расчёт «Инвертора на биполярном транзисторе» (методика)...

p.s. В приложениях к статье — см. модели предложенных схем в Proteus, и даташиты на микросхемы Супервизоров, ИОН и Компараторов
  • +5
  • 10 апреля 2015, 21:20
  • Celeron
  • 2
Файлы в топике: datasheets.zip, Proteus.zip

Комментарии (20)

RSS свернуть / развернуть
вот как надо делать курсовые
0
Есть пару заведений, где так и делают
0
Именем Диода Зеннннера и Источника Опорного Напряжения; во славу Великого Супервизора!
А что если рассмотреть такую Схему Входной Цепи Компаратора?
0
По поводу этой схемы меня мучают несколько глобальных (в целом теоретических) вопросов, на которые у меня нет ответов:

1/ Чем будет отличаться работа схемы и какова суть проистекающих в ней процессов, если VD1 и R1 поменять местами? Т.е. если этот вариант мы обозначим R1-VD1, R2-VD2. В отличии от исходной комбинации VD1-R1, R2-VD2

2/ И что можно сказать про другие комбинации этой схемы, коих в общем числе 4?
0
если VD1 и R1 поменять местами?
То есть вас интересует такая схема?

Она выдаёт разницу напряжений стабилитронов.
0
А предыдущая что(делает)? :D
0
Может быть, пусть автор (Celeron) проанализирует? Я не осилю так всё расписать по полочкам.
А вообще, всё это варианты мостовой измерительной схемы.
Мост (электротехника)
zpostbox.ru/izmeritelnyi_most.html
В случае нелинейных сопротивлений для анализа удобно воспользоваться графоаналитическим методом.
0
А, понял! Я, как и Celeron, тоже не был киндервудом в школе, но гугель и педевикия помогут старине веллману! Ход моих мыслей (а-ля Celeron) таков:


Електроны бегут от минуса к плюсу, и I1 = I2 + I3, т.е. БОЛЬШИЙ ток I1 течет через ДЕШЕВЫЙ и дубовый резистор, а уже МЕНЬШИЙ ток I2 течет через столь ЦЕННЫЙ прибор, как стабилитрон. :DDDD
+1
Измеритель (гальванометр, вольтметр, компаратор, ОУ) стремяться заполучить с наибольшим сопротивлением чтобы уменьшить влияние измерителя на мост. Считаем, что ток I₃=0, токи I₁=I₂.
0
педевикия помогут старине веллману!

Шутите? Расчет нелинейных разветвленных цепей через «электроны бегут от минуса …»?
А как же там всякие там уравнения Кирхгофа и методы контурных токов?
+1
Если бы Вы такое написали кому другому из здешних обитателей — я очень хорошо представляю их МГНОВЕННУЮ РЕФЛЕКСИЮ: кто-то осклабясь и ехидненько улыбаясь ответил бы, что эти законы ему давно уже знакомы и якобы случайно ляпнул бы еще чего умного/формульного или, опять же якобы случайно, упомянул бы, что получил 5-ку по ТОЭ, вспомнил свой «крутой» институт/кафедру и тд и тп; другой же начал бы выдавать аналогичную инфу, но в более злобной манере, и обиженно-оскорбленно преследовал бы Вас еще несколько постов подряд, объясняя таким образом(как и первый) — какой он УМНЫЙ и образованный :DDD

Нет худшего оскорбления для типичного здешнего киндервуда, чем упрек или даже тонкий намек на его НЕУМНОСТЬ, НЕОБРАЗОВАННОСТЬ или просто НЕЗНАНИЕ чего-либо в профильной специальности. Такое предсказуемое поведение — уже даже не смешит, как некогда, а уже навевает тоскливую скуку на человека уже давно достигшего полного похуизма нирваны во всем этом суетном и неблагодарном деле — стать умнее/начитаннее/осведомленнее других киндервудов, получить на лоб клеймо «IQ >> medium_level» и всем с гордостью демонстрировать его при каждом удобном случае.

Вот один из эпичнейших пруфов сказанного мной — даже сейчас, прочитав это еще раз, меня просто распирает от дикого хохота :DDD Чел с просто википедическим_багажом_знаний, и который_все_знает_обо_всем загадал задачку. Тут же(точнее через 50 мин) подорвался отнюдь не вьюноша, но «телемастер» по установке и настройке колонок и видеопроекторов, с коротким сообщением: Решил. WTF!!! Т.е. даже такой якобы СЕРЬЕЗНЫЙ старикан купился на наживку и сообщил всей local_universe: Я, Я — УМНЫЙ (САМЫЙ/САМЫЙ_ПЕРВЫЙ УМНЫЙ)!!! Далее нарисовался уже супер-мега-пупер-киндервуд, который лениво слонялся в этой теме, как обычно высокомерно и свысока поглядывая на остальных и поковыривая зубочисткой в зубах. Якобы снисходительно отписался: Занятная задачка. Немного подумал(ну кто такой по сравнению со мной этот старикан-телемастер?) и дописал: Решил (Э-з-з...) минуты за ДВЕ. Wow!!! Я чуть не упал с табуретки от хохота, когда читал это в первый раз :DDD e_mc2, а Вам разве не смешно все это? Для полной широты комедии и ее персонажей(сами своими же пальцами написали не хуже Гоголя, даже не догадываясь об этом) советую почитать Вам всю эту тему.
-2


Долгими зимними вечерами в своей деревне я писал докторскую диссертацию и открыл целую науку, но радость моя после завершения сего труда была преждевременной — к сожалению эту науку(термодинамику) уже открыли ушлые киндервуды и мажоры, которым, в отличии от меня, в детстве и юности дали хорошее образование.

P.S. ТрактатЪ в Академию Наук: «Как предохранить хрупкие и нежные вещи от толчков и ударов»
-2
Хамите, сударь.
Этот человек был лучшим студентом на всём потоке. И один из немногих, кто действительно разбирается во всём, что изучает.
А вот у Вас наблюдается явное отсутствие элементарного воспитания и тактичности.
Не нравится/не интересно — проходи мимо. Тем паче что статья опубликована в личном блоге.
И, ко всему прочему, уверен — Вы не впервые видите статью Celeron-а и уже должны быть знакомы со его спецификой.
0
Для ОУ «MCP6001», максимальный входной ток (Input Bias Current): Ib=1100pA.
Следовательно, через резистивный делитель должен протекать ток на порядок больше >11uA.
Это не порядок, это 4 порядка.
Так зачем же путать себя (и природу), выдумывая хитрости конфигурации «Fig.1»?
Догадываюсь: возможно, схема «Fig.2» хоть и проще/понятнее, но менее технологична для настройки и изготовления?
Удобство для интегральной схемотехники, скорее всего. Ну и стоит заметить, что в даташитах «эквивалентные схемы», имеющие довольно опосредованное отношение к реальной схеме. Или иные особенности — так, при использовании LM358 или LM393 лучше поставить стабилитрон сверху, т.к. допустимый уровень сигнала на входах этих микросхем — 0V..Vcc-1.5V, т.е. при опоре в 2.4В снизу питание требуется не менее 4В. При стабилитроне сверху будет работать от 3В (ограничение самого LM358).
+1
  • avatar
  • Vga
  • 12 апреля 2015, 00:06
Это не порядок, это 4 порядка.
Хм, да, накосячил немного… Исправлю описание.
0
Идея!Я доосмыслил тему, и пришёл к выводу, что Типовая схема «Рис.1» — действительно, лучшая по характеристикам, и самая универсальная/надёжная по применению. Не смотря на некоторую запутанность схемотехники…
Перейдя от абстрактной теории, к реальным электронным компонентам — многие вещи для меня прояснились, а схемотехнические решения обрели смысл. Статья была доработана.
0
Действительно, «допустимые уровни входных сигналов» — для большинства Компараторов и ОУ, специфицируется как:
Vicm = [0… Vcc-1.5V], при температуре +25°C
Vicm = [0… Vcc-2.0V], во всём температурном диапазоне
Э не, нифига. Далеко не все ОУ (про компараторы не скажу) работают у нуля. Например, семейство TL061-TL084 допускает входное напряжение не ниже Vss+2. Работа у нуля — одна из характерных особенностей именно LM358 (и его сородичей). Стоит заметить, что достигается это благодаря входному каскаду на PNP транзисторах, хотя для интегральной схемотехники предпочтительны NPN, так что врядли эта причина влияет на выбор схемы в интегральных супервизорах.
Поэтому, Операционные усилители (такие как LM324, LM358 и LM741), обычно, не используются в радиоэлектронных схемах в качестве компаратора напряжений, из-за их биполярных выходов.
Ничего подобного. Не используются они из-за омерзительных характеристик ОУ в качестве компаратора — в частности, слоупочности. Хотя, когда требования к скорости низкие и в схеме уже есть ОУ — применяются, чтобы не ставить лишний корпус.

Возможно, есть еще что-то, но перечитывать всю простыню мне категорически лень.
+1
  • avatar
  • Vga
  • 14 апреля 2015, 02:28
так что врядли эта причина влияет на выбор схемы в интегральных супервизорах
И всё-таки, думаю, что-то в этом есть: должна быть веская объективная причина, почему множество Производителей, не сговариваясь, используют именно ту или иную схему! А характеристики (и ограничения) реальных компонентов — это традиционная «веская причина», для выбора тех или иных схемотехнических решений…
Возможно, это не единственная причина? Это другой вопрос… Да, допускаю.

p.s. Не берусь утверждать категорично. Однако, пересмотрел свыше десятка даташитов на разные компараторы (исключая Rail-to-Rail) — что интересно, все работают либо от нуля, либо ассиметрично ближе к нулю [Vss+0.5… Vdd−1.5] — тенденция…
0
Не стоит ориентироваться по обычным деталям, разговаривая о интегральной схемотехнике. Скорее всего, смотреть надо на сопряжение ИОНа и компаратора на уровне транзисторов, или на схемотехнику ИОНа.
Ну и опять же, «эквивалентная схема» не обязана соответствовать реальности, она просто примерно иллюстрирует, как оно работает.
что интересно, все работают либо от нуля, либо ассиметрично ближе к нулю [Vss+0.5… Vdd−1.5] — тенденция…
Это связано с тем, что при однополярном питании обычно важнее работа у земли, поэтому ОУ под нее оптимизируют. Но есть и исключения, например, TL081 работает при входном напряжении вплоть до Vcc (при условии, что оно не выше 15В).
+1
Автор топика запретил добавлять комментарии