výběr správného komparátoru

komparátor často stojí ve stínu svého velkého bratra, operačního zesilovače (op amp). Jeho skromných stav je kompenzován funkcí, které odlišují moderní komparátory a učinit je ideální pro jejich základní úkol: porovnání dvou napětí. Tento článek vysvětluje vlastnosti komparátoru a popisuje parametry, které je třeba vzít v úvahu při výběru komparátorů.

funkce komparátoru

komparátor přijímá dva analogové signály a na výstupu vytváří binární signál, jehož vstupní napětí je vyšší. Výstupní signál zůstává konstantní při změně diferenciálního vstupního napětí. Při popisu tímto způsobem se komparátor podobá 1bitovému ADC.

Porovnává Komparátory a Op Amps

op amp běží bez negativní zpětné vazby může sloužit jako srovnávací, protože jeho vysoké napětí zisk umožňuje, aby to řešení velmi malé rozdíly ve vstupních napětí. Takto používané operační zesilovače jsou obecně pomalejší než komparátory a postrádají další speciální funkce, jako je hystereze a interní reference.
komparátory obecně nelze použít jako operační zesilovače. Jsou zdobené, aby poskytují vynikající spínacích časů na úkor frekvenční odezva, korekce, která činí op amps tak univerzální. Vnitřní hystereze zaměstnán v mnoha komparátory, která zabraňuje kmitání na výstupu, také zabraňuje jejich použití jako op zesilovače.

Napájecí napětí

komparátory pracují se stejným napájecím napětím, jaké používají operační zesilovače. Mnoho starších komparátorů vyžaduje bipolární (např., ±15V) nebo unipolární napájecí napětí až 36V. tato napájecí napětí se stále používají v průmyslových aplikacích.
pro většinu nových aplikací však komparátor pracuje v rozsahu nízkých unipolárních napětí, které se obvykle nacházejí v zařízeních na baterie. Moderní aplikace pro komparátory vyžadují nízkou spotřebu proudu, malé balíčky a (v některých případech) funkci vypnutí. Komparátory MAX919, MAX9119 a MAX9019 například pracují s napětím od 1,6 V nebo 1,8 V do 5,5 V, čerpají maximálně 1.2µA/2µA v celém teplotním rozsahu a jsou k dispozici v baleních SOT23 a SC70. Komparátory řady MAX965 a MAX9100 pracují s napájecím napětím tak nízkým jako 1,6 V a 1,0 V. Viz Tabulka 1.
Tabulka 1. MAX9015-MAX9020 Průvodce výběrem

Komparátory v malém Balení

Nano-napájení komparátory v prostorově úsporné chip-scale balíčky (UCSP) s nízkou 1µA napájecí proud, jako MAX9025-MAX9098 rodiny, jsou ideální pro ultra-low-power systém aplikace. K dispozici v malé, 5-pin SC70 balíčky, MAX9117-MAX9120 single-srovnávací rodiny, funkce ultra-low 600nA dodávky proudu se dvěma výstupy, ze které chcete vybrat, push-pull nebo open-drain. Viz Tabulka 2. Tyto komparátory jsou ideální pro všechny 2článkové aplikace pro monitorování/správu baterií.
Tabulka 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

Základní Srovnávací Vlastnosti

srovnávací obvykle mění svůj výstupní stav, kdy napětí mezi jeho vstupy prochází přibližně nula voltů. Malé kolísání napětí, vždy přítomné na vstupech, způsobují velmi malé rozdíly napětí. Pokud je rozdíl napětí blízko nulových voltů, může způsobit nežádoucí změny výstupního stavu komparátoru . Aby se zabránilo této výstupní oscilaci, je do mnoha moderních komparátorů integrována malá Hystereze několika milivoltů. Místo jednoho spínacího bodu zavádí Hystereze dva: jeden pro rostoucí napětí a jeden pro klesající napětí (Obrázek 1). Rozdíl mezi hodnotou vypnutí vyšší úrovně (VTRIP+) a hodnotou vypnutí nižší úrovně (VTRIP -) se rovná napětí Hystereze (VHYST). Pro komparátory s hysterezí je offset napětí (VOS) jednoduše střední hodnotou VTRIP+ a VTRIP-.

Obrázek 1. Spínací Prahy, hystereze a offset napětí.
u komparátorů bez Hystereze je rozdíl napětí mezi vstupy potřebnými pro přepnutí komparátoru spíše než nulové napětí požadované ideálním komparátorem. Kompenzační napětí (a následně Spínací napětí) se však mění s teplotou a napájecím napětím. Jedním z měření této závislosti je poměr odmítnutí napájení (PSRR), který ukazuje vztah mezi změnou jmenovitého napájecího napětí a výslednou změnou ofsetového napětí.
vstupy ideálního komparátoru vykazují nekonečně vysoký vstupní odpor, a tudíž do jeho vstupů neproudí žádný proud. U skutečných komparátorů však proudy, které proudí do jejich vstupů, také protékají vnitřním odporem jakéhokoli zdroje napětí, který je k nim připojen, čímž generují chybové napětí. Bias proud (Ibias) je definován jako střední hodnota dvou vstupních proudů komparátoru. Pro MAX917 a MAX9117 srovnávací rodin, například, maximální proud IBIAS je 2nA přes celý rozsah teplot, a méně než 1nA za pokojové teploty, 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. Některé komparátory Maxim využívají paralelní přepínání dvou vstupních stupňů npn/pnp, což umožnilo vstupní napětí až 250mV za každou napájecí kolejnici. Taková zařízení se nazývají komparátory mimo kolejnici. Rozsah dostupných vstupních napětí v běžném režimu je uveden v datovém listu komparátoru. Například rodiny komparátorů MAX9015-MAX9020, MAX9025-MAX9028 a MAX9117-MAX9120 mají všechny rozsahy vstupního napětí ve společném režimu, které přesahují 200mV za kolejnice. Na rozdíl od přepínání dvou ESD diody svorky jako vstup fáze, MAX9060-MAX9064 rodiny komparátory realizovat různé vstupní fázi architektury, což umožňuje jejich vstup napětí vyšší než napájecí napětí o několik voltů.

výstupy komparátoru

protože komparátory mají pouze dva výstupní stavy, jejich výstupy jsou téměř nulové nebo blízko napájecího napětí. Bipolární komparátory mezi kolejnicemi mají výstup společného emitoru, který vytváří malý pokles napětí mezi výstupem a každou kolejnicí. Tento pokles se rovná napětí kolektoru k emitoru nasyceného tranzistoru. Když jsou výstupní proudy lehké, výstupní napětí komparátorů CMOS rail-to-rail, které se spoléhají na nasycený MOSFET, se pohybují blíže ke kolejnicím než jejich bipolární protějšky.
jedním kritériem pro výběr komparátoru je čas, který jeho výstup potřebuje ke změně stavu po použití signálu na jeho vstupu. Tato doba šíření musí také zohledňovat zpoždění šíření prostřednictvím komponenty a časy vzestupu/pádu ve výstupním ovladači. Velmi rychlý komparátor jako MAX961, a MAX9010-MAX9013, například, má typické šíření zpoždění pouze 4,5 ns nebo 5ns, a době náběhu 2.3NS a 3ns. (Nezapomeňte, že měření zpoždění šíření zahrnuje část doby vzestupu). Je třeba si uvědomit různé vlivy, které ovlivňují dobu šíření (Obrázek 2). Mezi tyto faktory patří teplota, kapacita zátěže a napěťový pohon přesahující spínací práh(vstupní rychloběh). Doba šíření se nazývá tPD – pro invertující vstup a tPD+ pro neinvertující vstup. Rozdíl mezi tPD+ a tPD-se nazývá zkosení. Napájecí napětí má také silný vliv na dobu šíření.

Obrázek 2. Vliv vnějších vlivů na dobu šíření.
pro danou aplikaci vyberte buď komparátor s vysokou rychlostí, nebo komparátor, který šetří energii. Maxim nabízí rozsah výkonu pro tento účel: z MAX919 (800nA, 30µs) MAX9075 (6µA, 540ns); z MAX998 (600µA, 20ns) MAX961 (11mA, 4.5 ns); z MAX9140(165µA, 40ns) MAX9203 (1.3 mA, 7ns); a z MAX9107 (350µA, 25ns) MAX9010 (900µA, 5ns). Na MAX9010 (v SC70 balení) představuje užitečný kompromis v těchto parametrech, s 5ns šíření čas a 900µA napájecí proud.

pro extrémně vysokorychlostní výstupy ECL a PECL se zpožděním šíření 500ps se řiďte rodinami dílů MAX9600 / MAX9601 / MAX9602.

komentáře k jednotlivým Komparátorům

nejčastější aplikací pro komparátory je srovnání napětí a stabilní reference. Maxim nabízí různé komparátory, ve kterých je na čipu integrováno referenční napětí. Kombinace odkazu a komparátoru V jednom čipu nejen šetří místo, ale také čerpá méně napájecího proudu než komparátor s externím odkazem. Například rodina zařízení MAX9117 vyžaduje v celém teplotním rozsahu pouze maximum 1,6 µA (včetně reference). Max44268 vyžaduje v celém teplotním rozsahu pouze maximum 1,4 µA (včetně reference). Přesnost integrovaného odkazu se obvykle pohybuje od 1% do 4%. Pro vysokou přesnost, nicméně odkazy v MAX9040 rodiny komparátory nabídka 0.4% počáteční přesnost a maximální 30ppm/°C teplotní drift.
MAX9017/MAX9018, MAX923, MAX933 a MAX967/MAX968 dual komparátory a open-drain výstup MAX973, MAX983, dual komparátory jsou ideální pro okna-srovnávací aplikace. Protože integrovaná reference v rámci všech těchto zařízení můžete připojit k komparátor je invertující a neinvertující vstup, přepětí a podpětí prahové hodnoty mohou být realizovány jen s třemi externími rezistory. Tyto komponenty také poskytují hysterezní kolík. Přidáním dvou dalších externích odporů umožňuje tento kolík přidání hysterezního prahu, jak je znázorněno na obrázku 1. Některé komparátory, jako je MAX912/913, nabízejí doplňkové výstupy-tj. dva výstupy, které přecházejí v opačném směru pro změnu relativní polarity vstupu.
Rychlé šíření zpoždění (typicky 1ms na 5mV overdrive) je MAX9201/MAX9203 ideální pro rychlé ad převodníky a vzorkovací obvody, jako přijímače, V/F převodníky, a mnoho dalších údajů-diskriminační aplikací.
Další high-speed, low-power komparátory jako MAX9107/MAX9108/MAX9109 jsou low-cost vylepšení na standardní komparátory, MAX907/MAX908/MAX909. Max9013 je vylepšená náhrada plug-in pro průmyslové normy MAX913 a LT1016 / LT1116. Duální komparátor MAX9107 je nabízen v 8kolíkovém balíčku SOT23, který šetří místo. Jeden komparátor, MAX9109, je k dispozici v malé 6-pin SC70, zatímco quad komparátor, MAX9108, je nabízen ve 14-pin TSSOP. Viz Tabulka 4 a obrázek 3.
Tabulka 4. Ultra-Rychlé Komparátory

Obrázek 3. Ilustrace nejlepších možností rychlosti/výkonu pro komparátor v balení SC70.

aplikace

tato část představuje tři aplikace, které vyžadují komparátory.
prvním příkladem aplikace je řadič úrovně z logiky 3V na logiku 5V. Jak je znázorněno na obrázku 4, tento obvod vyžaduje pouze jeden komparátor s otevřeným vypouštěcím výstupem jako v max986. Obvod poskytuje velkou flexibilitu při výběru napětí, která mají být přeložena. Umožňuje také překlad bipolární ±5V logiky do unipolární 3V logiky pomocí max972. V této aplikaci, postarat se, že není napětí vyšší než maximální povolené napětí na libovolný pin a proudu na výstupu je omezena dostatečně velkou hodnotou pull-up rezistor (viz MAX986 je Absolutní Maximální Hodnocení v jeho listu).

Obrázek 4. Překlad úrovně z logiky 3V na 5V.
obvod na obrázku 5 řeší další často se vyskytující problém. Nakonfigurován tak, jak je znázorněno, jeden unipolární komparátor převádí bipolární vstupní signál (v tomto případě sinusová vlna) na unipolární digitální výstupní signál. Požadované ofsetové napětí se vypočítá jako:


Obrázek 5. Unipolární komparátor s bipolárním vstupním signálem.
, Jak je znázorněno výše na Obrázku 5, dvě stejné hodnotě rezistorů (označené R4) vytvořit srovnávací výlet práh na polovinu napájecího napětí. V obvodu na obrázku 6 tvoří čtyři komparátorové výstupy měřidlo teploměru označující jeden ze čtyř rozsahů pro úroveň vstupního proudu. Na bočníku převádí vstupní proud na napětí a rezistorů R1 a R2 nastavit v op-amp získat jako nutné pro požadovanou úroveň referenčního napětí. Rezistory R4 až R7 označují prahové hodnoty pro požadované digitální výstupy.

Obrázek 6. Řešení měření proudu do jednoho ze čtyř rozsahů.
podobná verze tohoto článku se objevila v čísle časopisu ECN 1. července 2001.