wybór odpowiedniego komparatora

komparator często stoi w cieniu swojego starszego brata, wzmacniacza operacyjnego (op amp). Jego skromny status jest równoważony przez cechy, które wyróżniają nowoczesne komparatory i czynią je idealnymi do ich podstawowego zadania: porównywania dwóch napięć. W tym artykule wyjaśniono cechy komparatora i opisano parametry, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze komparatorów.

funkcja komparatora

komparator przyjmuje dwa sygnały analogowe i wytwarza sygnał binarny na wyjściu, którego funkcja jest wyższa od napięcia wejściowego. Sygnał wyjściowy pozostaje stały w miarę zmiany różnicowego napięcia wejściowego. Opisany w ten sposób komparator przypomina 1-bitowy ADC.

porównywanie komparatorów i wzmacniaczy operacyjnych

wzmacniacz działający bez ujemnego sprzężenia zwrotnego może służyć jako komparator, ponieważ jego wysokie wzmocnienie napięciowe pozwala rozwiązać bardzo małe różnice w napięciu wejściowym. Stosowane w ten sposób wzmacniacze operacyjne są na ogół wolniejsze od komparatorów i nie mają innych specjalnych cech, takich jak Histereza i odniesienia wewnętrzne.
komparatory zazwyczaj nie mogą być używane jako wzmacniacze op. Są one przycinane, aby zapewnić doskonałe czasy przełączania kosztem korekcji odpowiedzi częstotliwościowej, która sprawia, że wzmacniacze op są tak wszechstronne. Wewnętrzna Histereza stosowana w wielu komparatorach, która zapobiega oscylacji na wyjściu, uniemożliwia również ich użycie jako wzmacniaczy op.

Napięcie zasilające

komparatory pracują z tymi samymi napięciami zasilającymi stosowanymi przez wzmacniacze op. Wiele starszych komparatorów wymaga bipolarnych (np., ±15V) lub jednobiegunowe napięcia zasilania tak wysokie, jak 36V. te napięcia zasilania są nadal stosowane w zastosowaniach przemysłowych.
jednak w większości nowych zastosowań komparator działa w zakresie niskich napięć jednobiegunowych typowo spotykanych w urządzeniach zasilanych bateryjnie. Nowoczesne zastosowania komparatorów wymagają niskiego zużycia prądu, małych pakietów i (w niektórych przypadkach) funkcji wyłączania. Komparatory MAX919, MAX9119 i MAX9019 pracują na przykład z napięciami od 1,6 V lub 1,8 V do 5,5 V, rysując maksymalnie 1.2µA / 2ΜA w całym zakresie temperatur i są dostępne w pakietach SOT23 i SC70. Rodziny komparatorów MAX965 i MAX9100 pracują z napięciami zasilania wynoszącymi odpowiednio 1,6 V i 1,0 V. Zob. Tabela 1.
Tabela 1. MAX9015-Max9020 Selection Guide

komparatory w małych opakowaniach

komparatory Nano zasilane w oszczędzających miejsce pakietach typu chip-scale (UCSP) o niskim prądzie zasilania 1µA, takie jak rodziny MAX9025-MAX9098, są idealne do zastosowań w systemach o bardzo niskim poborze mocy. Dostępne w małych, 5-pinowych pakietach SC70, rodziny pojedynczych komparatorów MAX9117-MAX9120 są wyposażone w ultra-niski prąd zasilający 600nA z dwoma wyjściami do wyboru, push-pull lub open-drain. Zob. Tabela 2. Komparatory te są idealne do wszystkich aplikacji do monitorowania/zarządzania bateriami 2-ogniwowymi.
Tabela 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

podstawowe funkcje komparatora

komparator zwykle zmienia swój stan wyjściowy, gdy napięcie między jego wejściami przekracza około Zero woltów. Niewielkie wahania napięcia, zawsze obecne na wejściach, powodują bardzo małe różnice napięcia. Gdy różnica napięcia jest zbliżona do zera woltów, może to spowodować niepożądane zmiany stanu wyjściowego komparatora . Aby zapobiec tej oscylacji wyjściowej, mała Histereza kilku miliwoltów jest zintegrowana z wieloma nowoczesnymi komparatorami. W miejsce jednego punktu przełączania histereza wprowadza dwa: jeden dla rosnących napięć i jeden dla spadających napięć (Rysunek 1). Różnica między wartością wyjścia wyższego poziomu (VTRIP+) a wartością wyjścia niższego poziomu (vtrip -) jest równa napięciu histerezy (VHYST). Dla komparatorów z histerezą napięcie przesunięcia (vos) jest po prostu wartością średnią VTRIP+ i VTRIP-.

Rysunek 1. Przełącz progi, histerezę i przesunięcie napięcia.
dla komparatorów bez histerezy różnica napięcia między wejściami potrzebnymi do przełączania komparatora jest napięciem przesuniętym, a nie napięciem zerowym wymaganym przez idealny komparator. Jednak napięcie offsetowe (a co za tym idzie, Napięcie przełączające) zmienia się wraz z temperaturą i napięciem zasilania. Jednym z pomiarów tej zależności jest współczynnik odrzucenia zasilania (PSRR), który pokazuje zależność między zmianą nominalnego napięcia zasilania a wynikającą z tego zmianą napięcia przesunięcia.
wejścia idealnego komparatora wykazują nieskończenie dużą rezystancję wejściową, przez co żaden prąd nie wpływa do jego wejść. W przypadku rzeczywistych komparatorów prądy, które przepływają do ich wejść, przepływają również przez opór wewnętrzny dowolnego źródła napięcia, które jest do nich dołączone, generując w ten sposób napięcie błędu. Prąd Bias (ang. Bias current, Ibias) definiuje się jako wartość mediany dwóch prądów porównawczych-wejściowych. Na przykład dla rodzin komparatorów MAX917 i MAX9117 maksymalny prąd IBIAS wynosi 2nA w całym zakresie temperatur, a mniej niż 1NA w temperaturach pokojowych, 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. Niektóre komparatory Maxim wykorzystują równoległe przełączanie dwóch stopni wejściowych NPN / pnp, co pozwoliło na napięcie wejściowe nawet 250mV poza każdą szyną zasilającą. Takie urządzenia nazywane są komparatorami poza koleją. Zakres dostępnych napięć wejściowych w trybie wspólnym można znaleźć w Karcie Danych komparatora. Na przykład rodziny komparatorów nanoprężnych MAX9015-MAX9020, MAX9025-MAX9028 i MAX9117-MAX9120 mają zakresy napięcia wejściowego trybu wspólnego, które rozciągają się na 200mV poza szyny. W przeciwieństwie do przełączania dwóch zacisków diod ESD jako stopnia wejściowego, rodzina komparatorów MAX9060-MAX9064 implementuje inną architekturę stopnia wejściowego, co pozwala na przekroczenie napięcia wejściowego o kilka woltów.

wyjścia komparatora

ponieważ komparatory mają tylko dwa stany wyjściowe, ich wyjścia są bliskie zera lub bliskie napięcia zasilania. Bipolarne komparatory typu rail-to-rail mają wyjście wspólnego emitera, które wytwarza niewielki spadek napięcia między wyjściem a każdą szyną. Spadek ten jest równy napięciu kolektor-emiter tranzystora nasyconego. Gdy prądy wyjściowe są lekkie, napięcia wyjściowe komparatorów CMOS typu rail-to-rail, które opierają się na nasyconym MOSFECIE, sięgają bliżej szyn niż ich bipolarne odpowiedniki.
jednym z kryteriów wyboru komparatora jest czas potrzebny na zmianę jego stanu po przyłożeniu sygnału na jego wejściu. Ten czas propagacji musi uwzględniać Opóźnienie propagacji przez komponent oraz czasy narastania / opadania w sterowniku wyjściowym. Bardzo szybki komparator, taki jak MAX961 i MAX9010-MAX9013, na przykład, ma typowe Opóźnienie propagacji tylko 4,5 ns lub 5NS i czas narastania 2.Odpowiednio 3ns i 3NS. (Pamiętaj, że pomiar opóźnienia propagacji obejmuje część czasu narastania). Należy zwrócić uwagę na różne wpływy, które wpływają na czas propagacji (Rysunek 2). Czynniki te obejmują temperaturę, pojemność obciążenia i napięcie napędu przekraczające próg przełączania (overdrive wejściowy). Czas propagacji jest nazywany tPD-dla wejścia odwracającego, a TPD+ dla wejścia nieinwertującego. Różnica między tPD+ i tPD-nazywa się pochylenie. Napięcie zasilania ma również silny wpływ na czas propagacji.

Rysunek 2. Wpływ wpływów zewnętrznych na czas propagacji.
dla danego zastosowania wybierz komparator z dużą prędkością lub taki, który oszczędza energię. Maxim oferuje szeroki zakres wydajności w tym celu: od MAX919 (800nA, 30µs) do MAX9075 (6µA, 540ns); od MAX998 (600µA, 20ns) do MAX961 (11mA, 4,5 ns); od MAX9140(165µa, 40ns) do MAX9203 (1,3 mA, 7ns); i od MAX9107 (350µa, 25NS) do MAX9010 (900µa, 5NS). MAX9010 (w pakiecie SC70) stanowi użyteczny kompromis w tych parametrach, z czasem propagacji 5NS i prądem zasilającym 900µa.
dla ultraszybkich wyjść ECL i PECL z opóźnieniem propagacji 500ps, patrz rodziny części MAX9600/MAX9601/MAX9602.

uwagi na temat poszczególnych komparatorów

najczęstszym zastosowaniem komparatorów jest porównanie napięcia ze stałym punktem odniesienia. Maxim oferuje różne komparatory, w których napięcie odniesienia jest zintegrowane na chipie. Połączenie referencji i komparatora w jednym chipie nie tylko oszczędza miejsce, ale także pobiera mniej prądu zasilającego niż komparator z zewnętrznym referencją. Na przykład rodzina urządzeń MAX9117 wymaga tylko 1,6 µA maksimum (w tym odniesienia) w całym zakresie temperatur. Max44268 wymaga tylko 1,4 µA maksimum (w tym odniesienia) w całym zakresie temperatur. Dokładność zintegrowanego odniesienia zazwyczaj waha się od 1% do 4%. Jednak w celu uzyskania wysokiej dokładności referencje z rodziny komparatorów MAX9040 oferują początkową dokładność 0,4% i maksymalny dryf temperatury 30 ppm / °C.
podwójne komparatory MAX9017/MAX9018, MAX923, MAX933 i MAX967/MAX968 oraz podwójne komparatory typu open-drain-output MAX973, MAX983, idealnie nadają się do zastosowań w komparatorach okiennych. Ponieważ zintegrowane odniesienie we wszystkich tych urządzeniach może być podłączone do wejścia odwracającego lub nieinwertującego komparatora, progi przepięcia i podnapięcia mogą być realizowane za pomocą tylko trzech zewnętrznych rezystorów. Składniki te zapewniają również sworzeń histerezy. Poprzez dodanie dwóch dodatkowych rezystorów zewnętrznych, pin ten umożliwia dodanie progu histerezy, jak pokazano na rysunku 1. Niektóre komparatory, takie jak MAX912/913, oferują wyjścia uzupełniające – tj. dwa wyjścia, które przechodzą w przeciwnym kierunku względem siebie w celu zmiany względnej polaryzacji wejścia.
szybkie Opóźnienie propagacji (1ms zwykle przy przesterowaniu 5mV) sprawia, że MAX9201/MAX9203 jest idealny do szybkich ADC i obwodów próbkujących, takich jak odbiorniki, Konwertery V/F i wiele innych aplikacji rozróżniających dane.

inne szybkie komparatory o małej mocy, takie jak MAX9107/MAX9108/MAX9109, są tanimi ulepszeniami do standardowych komparatorów przemysłowych, MAX907/MAX908/MAX909. Model MAX9013 jest ulepszonym zamiennikiem wtyczek dla standardowych modeli MAX913 i LT1016/LT1116. Podwójny komparator, MAX9107, jest oferowany w 8-pinowym pakiecie SOT23 oszczędzającym miejsce. Pojedynczy komparator, MAX9109, jest dostępny w małym 6-pinowym SC70, podczas gdy czterordzeniowy komparator, MAX9108, jest oferowany w 14-pinowym TSSOP. Zob. Tabela 4 i Rysunek 3.
Tabela 4. Ultraszybkie komparatory

Rysunek 3. Ilustracja najlepszych opcji prędkości / mocy dla komparatora w pakiecie SC70.

Aplikacje

w tej sekcji przedstawiono trzy aplikacje, które wymagają komparatorów.
pierwszą przykładową aplikacją jest przesunięcie poziomu z logiki 3V na logikę 5V. Jak pokazano na fig. 4, obwód ten wymaga tylko jednego komparatora z wyjściem z otwartym drenażem, jak w MAX986. Układ zapewnia dużą elastyczność w wyborze napięć do przetłumaczenia. Umożliwia również tłumaczenie bipolarnej logiki ±5V na jednobiegunową logikę 3V za pomocą MAX972. W tej aplikacji należy uważać, aby żadne napięcie nie przekraczało maksymalnego napięcia dozwolonego na żadnym pinie i aby prąd na wyjściu był ograniczony przez odpowiednio duży Rezystor podciągający (patrz absolutne maksymalne wartości Max986 w jego karcie danych).

Rysunek 4. Tłumaczenie poziomu z logiki 3V na 5V.
Obwód na rysunku 5 rozwiązuje kolejny często spotykany problem . Skonfigurowany jak pokazano, pojedynczy komparator jednobiegunowy konwertuje bipolarny sygnał wejściowy (w tym przypadku fala sinusoidalna) na jednobiegunowy cyfrowy sygnał wyjściowy. Wymagane napięcie przesunięcia oblicza się jako:


Rysunek 5. Komparator jednobiegunowy z bipolarnym sygnałem wejściowym.
Jak pokazano powyżej na fig.5, dwa rezystory o równej wartości (oznaczone jako R4) ustalają próg wyzwalania komparatora przy połowie napięcia zasilania. W obwodzie na rysunku 6 cztery wyjścia komparatora tworzą wskaźnik termometru wskazujący jeden z czterech zakresów poziomu wejściowo-prądowego. Rezystor bocznikowy konwertuje prąd wejściowy na napięcie, a Rezystory R1 i R2 ustawiają wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego zgodnie z wymaganym poziomem napięcia odniesienia. Rezystory R4 do R7 oznaczają progi żądanych wyjść cyfrowych.

Rysunek 6. Rozdzielenie pomiaru prądu na jeden z czterech zakresów.
podobna wersja tego artykułu pojawiła się 1 lipca 2001 roku w numerze magazynu ECN.