valg af den rigtige komparator

komparatoren står ofte i skyggen af sin storebror, operationsforstærkeren (op amp). Dens ydmyge status opvejes af de funktioner, der adskiller moderne komparatorer og gør dem ideelle til deres grundlæggende opgave: sammenligning af to spændinger. Denne artikel forklarer komparatorfunktioner og beskriver de parametre, der skal overvejes, når du vælger komparatorer.

funktionen af en komparator

en komparator accepterer to analoge signaler og producerer et binært signal ved udgangen, hvis funktion indgangsspænding er højere. Udgangssignalet forbliver konstant, når differentialindgangsspændingen ændres. Når den beskrives på den måde, ligner komparatoren en 1-bit ADC.

sammenligning af komparatorer og op-forstærkere

en op-forstærker, der kører uden negativ feedback, kan tjene som komparator, fordi dens højspændingsforstærkning gør det muligt at løse meget små forskelle i indgangsspænding. Op-forstærkere, der bruges på denne måde, er generelt langsommere end komparatorer og mangler andre specielle funktioner, såsom hysterese og interne referencer.
komparatorer kan generelt ikke bruges som op-forstærkere. De er trimmet for at give fremragende skiftetider på bekostning af frekvensresponskorrektionen, der gør op-forstærkere så alsidige. Den interne Hysterese, der anvendes i mange komparatorer, som forhindrer svingning ved udgangen, forhindrer også deres anvendelse som op-forstærkere.

Forsyningsspænding

komparatorer fungerer med de samme forsyningsspændinger, der bruges af op-forstærkere. Mange ældre komparatorer kræver bipolar (f. eks. 15v) eller unipolære forsyningsspændinger så høje som 36V. disse forsyningsspændinger bruges stadig i industrielle applikationer.
for de fleste nye applikationer fungerer komparatoren imidlertid inden for området med lave unipolære spændinger, der typisk findes i batteridrevne enheder. Moderne applikationer til komparatorer kræver lavt strømforbrug, små pakker og (i nogle tilfælde) en nedlukningsfunktion. Komparatorerne MAKS919, MAKS9119 og MAKS9019 arbejder for eksempel med spændinger fra 1,6 V eller 1,8 V til 5,5 V, tegner maksimalt 1.2 liter / 2 liter over hele temperaturområdet, og fås i en SOT23 og SC70 pakker. Komparatorfamilierne MAKS965 og MAKS9100 fungerer med forsyningsspændinger så lave som henholdsvis 1,6 V og 1,0 v. Se Tabel 1.
tabel 1. MAKS9015-MAKS9020 Valgvejledning

komparatorer i små pakker

Nanodrevne komparatorer i pladsbesparende chipskalapakker (UCSP) med en lav forsyningsstrøm på 1 liter, som f.eks. Fås i små 5-polede SC70-pakker, MAKS9117-MAKS9120 enkeltkomparatorfamilier har en ultra-lav 600na-forsyningsstrøm med to udgange, hvorfra man kan vælge, skubbe eller åbne afløb. Se Tabel 2. Disse komparatorer er ideelle til alle 2-cellers batteriovervågnings-/styringsapplikationer.
tabel 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

grundlæggende Komparatorfunktioner

en komparator ændrer normalt sin udgangstilstand, når spændingen mellem dens indgange krydser ca.nul volt. Små spændingsudsving, der altid er til stede på indgangene, producerer meget små spændingsforskelle. Når spændingsforskellen er nær nul volt, kan det forårsage uønskede ændringer i komparatorens udgangstilstand . For at forhindre denne udgangsoscillation er en lille Hysterese af nogle få millivolt integreret i mange moderne komparatorer. I stedet for et skiftepunkt introducerer Hysterese to: en for stigende spændinger og en for faldende spændinger (Figur 1). Forskellen mellem tripværdien på højere niveau (VTRIP+) og tripværdien på lavere niveau (VTRIP -) er lig med hysteresespændingen (VHYST). For komparatorer med hysterese er offsetspændingen (VOS) simpelthen middelværdien af VTRIP+ og VTRIP-.

Figur 1. Skift tærskler, hysterese og offset spænding.
for komparatorer uden hysterese er spændingsforskellen mellem de indgange, der er nødvendige for at skifte komparator, forskydningsspændingen snarere end den nulspænding, der kræves af en ideel komparator. Imidlertid ændres forskydningsspændingen (og følgelig koblingsspændingen) med temperatur og Forsyningsspænding. En måling af denne afhængighed er strømforsyningsafvisningsforholdet (PSRR), som viser forholdet mellem en ændring i den nominelle forsyningsspænding og den resulterende ændring i offsetspænding.
indgangene til en ideel komparator udviser uendelig høj indgangsmodstand, og der strømmer således ingen strøm ind i dens indgange. For faktiske komparatorer strømmer strømmen, der strømmer ind i deres indgange, imidlertid også gennem den indre modstand af enhver spændingskilde, der er fastgjort til dem, hvilket genererer en fejlspænding. Bias current (IBIAS) er defineret som medianværdien af de to komparatorindgangsstrømme. For komparatorfamilierne maks. 917 og maks. 9117 er den maksimale Ibias-strøm for eksempel 2nA over hele temperaturområdet og mindre end 1NA ved stuetemperatur, TA = +25 liter 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. Nogle maksimale komparatorer anvender parallel skift af to NPN / pnp-indgangstrin, hvilket har tilladt indgangsspændinger så høje som 250mv ud over hver forsyningsskinne. Sådanne indretninger kaldes Beyond-the-Rail komparatorer. Rækkevidden af tilgængelige input common-mode spændinger findes i komparatorens datablad. For eksempel har familierne maks.9015-maks. 9020, maks. 9025-maks. 9028 og maks. 9117-maks. 9120 nanopåvirkningskomparator alle fælles indgangsspændingsområder, der strækker sig 200mV ud over skinnerne. I modsætning til at skifte to ESD-diodeklemme som indgangstrin implementerer maks9060-MAKS9064-familien af komparatorer en anden indgangstrinarkitektur, som gør det muligt for deres indgangsspænding at overskride forsyningsspændingen med flere volt.

Komparatorudgange

fordi komparatorer kun har to udgangstilstande, er deres udgange nær nul eller nær forsyningsspændingen. Bipolære skinne-til-skinne-komparatorer har en fælles emitterudgang, der producerer et lille spændingsfald mellem udgangen og hver skinne. Dette fald er lig med kollektor – til-emitterspændingen af en mættet transistor. Når udgangsstrømme er lette, spænder udgangsspændinger fra CMOS-skinne-til-skinne-komparatorer, der er afhængige af en mættet MOSFET, tættere på skinnerne end deres bipolære modstykker.
et kriterium for valg af en komparator er den tid, det tager dets output at ændre dets tilstand, efter at et signal er blevet anvendt ved dets input. Denne formeringstid skal også tage højde for formeringsforsinkelse gennem komponenten og stigning/faldtider i outputdriveren. En meget hurtig komparator som MAKS961OG MAKS9010-MAKS9013 har for eksempel en typisk udbredelsesforsinkelse på kun 4,5 ns eller 5NS og en stigningstid på 2.Henholdsvis 3NS og 3NS. (Husk, at formeringsforsinkelsesmåling inkluderer en del af stigningstiden). Man bør bemærke de forskellige påvirkninger, der påvirker formeringstiden (figur 2). Disse faktorer inkluderer temperatur, belastningskapacitans og spændingsdrev, der overstiger koblingstærsklen (input overdrive). Formeringstid kaldes tPD – for den inverterende indgang og tPD+ for den ikke-inverterende indgang. Forskellen mellem tPD+ og tPD – kaldes skævhed. Forsyningsspænding har også en stærk effekt på udbredelsestiden.

figur 2. Virkningen af ydre påvirkninger på udbredelsestiden.
for en given applikation skal du vælge enten en komparator med høj hastighed eller en, der sparer strøm. Maxim tilbyder en vifte af resultater til dette formål: fra MAX919 (800nA, 30µs) til MAX9075 (6µA, 540ns); fra MAX998 (600µA, 20ns) til MAX961 (11mA, 4.5 ns); fra MAX9140(165µA, 40ns) til MAX9203 (1,3 mA, 7ns); og fra MAX9107 (350µA, 25ns) til MAX9010 (900µA, 5ns). MAKS9010 (i en SC70-pakke) repræsenterer et nyttigt kompromis i disse parametre med en 5NS-udbredelsestid og 900 liter forsyningsstrøm.
for ULTRAHØJHASTIGHEDS ECL-og PECL-udgange med 500ps udbredelsesforsinkelse henvises til delfamilierne maks.9600/maks. 9601/maks. 9602.

kommentarer om bestemte komparatorer

den hyppigste anvendelse til komparatorer er sammenligningen mellem en spænding og en stabil reference. Maksim tilbyder forskellige komparatorer, hvor en referencespænding er integreret på chippen. Kombination af reference og komparator i en chip sparer ikke kun plads, men trækker også mindre forsyningsstrøm end en komparator med en ekstern reference. 9117-enhedsfamilien kræver for eksempel kun 1,6 liter maksimum (inklusive reference) over hele temperaturområdet. MAKS44268 kræver kun 1,4 liter maksimum (inklusive reference) over hele temperaturområdet. Præcisionen af en integreret reference varierer typisk fra 1% til 4%. For høj nøjagtighed tilbyder referencer i MAKS9040-familien af komparatorer imidlertid 0,4% indledende nøjagtighed og en maksimal Temperaturdrift på 30 ppm/liter C.9017/maks.9018, maks. 923, maks. 933 og maks. 967 / maks. 968 dobbelte komparatorer og open-drain-output maks. 973, maks. 983, dobbelte komparatorer er ideelle til vinduekomparatorapplikationer. Fordi den integrerede reference inden for alle disse enheder kan oprette forbindelse til komparatorens inverterende eller ikke-inverterende input, kan overspændings-og underspændingstærskler implementeres med kun tre eksterne modstande. Disse komponenter giver også en hysteresestift. Ved at tilføje to yderligere eksterne modstande tillader denne stift tilføjelsen af en hysteresetærskel, som vist i Figur 1. 912 / 913 tilbyder komplementære udgange – dvs.to udgange, der overgår i den modsatte retning af hinanden for en ændring af relativ inputpolaritet.
Hurtig udbredelsesforsinkelse (1ms typisk ved 5MV overdrive) gør MAKS9201/MAKS9203 ideel til hurtige ADC ‘ er og prøveudtagningskredsløb som modtagere, V/F-konvertere og mange andre datakriminerende applikationer.

andre højhastighedskomparatorer med lav effekt som MAKS9107/MAKS9108/MAKS9109 er billige opgraderinger til industristandardkomparatorer, MAKS907/MAKS908/MAKS909. MAKS9013 er en forbedret plug-in erstatning for industristandarden MAKS913 og LT1016/LT1116. 9107, tilbydes i en pladsbesparende 8-polet SOT23-pakke. 9109, Fås i en lille 6-polet SC70, mens firbenet komparator, MAKS9108, tilbydes i en 14-polet TSSOP. Se tabel 4 og figur 3.
Tabel 4. Ultrahurtige komparatorer

figur 3. Illustration af de bedste hastigheds – / effektvalg for en komparator i en SC70-pakke.

applikationer

dette afsnit introducerer tre applikationer, der kræver komparatorer.
det første eksempel ansøgning er et niveau shifter fra 3V logik til 5V logik. Som vist i figur 4 kræver dette kredsløb kun en enkelt komparator med en åben afløbsudgang som i MAKS986. Kredsløbet giver stor fleksibilitet ved valg af spændinger, der skal oversættes. Det giver også mulighed for oversættelse af bipolær Kurt 5V-logik til unipolær 3V-logik ved hjælp af MAKS972. I denne applikation skal du passe på, at ingen spænding overstiger den maksimale spænding, der er tilladt på en pin, og at strømmen i output er begrænset af en tilstrækkelig stor værdi pull-up modstand (se MAKS986 ‘ s absolutte maksimale Ratings i databladet).

figur 4. Niveau oversættelse fra 3V til 5V logik.
kredsløbet i figur 5 løser et andet ofte stødt problem. Konfigureret som vist konverterer en enkelt unipolær komparator et bipolært indgangssignal (en sinusbølge i dette tilfælde) til et unipolært Digitalt udgangssignal. Den krævede offsetspænding beregnes som:


figur 5. Unipolær komparator med bipolært indgangssignal.
som vist ovenfor i figur 5 etablerer to modstande med samme værdi (mærket R4) komparatorens tærskelværdi ved halvdelen af forsyningsspændingen. I kredsløbet i figur 6 danner fire komparatorudgange en termometermåler, der angiver et af fire intervaller for indgangsstrømniveauet. Shunt-modstanden konverterer indgangsstrømmen til en spænding, og modstande R1 og R2 indstiller op-amp-forstærkningen efter behov for det ønskede niveau af referencespænding. Modstande R4 til R7 angiver tærskler for de ønskede digitale udgange.

figur 6. Løsning af en aktuel måling i en af fire intervaller.
En lignende version af denne artikel dukkede op i 1.juli 2001-udgaven af magasinet ECN.