het selecteren van de juiste Comparator

de comparator staat vaak in de schaduw van zijn grote broer, de operationele versterker (op amp). Zijn bescheiden status wordt gecompenseerd door de kenmerken die moderne comparators onderscheiden en maken ze ideaal voor hun fundamentele taak: het vergelijken van twee spanningen. In dit artikel worden de eigenschappen van een comparator uitgelegd en worden de parameters beschreven waarmee rekening moet worden gehouden bij het selecteren van comparators.

de functie van een Comparator

een comparator accepteert twee analoge signalen en produceert een binair signaal aan de uitgang, waarvan de ingangsspanning hoger is. Het uitgangssignaal blijft constant aangezien het differentiële inputvoltage verandert. Als het zo wordt beschreven, lijkt de comparator op een 1-bit ADC.

het vergelijken van comparatoren en Op-versterkers

een op-versterker die zonder negatieve feedback werkt, kan als comparator dienen, omdat zijn hoge spanningsversterking het mogelijk maakt zeer kleine verschillen in ingangsspanning op te lossen. Op versterkers die op deze manier worden gebruikt zijn over het algemeen langzamer dan comparators en missen andere speciale functies, zoals hysterese en interne referenties.
Comparators kunnen over het algemeen niet worden gebruikt als op versterkers. Ze zijn bijgesneden om uitstekende schakeltijden te bieden ten koste van de frequentie-responscorrectie die op-versterkers zo veelzijdig maakt. De interne hysterese gebruikt in veel comparators, die oscillatie aan de uitgang voorkomt, voorkomt ook hun gebruik als op versterkers.

Voedingsspanning

comparatoren werken met dezelfde voedingsspanningen die door op-versterkers worden gebruikt. Veel oudere comparators vereisen bipolaire (bijv., ±15V) of unipolaire voedingsspanningen tot 36V. deze voedingsspanningen worden nog steeds gebruikt in industriële toepassingen.
voor de meeste nieuwe toepassingen werkt de comparator echter binnen het bereik van lage unipolaire spanningen die typisch voorkomen in batterijgevoede apparaten. Moderne toepassingen voor comparators vereisen een laag stroomverbruik, kleine pakketten en (in sommige gevallen) een uitschakelfunctie. De max919, MAX9119 en MAX9019 comparators werken bijvoorbeeld met spanningen van 1,6 V of 1,8 V tot 5,5 V, tekenen maximaal 1.2µA / 2µA over het gehele temperatuurbereik, en zijn verkrijgbaar in een SOT23 en SC70 verpakking. De vergelijkingsfamilies MAX965 en MAX9100 werken met voedingsspanningen van respectievelijk 1,6 V en 1,0 V. Zie Tabel 1.
Tabel 1. MAX9015 – Max9020 Selection Guide

Comparators in minuscule verpakkingen

Nano-aangedreven comparators in space-saving chip-scale packages (UCSP) met een lage 1µA voedingsstroom, zoals de MAX9025-MAX9098 families, zijn ideaal voor toepassingen met ultra-low-power systemen. Verkrijgbaar in kleine 5-pins SC70 pakketten, de MAX9117-MAX9120 single-comparator families zijn voorzien van een ultra-lage 600na voedingsstroom met twee uitgangen van waaruit te selecteren, push-pull of open-drain. Zie Tabel 2. Deze comparators zijn ideaal voor alle 2-cel batterij-monitoring/management toepassingen.
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

Basic Comparator Features

een comparator verandert normaal gesproken zijn uitgangstoestand wanneer de spanning tussen de ingangen door ongeveer nul volt kruist. Kleine spanningsschommelingen, altijd aanwezig op de ingangen, produceren zeer kleine spanningsverschillen. Wanneer het spanningsverschil bijna nul volt is, kan dit ongewenste veranderingen in de uitgangstoestand van de comparator veroorzaken . Om deze oscillatie te voorkomen, is een kleine hysterese van enkele millivolts geïntegreerd in veel moderne comparators. In plaats van één schakelpunt introduceert hysteresis twee: een voor stijgende spanningen en een voor dalende spanningen (figuur 1). Het verschil tussen de trip-waarde op een hoger niveau (VTRIP+) en de trip-waarde op een lager niveau (VTRIP-) is gelijk aan de hysteresisspanning (VHYST). Voor comparators met hysterese is de offset voltage (VOS) gewoon de gemiddelde waarde van VTRIP+ en VTRIP-.

figuur 1. Schakelaar drempels, hysterese, en offset spanning.
voor comparators zonder hysterese is het spanningsverschil tussen de ingangen die nodig zijn om de comparator te schakelen de offset spanning, in plaats van de nulspanning die vereist is door een ideale comparator. De offset spanning (en dus ook de schakelspanning) verandert echter met de temperatuur en voedingsspanning. Een meting van die afhankelijkheid is de afwijzingsverhouding van de voeding (PSRR), die het verband toont tussen een verandering in de nominale voedingsspanning en de resulterende verandering in de offset-spanning.

de ingangen van een ideale comparator vertonen een oneindig hoge ingangsweerstand, zodat er geen stroom in de ingangen stroomt. Voor werkelijke comparators, echter, de stromen die in hun ingangen stromen ook door de interne weerstand van een spanningsbron die aan hen is bevestigd, waardoor een foutspanning genereren. Bias stroom (IBIAS) wordt gedefinieerd als de mediaanwaarde van de twee comparator-input stromen. Voor de vergelijkingsfamilies MAX917 en MAX9117 is de maximale IBIAS-stroom bijvoorbeeld 2nA over het gehele temperatuurbereik, en minder dan 1nA bij kamertemperatuur, 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. Sommige Maxim-comparators maken gebruik van de parallelle schakeling van twee NPN/pnp-ingangstrappen, waardoor ingangsspanningen tot 250 MV buiten elke toevoerrail mogelijk zijn. Dergelijke apparaten worden Beyond-the-Rail comparators genoemd. Het bereik van de beschikbare ingangsspanningen in de gemeenschappelijke modus is te vinden in het datablad van de vergelijkingsmachine. Bijvoorbeeld, de max9015-MAX9020, MAX9025-MAX9028, en MAX9117-MAX9120 nanopower comparator families hebben allemaal common-mode ingangsspanningsbereiken die 200mV buiten-de-rails uitbreiden. In tegenstelling tot het schakelen van twee ESD diode klem als ingangstrap, de MAX9060-MAX9064 familie van comparators implementeren een andere ingangstrap architectuur, waardoor hun ingangsspanning te overschrijden voedingsspanning door meerdere volt.

Vergelijkingsuitgangen

omdat vergelijkingsapparaten slechts twee uitgangstoestanden hebben, zijn hun uitgangen bijna nul of dicht bij de voedingsspanning. Bipolaire rail-to-rail comparators hebben een gemeenschappelijke emitter uitgang die een kleine spanningsval tussen de uitgang en elke rail produceert. Die daling is gelijk aan de collector-naar-emitter spanning van een verzadigde transistor. Wanneer de uitgangsstromen licht zijn, liggen de uitgangsspanningen van CMOS rail-to-rail comparators, die afhankelijk zijn van een verzadigde MOSFET, dichter bij de rails dan hun bipolaire tegenhangers.
een criterium voor het selecteren van een comparator is de tijd die de uitgang nodig heeft om zijn toestand te veranderen nadat een signaal is toegepast bij de ingang. Deze propagatietijd moet ook rekening houden met de propagatievertraging door de component en de stijging/daling in de output driver. Een zeer snelle comparator zoals de MAX961, en MAX9010-MAX9013, bijvoorbeeld, heeft een typische propagatie vertraging van slechts 4,5 ns of 5ns, en een stijgtijd van 2.3ns en 3ns, respectievelijk. (Vergeet niet dat de meting van de voortplantingsvertraging een deel van de stijgtijd omvat). Men moet rekening houden met de verschillende invloeden die de voortplantingstijd beïnvloeden (Figuur 2). Deze factoren omvatten temperatuur, laadcapaciteit en spanningsaandrijving boven de schakeldrempel (input overdrive). Propagatietijd wordt tPD-genoemd voor de inverterende input, en tPD+ voor de niet-inverterende input. Het verschil tussen tPD+ en tPD – wordt skew genoemd. Voedingsspanning heeft ook een sterk effect op de voortplantingstijd.

Figuur 2. Het effect van externe invloeden op de voortplantingstijd.
voor een bepaalde toepassing, selecteer een comparator met hoge snelheid of een die energie bespaart. Maxim biedt een waaier van prestaties voor dit doel aan: van MAX919 (800nA, 30µs) aan MAX9075 (6µA, 540ns); van MAX998 (600µA, 20ns) aan MAX961 (11mA, 4.5 ns); van MAX9140(165µA, 40ns) aan MAX9203 (1.3 mA, 7ns); en van MAX9107 (350µA, 25ns) aan MAX9010 (900µA, 5ns). De MAX9010 (in een SC70 pakket) is een nuttig compromis in deze parameters, met een 5NS voortplantingstijd en 900µA voedingsstroom.
voor ultra-high-speed ECL en PECL uitgangen met 500ps propagatie vertraging, refereer je naar de max9600/MAX9601 / MAX9602 part families.

opmerkingen over bepaalde Comparators

de meest voorkomende toepassing voor comparators is de vergelijking tussen een spanning en een stabiele referentie. Maxim biedt verschillende comparators aan waarin een referentiespanning op de chip is geà ntegreerd. Het combineren van referentie en comparator in één chip bespaart niet alleen ruimte, maar trekt ook minder voedingsstroom aan dan een comparator met een externe referentie. De max9117-apparatenfamilie vereist bijvoorbeeld slechts maximaal 1,6 µA (inclusief referentie) over het gehele temperatuurbereik. De MAX44268 vereist slechts 1,4 µA maximum (inclusief referentie) over het gehele temperatuurbereik. De precisie van een geïntegreerde referentie varieert doorgaans van 1% tot 4%. Voor een hoge nauwkeurigheid bieden de referenties in de max9040-serie comparators echter een initiële nauwkeurigheid van 0,4% en een maximale temperatuurafwijking van 30 ppm/°c.de MAX9017 / MAX9018, MAX923, MAX933 en MAX967 / MAX968 dual comparators en de open-drain-output MAX973, MAX983, dual comparators zijn bij uitstek geschikt voor venstervergelijkers. Omdat de geïntegreerde referentie binnen al deze apparaten kan worden aangesloten op de inverterende of niet-inverterende ingang van de comparator, kunnen overspanning-en onderspanningsdrempels worden geïmplementeerd met slechts drie externe weerstanden. Deze componenten zorgen ook voor een hysteresispen. Door twee extra externe weerstanden toe te voegen, maakt deze pen de toevoeging van een hysteresisdrempel mogelijk, zoals weergegeven in Figuur 1. Sommige comparators zoals de MAX912/913 bieden complementaire uitgangen-dat wil zeggen, twee uitgangen die in de tegenovergestelde richting van elkaar overgaan voor een verandering van relatieve input polariteit.de MAX9201 / MAX9203 is ideaal voor snelle ADC ‘ s en sampling circuits zoals ontvangers, V/F converters en vele andere data-discriminerende toepassingen. andere high-speed, low-power comparators zoals de MAX9107 / MAX9108 / MAX9109 zijn goedkope upgrades van de industriestandaard comparators, MAX907/MAX908 / MAX909. De MAX9013 is een verbeterde plug-in vervanger voor de industriestandaard MAX913 en LT1016 / LT1116. De dubbele comparator, MAX9107, wordt aangeboden in een ruimtebesparende 8-pins SOT23-pakket. De enkele comparator, MAX9109, is verkrijgbaar in een kleine 6-pins SC70, terwijl de quad comparator, MAX9108, wordt aangeboden in een 14-pins TSSOP. Zie Tabel 4 en Figuur 3.

Tabel 4. Ultra-Fast Comparators

Figuur 3. Illustratie van de beste snelheid / vermogen keuzes voor een comparator in een SC70 pakket.

toepassingen

deze sectie introduceert drie toepassingen waarvoor comparators nodig zijn.
De eerste voorbeeldtoepassing is een niveauverschuiver van 3V-logica naar 5V-logica. Zoals afgebeeld in Figuur 4, vereist dit circuit slechts een enkele comparator met een open-drain uitgang zoals in de MAX986. Het circuit biedt grote flexibiliteit bij het kiezen van de te vertalen spanningen. Het staat ook de vertaling van bipolaire ±5V logica toe aan unipolaire 3V logica door MAX972 te gebruiken. In die toepassing, zorg ervoor dat geen spanning hoger is dan de maximale spanning toegestaan op een pin en dat de stroom in de uitgang wordt beperkt door een voldoende grote-gewaardeerde pull-up weerstand (zie de MAX986 Absolute Maximum Ratings in het Datasheet).

Figuur 4. Niveau vertaling van 3V naar 5V logica.
Het circuit van Figuur 5 lost een ander veel voorkomend probleem op. Geconfigureerd zoals getoond, zet een enkele unipolaire comparator een bipolair ingangssignaal (in dit geval een sinusgolf) om in een unipolair digitaal uitgangssignaal. De vereiste offset spanning wordt berekend als:


Figuur 5. Unipolaire comparator met bipolair ingangssignaal.
zoals hierboven in Figuur 5 is weergegeven, stellen twee gelijkwaardige Weerstanden (met het label R4) de drempelwaarde van de comparator vast op de helft van de voedingsspanning. In het circuit van Figuur 6 vormen vier vergelijkingsuitgangen een thermometermeter die een van de vier bereiken voor het ingangsstroomniveau aangeeft. De shuntweerstand zet de ingangsstroom om in een spanning, en weerstanden R1 en R2 stellen de OP-amp-versterking in zoals vereist voor het gewenste niveau van referentiespanning. Weerstanden R4 t / m R7 geven drempels aan voor de gewenste digitale uitgangen.

Figuur 6. Het oplossen van een stroommeting in een van de vier bereiken.een soortgelijke versie van dit artikel verscheen in het ECN magazine op 1 juli 2001.