Sélection du bon Comparateur

Le comparateur se trouve souvent dans l’ombre de son grand frère, l’amplificateur opérationnel (ampli op). Son statut modeste est compensé par les caractéristiques qui distinguent les comparateurs modernes et les rendent idéaux pour leur tâche de base: comparer deux tensions. Cet article explique les caractéristiques des comparateurs et décrit les paramètres à prendre en compte lors de la sélection des comparateurs.

La Fonction d’un comparateur

Un comparateur accepte deux signaux analogiques et produit en sortie un signal binaire dont la tension d’entrée est supérieure en fonction. Le signal de sortie reste constant lorsque la tension d’entrée différentielle change. Lorsqu’il est décrit de cette façon, le comparateur ressemble à un CAN 1 bit.

Comparaison des comparateurs et des amplis Op

Un ampli op fonctionnant sans rétroaction négative peut servir de comparateur, car son gain de tension élevé lui permet de résoudre de très petites différences de tension d’entrée. Les amplis op utilisés de cette manière sont généralement plus lents que les comparateurs et manquent d’autres fonctionnalités spéciales, telles que l’hystérésis et les références internes.
Les comparateurs ne peuvent généralement pas être utilisés comme amplis op. Ils sont ajustés pour fournir d’excellents temps de commutation au détriment de la correction de la réponse en fréquence qui rend les amplis op si polyvalents. L’hystérésis interne utilisée dans de nombreux comparateurs, qui empêche l’oscillation en sortie, empêche également leur utilisation comme amplis op.

Tension d’alimentation

Les comparateurs fonctionnent avec les mêmes tensions d’alimentation utilisées par les amplis op. De nombreux comparateurs plus anciens nécessitent un bipolaire (p. ex., ± 15V) ou des tensions d’alimentation unipolaires aussi élevées que 36V. Ces tensions d’alimentation sont encore utilisées dans des applications industrielles.
Pour la plupart des nouvelles applications, cependant, le comparateur fonctionne dans la plage des faibles tensions unipolaires que l’on trouve généralement dans les appareils fonctionnant sur batterie. Les applications modernes de comparateurs nécessitent une faible consommation de courant, de petits boîtiers et (dans certains cas) une fonction d’arrêt. Les comparateurs MAX919, MAX9119 et MAX9019, par exemple, fonctionnent avec des tensions de 1,6 V ou 1,8 V à 5,5V, dessinent un maximum de 1.2µA / 2µA sur toute la plage de température, et sont disponibles dans des boîtiers SOT23 et SC70. Les familles de comparateurs MAX965 et MAX9100 fonctionnent avec des tensions d’alimentation aussi basses que 1,6 V et 1,0V, respectivement. Voir Tableau 1.

Tableau 1. Guide de sélection MAX9015-MAX9020

Comparateurs en petits paquets

Les comparateurs Nano-alimentés dans des paquets peu encombrants à l’échelle des puces (UCSP) avec un faible courant d’alimentation de 1µA, tels que les familles MAX9025-MAX9098, sont idéaux pour les applications de systèmes à très faible puissance. Disponibles en petits boîtiers SC70 à 5 broches, les familles de comparateurs simples MAX9117-MAX9120 disposent d’un courant d’alimentation ultra-faible de 600nA avec deux sorties à partir desquelles sélectionner, pousser-tirer ou ouvrir-drain. Voir Tableau 2. Ces comparateurs sont idéaux pour toutes les applications de surveillance / gestion de batteries à 2 cellules.
Tableau 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

Caractéristiques de base du comparateur

Un comparateur change normalement d’état de sortie lorsque la tension entre ses entrées traverse approximativement zéro volts. De petites fluctuations de tension, toujours présentes sur les entrées, produisent de très petites différences de tension. Lorsque la différence de tension est proche de zéro volts, elle peut provoquer des changements indésirables dans l’état de sortie du comparateur. Pour éviter cette oscillation de sortie, une petite hystérésis de quelques millivolts est intégrée dans de nombreux comparateurs modernes. Au lieu d’un point de commutation, l’hystérésis en introduit deux: un pour les tensions montantes et un pour les tensions descendantes (figure 1). La différence entre la valeur de déclenchement de niveau supérieur (VTRIP+) et la valeur de déclenchement de niveau inférieur (VTRIP-) est égale à la tension d’hystérésis (VHYST). Pour les comparateurs à hystérésis, la tension de décalage (VOS) est simplement la valeur moyenne de VTRIP+ et VTRIP-.

Figure 1. Seuils de commutation, hystérésis et tension de décalage.

Pour les comparateurs sans hystérésis, la différence de tension entre les entrées nécessaires pour commuter le comparateur est la tension de décalage, plutôt que la tension nulle requise par un comparateur idéal. Cependant, la tension de décalage (et, par conséquent, la tension de commutation) change avec la température et la tension d’alimentation. Une mesure de cette dépendance est le rapport de réjection d’alimentation (PSRR), qui montre la relation entre un changement de la tension d’alimentation nominale et le changement de tension de décalage qui en résulte.
Les entrées d’un comparateur idéal présentent une résistance d’entrée infiniment élevée, et donc aucun courant ne circule dans ses entrées. Pour les comparateurs réels, cependant, les courants qui circulent dans leurs entrées traversent également la résistance interne de toute source de tension qui leur est attachée, générant ainsi une tension d’erreur. Le courant de polarisation (IBIAS) est défini comme la valeur médiane des deux courants d’entrée du comparateur. Pour les familles de comparateurs MAX917 et MAX9117, par exemple, le courant IBIAS maximal est de 2Na sur toute la plage de températures, et inférieur à 1nA à température ambiante, 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. Certains comparateurs Maxim utilisent la commutation parallèle de deux étages d’entrée npn / pnp, ce qui a permis des tensions d’entrée pouvant atteindre 250 MV au-delà de chaque rail d’alimentation. De tels dispositifs sont appelés comparateurs hors rail. La gamme de tensions en mode commun d’entrée disponibles se trouve dans la fiche technique du comparateur. Par exemple, les familles de comparateurs de nanopuissance MAX9015-MAX9020, MAX9025-MAX9028 et MAX9117-MAX9120 ont toutes des plages de tension d’entrée en mode commun qui s’étendent à 200 Mv au-delà des rails. Contrairement à la commutation de deux pinces à diodes ESD en tant qu’étage d’entrée, la famille de comparateurs MAX9060-MAX9064 met en œuvre une architecture d’étage d’entrée différente, ce qui permet à leur tension d’entrée de dépasser la tension d’alimentation de plusieurs volts.

Sorties du comparateur

Les comparateurs n’ayant que deux états de sortie, leurs sorties sont proches de zéro ou proches de la tension d’alimentation. Les comparateurs bipolaires rail à rail ont une sortie d’émetteur commun qui produit une petite chute de tension entre la sortie et chaque rail. Cette chute est égale à la tension collecteur-émetteur d’un transistor saturé. Lorsque les courants de sortie sont légers, les tensions de sortie des comparateurs rail-rail CMOS, qui reposent sur un MOSFET saturé, sont plus proches des rails que leurs homologues bipolaires.

Un critère de sélection d’un comparateur est le temps que sa sortie met à modifier son état après qu’un signal a été appliqué à son entrée. Ce temps de propagation doit tenir compte du retard de propagation à travers le composant et des temps de montée / descente dans le pilote de sortie. Un comparateur très rapide comme le MAX961, et MAX9010-MAX9013, par exemple, a un retard de propagation typique de seulement 4,5ns ou 5 ns, et un temps de montée de 2.3ns et 3ns, respectivement. (N’oubliez pas que la mesure du retard de propagation inclut une partie du temps de montée). Il convient de noter les différentes influences qui affectent le temps de propagation (Figure 2). Ces facteurs incluent la température, la capacité de charge et la commande de tension au-delà du seuil de commutation (overdrive d’entrée). Le temps de propagation est appelé tPD- pour l’entrée inverseuse et tPD+ pour l’entrée non inverseuse. La différence entre tPD + et tPD- est appelée biais. La tension d’alimentation a également un fort effet sur le temps de propagation.

Figure 2. L’effet des influences extérieures sur le temps de propagation.
Pour une application donnée, sélectionnez soit un comparateur à grande vitesse, soit un comparateur économisant de l’énergie. Maxim offre une gamme de performances à cet effet: du MAX919 (800nA, 30µs) au MAX9075 (6µA, 540ns); du MAX998 (600µA, 20ns) au MAX961 (11mA, 4,5ns); du MAX9140 (165µA, 40ns) au MAX9203 (1,3 mA, 7ns); et du MAX9107 (165µA, 40ns). 350µA, 25ns) au MAX9010 (900µA, 5ns). Le MAX9010 (dans un package SC70) représente un compromis utile dans ces paramètres, avec un temps de propagation de 5ns et un courant d’alimentation de 900µA.
Pour les sorties ECL et PECL ultra-rapides avec un retard de propagation de 500ps, reportez-vous aux familles de pièces MAX9600 / MAX9601 / MAX9602.

Commentaires sur des comparateurs particuliers

L’application la plus fréquente des comparateurs est la comparaison entre une tension et une référence stable. Maxim propose différents comparateurs dans lesquels une tension de référence est intégrée sur la puce. La combinaison de la référence et du comparateur dans une seule puce permet non seulement d’économiser de l’espace, mais également de tirer moins de courant d’alimentation qu’un comparateur avec une référence externe. La famille d’appareils MAX9117, par exemple, ne nécessite que 1,6 µA maximum (référence incluse) sur toute la plage de température. Le MAX44268 ne nécessite que 1,4 µA maximum (référence incluse) sur toute la plage de température. La précision d’une référence intégrée varie généralement de 1% à 4 %. Cependant, pour une précision élevée, les références de la famille de comparateurs MAX9040 offrent une précision initiale de 0,4% et une dérive de température maximale de 30 ppm / ° C.

Les comparateurs doubles MAX9017 / MAX9018, MAX923, MAX933 et MAX967 / MAX968 et les comparateurs doubles MAX973, MAX983 à sortie ouverte conviennent parfaitement aux applications de comparateurs à fenêtres. Étant donné que la référence intégrée dans tous ces appareils peut se connecter à l’entrée inverseuse ou non inverseuse du comparateur, les seuils de surtension et de sous-tension peuvent être mis en œuvre avec seulement trois résistances externes. Ces composants fournissent également une broche d’hystérésis. En ajoutant deux résistances externes supplémentaires, cette broche permet l’ajout d’un seuil d’hystérésis, comme le montre la figure 1. Certains comparateurs tels que les MAX912 / 913 offrent des sorties complémentaires, c’est-à-dire deux sorties qui passent dans le sens opposé l’une de l’autre pour un changement de polarité d’entrée relative.
Un retard de propagation rapide (1 ms généralement à un overdrive de 5 Mv) rend le MAX9201 / MAX9203 idéal pour les CAN rapides et les circuits d’échantillonnage tels que les récepteurs, les convertisseurs V / F et de nombreuses autres applications discriminantes des données.
D’autres comparateurs à haute vitesse et à faible consommation comme les MAX9107 / MAX9108 / MAX9109 sont des mises à niveau à faible coût des comparateurs standard de l’industrie, MAX907 / MAX908 / MAX909. Le MAX9013 est un remplacement enfichable amélioré pour les MAX913 et LT1016 / LT1116 standard de l’industrie. Le double comparateur, MAX9107, est proposé dans un boîtier SOT23 à 8 broches peu encombrant. Le comparateur simple, MAX9109, est disponible dans un minuscule SC70 à 6 broches, tandis que le comparateur quadruple, MAX9108, est proposé dans un TSSOP à 14 broches. Voir Tableau 4 et figure 3.
Tableau 4. Comparateurs ultra-rapides

Figure 3. Illustration des meilleurs choix de vitesse / puissance pour un comparateur dans un boîtier SC70.

Applications

Cette section présente trois applications qui nécessitent des comparateurs.
Le premier exemple d’application est un décaleur de niveau de la logique 3V à la logique 5V. Comme le montre la figure 4, ce circuit ne nécessite qu’un seul comparateur avec une sortie à drain ouvert comme dans le MAX986. Le circuit offre une grande flexibilité dans le choix des tensions à traduire. Il permet également la traduction de la logique bipolaire ± 5V en logique unipolaire 3V en utilisant le MAX972. Dans cette application, veillez à ce qu’aucune tension ne dépasse la tension maximale autorisée sur une broche et que le courant dans la sortie soit limité par une résistance de traction de valeur suffisamment importante (reportez-vous aux valeurs maximales absolues du MAX986 dans sa fiche technique).

Figure 4. Traduction de niveau de la logique 3V à 5V.
Le circuit de la figure 5 résout un autre problème fréquemment rencontré. Configuré comme illustré, un seul comparateur unipolaire convertit un signal d’entrée bipolaire (une onde sinusoïdale dans ce cas) en un signal de sortie numérique unipolaire. La tension de décalage requise est calculée comme suit:


Figure 5. Comparateur unipolaire avec signal d’entrée bipolaire.
Comme illustré ci-dessus sur la figure 5, deux résistances de valeur égale (notées R4) établissent le seuil de déclenchement du comparateur à la moitié de la tension d’alimentation. Dans le circuit de la figure 6, quatre sorties de comparateur forment une jauge de thermomètre indiquant l’une des quatre plages du niveau de courant d’entrée. La résistance shunt convertit le courant d’entrée en une tension, et les résistances R1 et R2 règlent le gain de l’ampli-op comme requis pour le niveau de tension de référence souhaité. Les résistances R4 à R7 désignent des seuils pour les sorties numériques souhaitées.

Figure 6. Résolution d’une mesure de courant dans l’une des quatre plages.
Une version similaire de cet article est parue dans le numéro du 1er juillet 2001 du magazine ECN.