Auswahl des richtigen Komparators

Der Komparator steht oft im Schatten seines großen Bruders, des Operationsverstärkers (op Amp). Sein bescheidener Status wird durch die Merkmale ausgeglichen, die moderne Komparatoren auszeichnen und sie ideal für ihre grundlegende Aufgabe machen: den Vergleich zweier Spannungen. In diesem Artikel werden die Komparatorfunktionen erläutert und die Parameter beschrieben, die bei der Auswahl von Komparatoren berücksichtigt werden sollten.

Die Funktion eines Komparators

Ein Komparator akzeptiert zwei analoge Signale und erzeugt am Ausgang ein binäres Signal, dessen Funktion die Eingangsspannung höher ist. Das Ausgangssignal bleibt konstant, wenn sich die differentielle Eingangsspannung ändert. Wenn der Komparator so beschrieben wird, ähnelt er einem 1-Bit-ADC.

Vergleich von Komparatoren und Operationsverstärkern

Ein Operationsverstärker, der ohne negative Rückkopplung läuft, kann als Komparator dienen, da er aufgrund seiner hohen Spannungsverstärkung sehr kleine Unterschiede in der Eingangsspannung auflösen kann. Auf diese Weise verwendete Operationsverstärker sind im Allgemeinen langsamer als Komparatoren und es fehlen andere Besonderheiten, wie Hysterese und interne Referenzen.
Komparatoren können im Allgemeinen nicht als Operationsverstärker verwendet werden. Sie sind so getrimmt, dass sie hervorragende Schaltzeiten auf Kosten der Frequenzgangkorrektur bieten, die Operationsverstärker so vielseitig macht. Die in vielen Komparatoren verwendete interne Hysterese, die eine Oszillation am Ausgang verhindert, verhindert auch deren Verwendung als Operationsverstärker.

Versorgungsspannung

Komparatoren arbeiten mit den gleichen Versorgungsspannungen, die von Operationsverstärkern verwendet werden. Viele ältere Komparatoren benötigen bipolare (z., ±15V) oder unipolare Versorgungsspannungen bis 36V. Diese Versorgungsspannungen werden nach wie vor in industriellen Anwendungen eingesetzt. Für die meisten neuen Anwendungen arbeitet der Komparator jedoch im Bereich niedriger unipolarer Spannungen, die typischerweise in batteriebetriebenen Geräten zu finden sind. Moderne Anwendungen für Komparatoren erfordern einen geringen Stromverbrauch, kleine Gehäuse und (in einigen Fällen) eine Abschaltfunktion. Die Komparatoren MAX919, MAX9119 und MAX9019 arbeiten beispielsweise mit Spannungen von 1,6 V oder 1,8 V bis 5,5 V und zeichnen maximal 1.2µA / 2µA über den gesamten Temperaturbereich und sind in SOT23- und SC70-Gehäusen erhältlich. Die Komparatorfamilien MAX965 und MAX9100 arbeiten mit Versorgungsspannungen von nur 1,6 V bzw. 1,0 V. Siehe Tabelle 1.

Tabelle 1. MAX9015-MAX9020 Auswahl Guide

Komparatoren in winzigen Gehäusen

Komparatoren mit Nanoantrieb in platzsparenden Chip-Scale-Gehäusen (UCSP) mit einem niedrigen Versorgungsstrom von 1 µA, wie die Familien MAX9025-MAX9098, sind ideal für Systemanwendungen mit extrem geringem Stromverbrauch. Die Einzelkomparatorfamilien MAX9117-MAX9120 sind in kleinen 5-poligen SC70-Gehäusen erhältlich und verfügen über einen extrem niedrigen Versorgungsstrom von 600 Na mit zwei Ausgängen zur Auswahl, Push-Pull oder Open-Drain. Siehe Tabelle 2. Diese Komparatoren sind ideal für alle 2-Zellen-Batterie-Monitoring / Management-Anwendungen.
Tabelle 2. Tiny Space-Saving Comparators

Package	Part	Comparator(s)	Int. Reference	Output	Supply Current (µA)
6-UCSP	MAX9025	1		Push-pull	1.0
6-UCSP	MAX9026	1		Open drain	1.0
6-UCSP	MAX9027	1		Push-pull	0.6
6-UCSP	MAX9028	1		Open drain	0.6
5-SC70	MAX9117	1		Push-pull	0.6
5-SC70	MAX9118	1		Open drain	0.6
5-SC70	MAX9119	1		Push-pull	0.35
5-SC70	MAX9120	1		Open drain	0.35

Grundlegende Komparatorfunktionen

Ein Komparator ändert normalerweise seinen Ausgangszustand, wenn die Spannung zwischen seinen Eingängen ungefähr null Volt überschreitet. Kleine Spannungsschwankungen, die immer an den Eingängen vorhanden sind, erzeugen sehr kleine Spannungsdifferenzen. Wenn die Spannungsdifferenz nahe null Volt liegt, kann dies zu unerwünschten Änderungen des Ausgangszustands des Komparators führen . Um diese Ausgangsschwingung zu verhindern, ist in vielen modernen Komparatoren eine kleine Hysterese von wenigen Millivolt integriert. Anstelle eines Schaltpunktes führt die Hysterese zwei ein: eine für steigende Spannungen und eine für fallende Spannungen (Abbildung 1). Die Differenz zwischen dem übergeordneten Auslösewert (VTRIP+) und dem untergeordneten Auslösewert (VTRIP-) entspricht der Hysteresespannung (VHYST). Bei Komparatoren mit Hysterese ist die Offsetspannung (VOS) einfach der Mittelwert von VTRIP+ und VTRIP-.

Abbildung 1. Schaltschwellen, Hysterese und Offsetspannung.Bei Komparatoren ohne Hysterese ist die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen, die zum Schalten des Komparators benötigt werden, die Offsetspannung und nicht die Nullspannung, die von einem idealen Komparator benötigt wird. Die Offsetspannung (und damit die Schaltspannung) ändert sich jedoch mit der Temperatur und der Versorgungsspannung. Ein Maß für diese Abhängigkeit ist das Power-Supply-Rejection-Ratio (PSRR), das den Zusammenhang zwischen einer Änderung der Nennversorgungsspannung und der daraus resultierenden Änderung der Offsetspannung zeigt.

Die Eingänge eines idealen Komparators weisen einen unendlich hohen Eingangswiderstand auf, so dass kein Strom in seine Eingänge fließt. Für tatsächliche Komparatoren fließen die Ströme, die in ihre Eingänge fließen, jedoch auch durch den Innenwiderstand einer beliebigen Spannungsquelle, die an sie angeschlossen ist, wodurch eine Fehlerspannung erzeugt wird. Bias-Strom (IBIAS) ist definiert als der Medianwert der beiden Komparator-Eingangsströme. Für die Komparatorfamilien MAX917 und MAX9117 beträgt der maximale IBIAS-Strom beispielsweise 2Na über den gesamten Temperaturbereich und weniger als 1nA bei Raumtemperatur, TA = +25 °C. See Table 3.
Table 3. Low IBIAS

As lower supply voltages become common, Maxim expanded the input-voltage range of comparators beyond the supply voltages. Einige Maxim-Komparatoren verwenden das parallele Schalten von zwei npn / PNP-Eingangsstufen, wodurch Eingangsspannungen von bis zu 250 mV über jede Versorgungsschiene hinaus möglich sind. Solche Geräte werden als Beyond-the-Rail-Komparatoren bezeichnet. Der Bereich der verfügbaren Eingangsgleichtaktspannungen ist dem Datenblatt des Komparators zu entnehmen. Zum Beispiel haben die Nanopower-Komparatorfamilien MAX9015-MAX9020, MAX9025-MAX9028 und MAX9117-MAX9120 alle Gleichtakteingangsspannungsbereiche, die 200mV über die Schienen hinaus verlängern. Im Gegensatz zur Schaltung von zwei ESD-Diodenklemmen als Eingangsstufe implementiert die Komparatorfamilie MAX9060-MAX9064 eine andere Eingangsstufenarchitektur, die es ermöglicht, dass ihre Eingangsspannung die Versorgungsspannung um mehrere Volt überschreitet.

Komparatorausgänge

Da Komparatoren nur zwei Ausgangszustände haben, sind ihre Ausgänge nahe Null oder nahe der Versorgungsspannung. Bipolare Rail-to-Rail-Komparatoren haben einen gemeinsamen Emitterausgang, der einen kleinen Spannungsabfall zwischen dem Ausgang und jeder Schiene erzeugt. Dieser Abfall ist gleich der Kollektor-Emitter-Spannung eines gesättigten Transistors. Wenn die Ausgangsströme gering sind, liegen die Ausgangsspannungen von CMOS-Rail-to-Rail-Komparatoren, die auf einem gesättigten MOSFET basieren, näher an den Schienen als ihre bipolaren Gegenstücke.
Ein Kriterium für die Auswahl eines Komparators ist die Zeit, die sein Ausgang benötigt, um seinen Zustand zu ändern, nachdem ein Signal an seinen Eingang angelegt wurde. Diese Laufzeit muss auch die Laufzeitverzögerung durch die Komponente und die Anstiegs- / Abfallzeiten im Ausgangstreiber berücksichtigen. Ein sehr schneller Komparator wie der MAX961 und MAX9010-MAX9013 hat beispielsweise eine typische Laufzeitverzögerung von nur 4,5 ns oder 5 ns und eine Anstiegszeit von 2.3ns bzw. 3ns. (Denken Sie daran, dass die Laufzeitmessung einen Teil der Anstiegszeit enthält). Man sollte die verschiedenen Einflüsse beachten, die die Laufzeit beeinflussen (Abbildung 2). Diese Faktoren umfassen Temperatur, Lastkapazität und Spannungsantrieb über der Schaltschwelle (Eingangsübersteuerung). Die Laufzeit wird als tPD- für den invertierenden Eingang und tPD + für den nicht invertierenden Eingang bezeichnet. Der Unterschied zwischen tPD+ und tPD- wird Skew genannt. Die Versorgungsspannung hat auch einen starken Einfluss auf die Laufzeit.

Abbildung 2. Die Auswirkung äußerer Einflüsse auf die Laufzeit.
Wählen Sie für eine bestimmte Anwendung entweder einen Komparator mit hoher Geschwindigkeit oder einen stromsparenden Komparator. Maxim bietet eine Reihe von Leistungen für diesen Zweck: vom MAX919 (800nA, 30µs) bis zum MAX9075 (6µA, 540ns); vom MAX998 (600µA, 20ns) bis zum MAX961 (11mA, 4.5ns); vom MAX9140 (165µA, 40ns) bis zum MAX9203 (1.3mA, 7ns); und vom MAX9107 ( 350µA, 25ns) zu die MAX9010 (900µA, 5ns). Der MAX9010 (in einem SC70-Gehäuse) stellt mit einer Laufzeit von 5 ns und einem Versorgungsstrom von 900 µA einen nützlichen Kompromiss bei diesen Parametern dar.
Ultraschnelle ECL- und PECL-Ausgänge mit 500ps Laufzeitverzögerung finden Sie in den Teilefamilien MAX9600/MAX9601/MAX9602.

Kommentare zu bestimmten Komparatoren

Die häufigste Anwendung für Komparatoren ist der Vergleich zwischen einer Spannung und einer stabilen Referenz. Maxim bietet verschiedene Komparatoren an, bei denen eine Referenzspannung auf dem Chip integriert ist. Die Kombination von Referenz und Komparator in einem Chip spart nicht nur Platz, sondern verbraucht auch weniger Versorgungsstrom als ein Komparator mit externer Referenz. Die Gerätefamilie MAX9117 benötigt beispielsweise nur maximal 1,6 µA (einschließlich Referenz) über den gesamten Temperaturbereich. Der MAX44268 benötigt nur maximal 1,4 µA (einschließlich Referenz) über den gesamten Temperaturbereich. Die Genauigkeit einer integrierten Referenz liegt typischerweise zwischen 1% und 4%. Für eine hohe Genauigkeit bieten die Referenzen der MAX9040-Komparatorfamilie jedoch eine Anfangsgenauigkeit von 0,4% und eine maximale Temperaturdrift von 30 ppm / ° C.
Die Dual-Komparatoren MAX9017/MAX9018, MAX923, MAX933 und MAX967/MAX968 sowie die Dual-Komparatoren mit offenem Drain-Ausgang MAX973, MAX983 sind ideal für Fensterkomparatoranwendungen geeignet. Da die integrierte Referenz in all diesen Geräten an den invertierenden oder nicht invertierenden Eingang des Komparators angeschlossen werden kann, können Überspannungs- und Unterspannungsschwellen mit nur drei externen Widerständen implementiert werden. Diese Komponenten bieten auch einen Hysteresestift. Durch Hinzufügen von zwei zusätzlichen externen Widerständen ermöglicht dieser Pin das Hinzufügen einer Hystereseschwelle, wie in Abbildung 1 gezeigt. Einige Komparatoren wie der MAX912 / 913 bieten komplementäre Ausgänge, d. H. Zwei Ausgänge, die für eine Änderung der relativen Eingangspolarität in die entgegengesetzte Richtung übergehen.

Schnelle ausbreitung verzögerung (1 ms in der regel bei 5mV overdrive) macht die MAX9201/MAX9203 ideal für schnelle ADCs und probenahme schaltungen wie empfänger, V/F konverter, und viele andere daten-diskriminierenden anwendungen.
Andere high-speed, low-power komparatoren wie die MAX9107/MAX9108/MAX9109 sind low-cost-upgrades zu die industrie-standard komparatoren, MAX907/MAX908/MAX909. Der MAX9013 ist ein verbesserter Plug-In-Ersatz für den Industriestandard MAX913 und LT1016 / LT1116. Der Dual-Komparator MAX9107 wird in einem platzsparenden 8-poligen SOT23-Gehäuse angeboten. Der einzelne Komparator, MAX9109, ist in einem winzigen 6-poligen SC70 erhältlich, während der Quad-Komparator, MAX9108, in einem 14-poligen TSSOP angeboten wird. Siehe Tabelle 4 und Abbildung 3.
Tabelle 4. Ultra-Schnelle Komparatoren

Abbildung 3. Darstellung der besten Drehzahl-/ Leistungsoptionen für einen Komparator in einem SC70-Gehäuse.

Anwendungen

In diesem Abschnitt werden drei Anwendungen vorgestellt, die Komparatoren erfordern.
Das erste Anwendungsbeispiel ist ein Level Shifter von 3V Logik auf 5V Logik. Wie in Abbildung 4 gezeigt, benötigt diese Schaltung nur einen einzigen Komparator mit einem Open-Drain-Ausgang wie beim MAX986. Die Schaltung bietet große Flexibilität bei der Auswahl der zu übersetzenden Spannungen. Es ermöglicht auch die Übersetzung von bipolarer ± 5V-Logik in unipolare 3V-Logik unter Verwendung des MAX972. Achten Sie in dieser Anwendung darauf, dass keine Spannung die maximal zulässige Spannung an einem Pin überschreitet und dass der Strom in den Ausgang durch einen ausreichend großen Pull-up-Widerstand begrenzt wird (siehe die absoluten Maximalwerte des MAX986 im Datenblatt).

Abbildung 4. Pegelumsetzung von 3V auf 5V Logik.
Die Schaltung in Abbildung 5 löst ein weiteres häufig auftretendes Problem. Wie gezeigt konfiguriert, wandelt ein einzelner unipolarer Komparator ein bipolares Eingangssignal (in diesem Fall eine Sinuswelle) in ein unipolares digitales Ausgangssignal um. Die erforderliche Offsetspannung wird wie folgt berechnet:


Abbildung 5. Unipolarer Komparator mit bipolarem Eingangssignal.
Wie oben in Abbildung 5 gezeigt, stellen zwei gleichwertige Widerstände (mit der Bezeichnung R4) die Auslöseschwelle des Komparators bei halber Versorgungsspannung ein. In der Schaltung von Abbildung 6 bilden vier Komparatorausgänge eine Thermometeranzeige, die einen von vier Bereichen für den Eingangsstrompegel anzeigt. Der Shunt-Widerstand wandelt den Eingangsstrom in eine Spannung um, und die Widerstände R1 und R2 stellen die Operationsverstärkung so ein, wie es für den gewünschten Referenzspannungspegel erforderlich ist. Die Widerstände R4 bis R7 bezeichnen Schwellenwerte für die gewünschten digitalen Ausgänge.

Abbildung 6. Auflösung einer Strommessung in einen von vier Bereichen.Eine ähnliche Version dieses Artikels erschien in der Ausgabe vom 1. Juli 2001 des ECN Magazins.