Selección del Comparador correcto

El comparador a menudo se encuentra a la sombra de su hermano mayor, el amplificador operacional (op amp). Su condición humilde se ve compensada por las características que distinguen a los comparadores modernos y los hacen ideales para su tarea básica: comparar dos voltajes. En este artículo se explican las características de los comparadores y se describen los parámetros que deben tenerse en cuenta al seleccionar los comparadores.

La función de un comparador

Un comparador acepta dos señales analógicas y produce una señal binaria en la salida, una función cuya tensión de entrada es mayor. La señal de salida permanece constante a medida que cambia el voltaje de entrada diferencial. Cuando se describe de esa manera, el comparador se asemeja a un ADC de 1 bit.

Comparadores y amplificadores operativos

Un amplificador operativo que se ejecuta sin retroalimentación negativa puede servir como comparador, ya que su ganancia de alto voltaje le permite resolver diferencias muy pequeñas en el voltaje de entrada. Los amplificadores de operación utilizados de esta manera son generalmente más lentos que los comparadores y carecen de otras características especiales, como histéresis y referencias internas.los comparadores generalmente no se pueden usar como amplificadores operativos. Están recortados para proporcionar excelentes tiempos de conmutación a expensas de la corrección de respuesta de frecuencia que hace que los amplificadores operativos sean tan versátiles. La histéresis interna empleada en muchos comparadores, que evita la oscilación en la salida, también impide su uso como amplificadores de operación.

Tensión de alimentación

Los comparadores funcionan con las mismas tensiones de alimentación utilizadas por los amplificadores operativos. Muchos comparadores antiguos requieren bipolar (p. ej., ±15V) o tensiones de alimentación unipolares de hasta 36V. Estas tensiones de alimentación se siguen utilizando en aplicaciones industriales.
Para la mayoría de las aplicaciones nuevas, sin embargo, el comparador funciona dentro del rango de bajos voltajes unipolares que se encuentran típicamente en dispositivos que funcionan con baterías. Las aplicaciones modernas para comparadores requieren un bajo consumo de corriente, paquetes pequeños y (en algunos casos) una función de apagado. Los comparadores MAX919, MAX9119 y MAX9019, por ejemplo, funcionan con voltajes de 1,6 V o 1,8 V a 5,5 V, dibujan un máximo de 1.2µA / 2µA en todo el rango de temperatura, y están disponibles en paquetes SOT23 y SC70. Las familias de comparadores MAX965 y MAX9100 funcionan con voltajes de alimentación de hasta 1,6 V y 1,0 V, respectivamente. Véase el cuadro 1.Tabla 1. Guía de selección MAX9015-MAX9020

Comparadores en paquetes pequeños

Los comparadores de nano potencia en paquetes de escala de chips (UCSP) que ahorran espacio con una corriente de alimentación baja de 1µA, como las familias MAX9025-MAX9098, son ideales para aplicaciones de sistemas de energía ultrabaja. Disponible en pequeños paquetes SC70 de 5 pines, las familias de un solo comparador MAX9117-MAX9120 cuentan con una corriente de alimentación ultrabaja de 600nA con dos salidas desde las que seleccionar, empujar-tirar o drenar abierto. Véase el cuadro 2. Estos comparadores son ideales para todas las aplicaciones de monitoreo/administración de baterías de 2 celdas.Cuadro 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

Características básicas del comparador

Un comparador normalmente cambia su estado de salida cuando el voltaje entre sus entradas cruza aproximadamente cero voltios. Pequeñas fluctuaciones de voltaje, siempre presentes en las entradas, producen diferencias de voltaje muy pequeñas. Cuando la diferencia de voltaje está cerca de cero voltios, puede causar cambios indeseables en el estado de salida del comparador . Para evitar esta oscilación de salida, se integra una pequeña histéresis de unos pocos milivoltios en muchos comparadores modernos. En lugar de un punto de conmutación, la histéresis introduce dos: una para tensiones ascendentes y otra para tensiones descendentes (Figura 1). La diferencia entre el valor de disparo de nivel más alto (VTRIP+) y el valor de disparo de nivel más bajo (VTRIP -) es igual al voltaje de histéresis (VHYST). Para comparadores con histéresis, el voltaje de desplazamiento (VOS) es simplemente el valor medio de VTRIP+ y VTRIP-.

Figura 1. Umbrales de conmutación, histéresis y tensión de desplazamiento.
Para comparadores sin histéresis, la diferencia de voltaje entre las entradas necesarias para cambiar el comparador es la tensión de desplazamiento, en lugar de la tensión cero requerida por un comparador ideal. Sin embargo, la tensión de desplazamiento (y, en consecuencia, la tensión de conmutación) cambia con la temperatura y la tensión de alimentación. Una medida de esa dependencia es la relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR), que muestra la relación entre un cambio en la tensión de alimentación nominal y el cambio resultante en la tensión de desplazamiento.

Las entradas de un comparador ideal exhiben una resistencia de entrada infinitamente alta y, por lo tanto, no fluye corriente a sus entradas. Para los comparadores reales, sin embargo, las corrientes que fluyen en sus entradas también fluyen a través de la resistencia interna de cualquier fuente de voltaje que esté conectada a ellos, generando así un voltaje de error. La corriente de sesgo (IBIA) se define como el valor medio de las dos corrientes de entrada del comparador. Para las familias de comparadores MAX917 y MAX9117, por ejemplo, la corriente máxima IBIAS es de 2Na en todo el rango de temperatura, y menos de 1nA a temperatura ambiente, 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. Algunos comparadores Maxim emplean la conmutación paralela de dos etapas de entrada npn/pnp, lo que ha permitido voltajes de entrada de hasta 250 Mv más allá de cada riel de alimentación. Estos dispositivos se denominan comparadores más allá del carril. La gama de voltajes de modo común de entrada disponibles se puede encontrar en la hoja de datos del comparador. Por ejemplo, las familias de comparadores de nanopotencia MAX9015-MAX9020, MAX9025-MAX9028 y MAX9117-MAX9120 tienen rangos de voltaje de entrada de modo común que se extienden 200 Mv más allá de los rieles. A diferencia de la conmutación de dos abrazaderas de diodos ESD como etapa de entrada, la familia de comparadores MAX9060-MAX9064 implementa una arquitectura de etapa de entrada diferente, que permite que su voltaje de entrada exceda el voltaje de alimentación en varios voltios.

Salidas del comparador

Debido a que los comparadores solo tienen dos estados de salida, sus salidas están cerca de cero o cerca de la tensión de alimentación. Los comparadores bipolares de carril a carril tienen una salida de emisor común que produce una pequeña caída de tensión entre la salida y cada carril. Esa caída es igual al voltaje colector-emisor de un transistor saturado. Cuando las corrientes de salida son ligeras, los voltajes de salida de los comparadores de carril a carril CMOS, que dependen de un MOSFET saturado, se extienden más cerca de los carriles que sus contrapartes bipolares.
Un criterio para seleccionar un comparador es el tiempo que tarda su salida en alterar su estado después de que se haya aplicado una señal en su entrada. Este tiempo de propagación también debe tener en cuenta el retardo de propagación a través del componente y los tiempos de subida/bajada en el controlador de salida. Un comparador muy rápido como el MAX961 y el MAX9010-MAX9013, por ejemplo, tiene un retardo de propagación típico de solo 4,5 ns o 5ns, y un tiempo de subida de 2.3ns y 3ns, respectivamente. (Recuerde que la medición de retardo de propagación incluye una parte del tiempo de subida). Hay que tener en cuenta las diferentes influencias que afectan al tiempo de propagación (Figura 2). Estos factores incluyen la temperatura, la capacitancia de carga y la unidad de voltaje en exceso del umbral de conmutación (sobremarcha de entrada). El tiempo de propagación se llama tPD – para la entrada invertida, y tPD+ para la entrada no invertida. La diferencia entre tPD+ y tPD-se denomina sesgo. La tensión de alimentación también tiene un fuerte efecto en el tiempo de propagación.

Figura 2. El efecto de las influencias externas sobre el tiempo de propagación.Para una aplicación determinada, seleccione un comparador con alta velocidad o uno que ahorre energía. Maxim ofrece un rango de rendimiento para este propósito: desde el MAX919 (800nA, 30µs) hasta el MAX9075 (6µA, 540ns); desde el MAX998 (600µA, 20ns) hasta el MAX961 (11mA, 4.5 ns); desde el MAX9140(165µA, 40ns) hasta el MAX9203 (1.3 mA, 7ns); y desde el MAX9107 (165µA, 40ns) 350µA, 25ns) al MAX9010 (900µA, 5ns). El MAX9010 (en un paquete SC70) representa un compromiso útil en estos parámetros, con un tiempo de propagación de 5 n y una corriente de suministro de 900 µA. Para salidas ECL y PECL de ultra alta velocidad con retardo de propagación de 500ps, consulte las familias de piezas MAX9600/MAX9601/MAX9602.

Comentarios sobre comparadores particulares

La aplicación más frecuente para comparadores es la comparación entre un voltaje y una referencia estable. Maxim ofrece varios comparadores en los que se integra una tensión de referencia en el chip. La combinación de la referencia y el comparador en un solo chip no solo ahorra espacio, sino que también consume menos corriente de suministro que un comparador con una referencia externa. La familia de dispositivos MAX9117, por ejemplo, solo requiere un máximo de 1,6 µA (incluida la referencia) en todo el rango de temperatura. El MAX44268 solo requiere un máximo de 1,4 µA (incluida la referencia) en todo el rango de temperatura. La precisión de una referencia integrada suele oscilar entre el 1% y el 4%. Sin embargo, para una alta precisión, las referencias de la familia de comparadores MAX9040 ofrecen una precisión inicial del 0,4% y una desviación de temperatura máxima de 30 ppm/°C.
Los comparadores duales MAX9017/MAX9018, MAX923, MAX933 y MAX967/MAX968 y los comparadores duales MAX973, MAX983 de salida de drenaje abierto son ideales para aplicaciones de comparación de ventanas. Debido a que la referencia integrada en todos estos dispositivos se puede conectar a la entrada invertida o no invertida del comparador, los umbrales de sobretensión y subtensión se pueden implementar con solo tres resistencias externas. Estos componentes también proporcionan un pasador de histéresis. Al agregar dos resistencias externas adicionales, este pasador permite agregar un umbral de histéresis, como se muestra en la Figura 1. Algunos comparadores, como el MAX912/913, ofrecen salidas complementarias, es decir, dos salidas que transitan en la dirección opuesta una de la otra para un cambio de polaridad de entrada relativa.El retardo de propagación rápido (1 ms típicamente a sobremarcha de 5 Mv) hace que el MAX9201/MAX9203 sea ideal para ADC rápidos y circuitos de muestreo como receptores, convertidores V/F y muchas otras aplicaciones que discriminan datos. Otros comparadores de alta velocidad y baja potencia como MAX9107 / MAX9108 / MAX9109 son actualizaciones de bajo costo a los comparadores estándar de la industria, MAX907 / MAX908 / MAX909. El MAX9013 es un reemplazo de plug-in mejorado para el estándar de la industria MAX913 y LT1016 / LT1116. El comparador dual, MAX9107, se ofrece en un paquete SOT23 de 8 pines que ahorra espacio. El comparador individual, MAX9109, está disponible en un pequeño SC70 de 6 pines, mientras que el comparador cuádruple, MAX9108, se ofrece en un TSSOP de 14 pines. Véase el cuadro 4 y la figura 3.Tabla 4. Ultra-Rápido Comparadores

Figura 3. Ilustración de las mejores opciones de velocidad/potencia para un comparador en un paquete SC70.

Aplicaciones

Esta sección presenta tres aplicaciones que requieren comparadores.La primera aplicación de ejemplo es un cambiador de nivel de lógica de 3V a lógica de 5V. Como se muestra en la Figura 4, este circuito solo requiere un comparador único con una salida de drenaje abierto como en el MAX986. El circuito proporciona una gran flexibilidad en la elección de los voltajes a traducir. También permite la traducción de la lógica bipolar ±5V a la lógica unipolar de 3V utilizando el MAX972. En esa aplicación, tenga cuidado de que ningún voltaje exceda el voltaje máximo permitido en cualquier pin y que la corriente en la salida esté limitada por una resistencia pull-up de valor suficientemente grande (consulte las clasificaciones máximas absolutas del MAX986 en su hoja de datos).

Figura 4. Traducción de nivel de lógica de 3V a 5V.El circuito de la Figura 5 resuelve otro problema frecuente. Configurado como se muestra, un único comparador unipolar convierte una señal de entrada bipolar (una onda sinusoidal en este caso) en una señal de salida digital unipolar. El voltaje de desplazamiento requerido se calcula como:


Figura 5. Comparador unipolar con señal de entrada bipolar.Como se muestra en la Figura 5, dos resistencias de igual valor (etiquetadas como R4) establecen el umbral de disparo del comparador a la mitad de la tensión de alimentación. En el circuito de la Figura 6, cuatro salidas de comparador forman un medidor de termómetro que indica uno de los cuatro rangos para el nivel de corriente de entrada. La resistencia de derivación convierte la corriente de entrada en un voltaje, y las resistencias R1 y R2 establecen la ganancia de amplificador operativo según sea necesario para el nivel deseado de voltaje de referencia. Las resistencias R4 a R7 indican umbrales para las salidas digitales deseadas.

Figura 6. Resolver una medición de corriente en uno de los cuatro rangos.Una versión similar de este artículo apareció en la edición del 1 de julio de 2001 de la revista ECN.