Selezione del comparatore giusto

Il comparatore si trova spesso all’ombra del suo fratello maggiore, l’amplificatore operazionale (op amp). Il suo stato umile è compensato dalle caratteristiche che distinguono i comparatori moderni e li rendono ideali per il loro compito di base: confrontare due tensioni. Questo articolo spiega le caratteristiche del comparatore e descrive i parametri da considerare quando si selezionano i comparatori.

La funzione di un comparatore

Un comparatore accetta due segnali analogici e produce un segnale binario in uscita, una funzione di cui la tensione di ingresso è più alta. Il segnale di uscita rimane costante al variare della tensione di ingresso differenziale. Quando descritto in questo modo, il comparatore assomiglia a un ADC a 1 bit.

Confrontando comparatori e amplificatori operazionali

Un op amp in esecuzione senza feedback negativo può servire come comparatore, perché il suo guadagno ad alta tensione consente di risolvere molto piccole differenze di tensione in ingresso. Gli amplificatori operazionali utilizzati in questo modo sono generalmente più lenti dei comparatori e mancano di altre caratteristiche speciali, come l’isteresi e i riferimenti interni.
I comparatori non possono generalmente essere usati come amplificatori operazionali. Sono tagliati per fornire tempi di commutazione eccellenti a scapito della correzione della risposta in frequenza che rende gli amplificatori operazionali così versatili. L’isteresi interna impiegata in molti comparatori, che impedisce l’oscillazione in uscita, impedisce anche il loro uso come amplificatori operazionali.

Tensione di alimentazione

I comparatori funzionano con le stesse tensioni di alimentazione utilizzate dagli amplificatori operazionali. Molti comparatori più vecchi richiedono bipolare (ad es., ±15V) o tensioni di alimentazione unipolari fino a 36V. Queste tensioni di alimentazione sono ancora utilizzate in applicazioni industriali.
Per la maggior parte delle nuove applicazioni, tuttavia, il comparatore funziona all’interno della gamma di basse tensioni unipolari tipicamente presenti nei dispositivi a batteria. Le moderne applicazioni per i comparatori richiedono un basso consumo di corrente, piccoli pacchetti e (in alcuni casi) una funzione di spegnimento. I comparatori MAX919, MAX9119 e MAX9019, ad esempio, funzionano con tensioni da 1,6 V o da 1,8 V a 5,5 V, per un massimo di 1.2µA / 2µA su tutta la gamma di temperature, e sono disponibili in un SOT23 e SC70 pacchetti. Le famiglie di comparatori MAX965 e MAX9100 funzionano con tensioni di alimentazione fino a 1,6 V e 1,0 V, rispettivamente. Cfr. Tabella 1.

Tabella 1. MAX9015 – MAX9020 Guida alla selezione

Comparatori in piccoli pacchetti

Comparatori nano-alimentati in pacchetti chip-scale (UCSP) salvaspazio con una bassa corrente di alimentazione di 1µA, come le famiglie MAX9025-MAX9098, sono ideali per applicazioni di sistemi a bassissima potenza. Disponibili in piccoli pacchetti SC70 a 5 pin, le famiglie di comparatori singoli MAX9117-MAX9120 dispongono di una corrente di alimentazione ultra-bassa da 600nA con due uscite da selezionare, push-pull o open-drain. Cfr. Tabella 2. Questi comparatori sono ideali per tutte le applicazioni di monitoraggio/gestione della batteria a 2 celle.
Tabella 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

Caratteristiche di base del comparatore

Un comparatore normalmente cambia il suo stato di uscita quando la tensione tra i suoi ingressi attraversa circa zero volt. Piccole fluttuazioni di tensione, sempre presenti sugli ingressi, producono differenze di tensione molto piccole. Quando la differenza di tensione è vicino a zero volt, può causare cambiamenti indesiderati nello stato di uscita del comparatore . Per evitare questa oscillazione di uscita, una piccola isteresi di pochi millivolt è integrata in molti comparatori moderni. Al posto di un punto di commutazione, l’isteresi introduce due: uno per tensioni ascendenti e uno per tensioni cadenti (Figura 1). La differenza tra il valore di viaggio di livello superiore (VTRIP+) e il valore di viaggio di livello inferiore (VTRIP -) è uguale alla tensione di isteresi (VHYST). Per i comparatori con isteresi, la tensione di offset (VOS) è semplicemente il valore medio di VTRIP+ e VTRIP-.

Figura 1. Soglie di commutazione, isteresi e tensione di offset.
Per i comparatori senza isteresi, la differenza di tensione tra gli ingressi necessari per commutare il comparatore è la tensione di offset, piuttosto che la tensione zero richiesta da un comparatore ideale. Tuttavia, la tensione di offset (e, di conseguenza, la tensione di commutazione) cambia con la temperatura e la tensione di alimentazione. Una misura di tale dipendenza è il rapporto di reiezione dell’alimentazione (PSRR), che mostra la relazione tra una variazione della tensione di alimentazione nominale e la risultante variazione della tensione di offset.

Gli ingressi di un comparatore ideale presentano una resistenza di ingresso infinitamente elevata, e quindi nessuna corrente fluisce nei suoi ingressi. Per i comparatori reali, tuttavia, le correnti che fluiscono nei loro ingressi fluiscono anche attraverso la resistenza interna di qualsiasi sorgente di tensione ad essi collegata, generando così una tensione di errore. La corrente di polarizzazione (IBIAS) è definita come il valore mediano delle due correnti di ingresso del comparatore. Per le famiglie di comparatori MAX917 e MAX9117, ad esempio, la corrente massima di IBIAS è 2Na sull’intero intervallo di temperatura e inferiore a 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. Alcuni comparatori Maxim impiegano la commutazione parallela di due stadi di ingresso npn / pnp, che ha permesso tensioni di ingresso fino a 250mV oltre ogni binario di alimentazione. Tali dispositivi sono chiamati comparatori Beyond-the-Rail. La gamma di tensioni di modo comune in ingresso disponibili è disponibile nella scheda tecnica del comparatore. Ad esempio, le famiglie di comparatori nanopower MAX9015-MAX9020, MAX9025-MAX9028 e MAX9117-MAX9120 hanno tutte gamme di tensione in ingresso di modo comune che estendono 200mV oltre le rotaie. A differenza della commutazione di due morsetti a diodi ESD come stadio di ingresso, la famiglia di comparatori MAX9060-MAX9064 implementa una diversa architettura dello stadio di ingresso, che consente alla tensione di ingresso di superare la tensione di alimentazione di diversi volt.

Uscite del comparatore

Poiché i comparatori hanno solo due stati di uscita, le loro uscite sono vicine allo zero o vicino alla tensione di alimentazione. I comparatori bipolari rail-to-rail hanno un’uscita di emettitore comune che produce una piccola caduta di tensione tra l’uscita e ciascuna guida. Quella goccia è uguale alla tensione collettore-emettitore di un transistor saturo. Quando le correnti di uscita sono leggere, le tensioni di uscita dei comparatori CMOS rail-to-rail, che si basano su un MOSFET saturo, si avvicinano alle rotaie rispetto alle loro controparti bipolari.
Un criterio per la selezione di un comparatore è il tempo impiegato dalla sua uscita per alterare il suo stato dopo che un segnale è stato applicato al suo ingresso. Questo tempo di propagazione deve tenere conto del ritardo di propagazione attraverso il componente e dei tempi di salita/discesa anche nel driver di uscita. Un comparatore molto veloce come MAX961 e MAX9010-MAX9013, ad esempio, ha un tipico ritardo di propagazione di soli 4,5 ns o 5ns e un tempo di salita di 2.3ns e 3ns, rispettivamente. (Ricorda che la misurazione del ritardo di propagazione include una parte del tempo di salita). Si dovrebbero notare le diverse influenze che influenzano il tempo di propagazione (Figura 2). Questi fattori includono la temperatura, la capacità di carico e l’azionamento di tensione in eccesso rispetto alla soglia di commutazione (overdrive di ingresso). Il tempo di propagazione è chiamato tPD – per l’input invertente e tPD + per l’input non invertente. La differenza tra tPD + e tPD – è chiamata skew. La tensione di alimentazione ha anche un forte effetto sul tempo di propagazione.

Figura 2. L’effetto delle influenze esterne sul tempo di propagazione.
Per una determinata applicazione, selezionare un comparatore ad alta velocità o uno che consente di risparmiare energia. Maxim offre una gamma di prestazioni per questo scopo: dal MAX919 (800nA, 30µs) al MAX9075 (6µA, 540ns); dal MAX998 (600µA, 20ns) al MAX961 (11mA, 4.5 ns); dal MAX9140(165µA, 40ns) al MAX9203 (1.3 mA, 7ns); e dal MAX9107 (350µA, 25ns) al MAX9010 (900µA, 5ns). Il MAX9010 (in un pacchetto SC70) rappresenta un utile compromesso in questi parametri, con un tempo di propagazione di 5ns e una corrente di alimentazione di 900µA.
Per le uscite ECL e PECL ad altissima velocità con ritardo di propagazione di 500ps, fare riferimento alle famiglie di componenti MAX9600/MAX9601/MAX9602.

Commenti su particolari comparatori

L’applicazione più frequente per i comparatori è il confronto tra una tensione e un riferimento stabile. Maxim offre vari comparatori in cui una tensione di riferimento è integrata sul chip. La combinazione del riferimento e del comparatore in un unico chip non solo consente di risparmiare spazio, ma assorbe anche meno corrente di alimentazione rispetto a un comparatore con un riferimento esterno. La famiglia di dispositivi MAX9117, ad esempio, richiede solo un massimo di 1,6 µA (incluso il riferimento) sull’intero intervallo di temperatura. Il MAX44268 richiede soltanto 1,4 µA massimo (riferimento compreso) sopra l’intera gamma di temperature. La precisione di un riferimento integrato varia tipicamente dall ‘ 1% al 4%. Per un’elevata precisione, tuttavia, i riferimenti nella famiglia di comparatori MAX9040 offrono una precisione iniziale dello 0,4% e una deriva di temperatura massima di 30 ppm/°C.
I due comparatori MAX9017/MAX9018, MAX923, MAX933 e MAX967/MAX968 e i due comparatori a scarico aperto MAX973, MAX983 sono ideali per applicazioni con comparatori a finestra. Poiché il riferimento integrato all’interno di tutti questi dispositivi può connettersi all’ingresso invertente o non invertente del comparatore, le soglie di sovratensione e sottotensione possono essere implementate con soli tre resistori esterni. Questi componenti forniscono anche un perno di isteresi. Aggiungendo due resistori esterni aggiuntivi, questo pin consente l’aggiunta di una soglia di isteresi, come mostrato in Figura 1. Alcuni comparatori come MAX912/913 offrono uscite complementari, ovvero due uscite che transitano nella direzione opposta l’una all’altra per un cambiamento della polarità relativa dell’ingresso.

Veloce ritardo di propagazione (1 ms in genere a 5mV overdrive) rende il MAX9201/MAX9203 ideale per ADC veloci e circuiti di campionamento come ricevitori, convertitori V/F, e molte altre applicazioni discriminanti dati.
Altri ad alta velocità, comparatori a bassa potenza come il MAX9107/MAX9108/MAX9109 sono aggiornamenti a basso costo per i comparatori standard del settore, MAX907/MAX908/MAX909. Il MAX9013 è una sostituzione plug-in migliorata per lo standard del settore MAX913 e LT1016/LT1116. Il doppio comparatore, MAX9107, è offerto in un pacchetto SOT23 a 8 pin salvaspazio. Il comparatore singolo, MAX9109, è disponibile in un minuscolo SC70 a 6 pin, mentre il comparatore quad, MAX9108, è offerto in un TSSOP a 14 pin. Cfr. Tabella 4 e Figura 3.
Tabella 4. Comparatori ultraveloci

Figura 3. Illustrazione delle migliori scelte di velocità / potenza per un comparatore in un pacchetto SC70.

Applicazioni

Questa sezione introduce tre applicazioni che richiedono comparatori.
Il primo esempio di applicazione è un cambio di livello dalla logica 3V alla logica 5V. Come mostrato in Figura 4, questo circuito richiede solo un singolo comparatore con uscita open drain come nel MAX986. Il circuito offre grande flessibilità nella scelta delle tensioni da tradurre. Consente inoltre la traduzione della logica bipolare ±5V in logica unipolare 3V utilizzando il MAX972. In tale applicazione, fare attenzione che nessuna tensione superi la tensione massima consentita su qualsiasi pin e che la corrente nell’uscita sia limitata da un resistore di pull-up di valore sufficientemente grande (fare riferimento ai valori massimi assoluti di MAX986 nella sua scheda tecnica).

Figura 4. Livello di traduzione da 3 V a 5 V logica.
Il circuito di Figura 5 risolve un altro problema frequentemente riscontrato. Configurato come mostrato, un singolo comparatore unipolare converte un segnale di ingresso bipolare (un’onda sinusoidale in questo caso) in un segnale di uscita digitale unipolare. La tensione di offset richiesta è calcolata come:


Figura 5. Comparatore unipolare con segnale di ingresso bipolare.
Come mostrato sopra in Figura 5, due resistori di valore uguale (etichettati R4) stabiliscono la soglia di viaggio del comparatore a metà della tensione di alimentazione. Nel circuito della Figura 6, quattro uscite del comparatore formano un indicatore del termometro che indica uno dei quattro intervalli per il livello di corrente in ingresso. Il resistore shunt converte la corrente di ingresso in una tensione e i resistori R1 e R2 impostano il guadagno op-amp come richiesto per il livello desiderato di tensione di riferimento. I resistori da R4 a R7 indicano soglie per le uscite digitali desiderate.

Figura 6. Risoluzione di una misura di corrente in uno dei quattro intervalli.
Una versione simile di questo articolo è apparso nel numero di luglio 1, 2001 della rivista ECN.