välja rätt komparator

komparatorn står ofta i skuggan av sin storebror, operationsförstärkaren (op amp). Dess ödmjuka status kompenseras av de funktioner som skiljer moderna komparatorer och gör dem idealiska för sin grundläggande uppgift: att jämföra två spänningar. Den här artikeln förklarar komparatorfunktioner och beskriver de parametrar som bör beaktas vid val av komparatorer.

funktionen hos en komparator

en komparator accepterar två analoga signaler och producerar en binär signal vid utgången, en funktion av vilken ingångsspänningen är högre. Utsignalen förblir konstant när differentialingångsspänningen ändras. När det beskrivs på det sättet liknar komparatorn en 1-bitars ADC.

jämförelse av komparatorer och Op-förstärkare

en op-förstärkare som körs utan negativ feedback kan fungera som en komparator, eftersom dess högspänningsförstärkning gör det möjligt att lösa mycket små skillnader i ingångsspänning. Op-förstärkare som används på detta sätt är i allmänhet långsammare än komparatorer och saknar andra specialfunktioner, såsom hysteres och interna referenser.
komparatorer kan i allmänhet inte användas som op-förstärkare. De är trimmade för att ge utmärkta omkopplingstider på bekostnad av frekvensresponskorrigeringen som gör op-förstärkare så mångsidiga. Den interna hysteresen som används i många komparatorer, som förhindrar svängning vid utgången, förhindrar också deras användning som op-förstärkare.

Matningsspänning

komparatorer arbetar med samma matningsspänningar som används av op ampere. Många äldre komparatorer kräver bipolär (t. ex. 15V) eller unipolära matningsspänningar så höga som 36V. dessa matningsspänningar används fortfarande i industriella applikationer. för de flesta nya applikationer arbetar komparatorn dock inom intervallet av låga unipolära spänningar som vanligtvis finns i batteridrivna enheter. Moderna applikationer för komparatorer kräver låg strömförbrukning, små paket och (i vissa fall) en avstängningsfunktion. Komparatorerna MAX919, MAX9119 och MAX9019 arbetar till exempel med spänningar från 1,6 V eller 1,8 V till 5,5 V, dra maximalt 1.2 oc / 2 oc över hela temperaturområdet, och finns i en SOT23 och SC70 paket. Max965-och MAX9100-familjerna av komparatorer arbetar med matningsspänningar så låga som 1,6 V respektive 1,0 V. Se Tabell 1.
Tabell 1. MAX9015-MAX9020 Urvalsguide

komparatorer i små paket

Nano-drivna komparatorer i utrymmesbesparande chip-skala paket (UCSP) med en låg 1 accusa Matningsström, såsom MAX9025-MAX9098 familjer, är idealiska för ultra-low-power system applikationer. Finns i små 5-stifts SC70-paket, MAX9117-MAX9120 enkelkomparatorfamiljer har en ultralåg 600na Matningsström med två utgångar för att välja, push-pull eller open-drain. Se Tabell 2. Dessa komparatorer är idealiska för alla 2-cells batteriövervakning/hanteringsapplikationer.
Tabell 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

grundläggande Komparatorfunktioner

en komparator ändrar normalt sitt utgångsläge när spänningen mellan dess ingångar passerar genom ungefär noll volt. Små spänningsfluktuationer, som alltid finns på ingångarna, ger mycket små spänningsskillnader. När spänningsskillnaden är nära noll volt kan det orsaka oönskade förändringar i komparatorns utgångsläge . För att förhindra denna utgångsoscillation integreras en liten Hysteres av några millivolt i många moderna komparatorer. I stället för en kopplingspunkt introducerar Hysteres två: en för stigande spänningar och en för fallande spänningar (Figur 1). Skillnaden mellan trippvärdet på högre nivå (VTRIP+) och trippvärdet på lägre nivå (VTRIP -) är lika med hysteresspänningen (VHYST). För komparatorer med Hysteres är offsetspänningen (VOS) helt enkelt medelvärdet av VTRIP+ och VTRIP-.

Figur 1. Byt trösklar, hysteres och offsetspänning.
för komparatorer utan Hysteres är spänningsskillnaden mellan ingångarna som behövs för att växla komparatorn offsetspänningen, snarare än nollspänningen som krävs av en idealisk komparator. Förskjutningsspänningen (och följaktligen omkopplingsspänningen) ändras emellertid med temperatur och matningsspänning. Ett mått på detta beroende är strömförsörjningsavstötningsförhållandet (PSRR), som visar förhållandet mellan en förändring i den nominella matningsspänningen och den resulterande förändringen i offsetspänning.ingångarna till en idealisk komparator uppvisar oändligt högt ingångsmotstånd, och därmed strömmar ingen ström in i dess ingångar. För faktiska komparatorer strömmar emellertid strömmarna som strömmar in i deras ingångar också genom det inre motståndet hos någon spänningskälla som är ansluten till dem, vilket genererar en felspänning. Biasström (IBIAS) definieras som medianvärdet för de två komparator-ingångsströmmarna. För komparatorfamiljerna MAX917 och MAX9117 är till exempel den maximala IBIASSTRÖMMEN 2nA över hela temperaturområdet och mindre än 1NA vid rumstemperaturer, TA = +25 kcal 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. Vissa Maxim-komparatorer använder parallellkoppling av två NPN / pnp-ingångssteg, vilket har tillåtit ingångsspänningar så höga som 250mv bortom varje matningsskena. Sådana anordningar kallas bortom Järnvägskomparatorer. Utbudet av tillgängliga ingångsspänningar för vanligt läge finns i komparatorns datablad. Till exempel har MAX9015-MAX9020, MAX9025-MAX9028 och MAX9117-MAX9120 nanopower komparatorfamiljer alla gemensamma ingångsspänningsområden som sträcker sig 200mV bortom skenorna. Till skillnad från att byta två ESD-diodklämma som ingångssteg implementerar max9060-MAX9064-familjen komparatorer en annan ingångsstegsarkitektur, vilket gör att deras ingångsspänning överstiger matningsspänningen med flera volt.

Komparatorutgångar

eftersom komparatorer bara har två utgångslägen är deras utgångar nära noll eller nära matningsspänningen. Bipolära skena-till-skena-komparatorer har en gemensam emitterutgång som ger ett litet spänningsfall mellan utgången och varje skena. Den droppen är lika med kollektor-till-emitterspänningen hos en mättad transistor. När utgångsströmmarna är lätta, sträcker sig utgångsspänningarna hos CMOS-skena-till-skena-komparatorer, som är beroende av en mättad MOSFET, närmare skenorna än deras bipolära motsvarigheter.
ett kriterium för att välja en komparator är den tid dess utgång tar att ändra dess tillstånd efter en signal har tillämpats vid dess ingång. Denna förökningstid måste också ta hänsyn till förökningsfördröjning genom komponenten och stignings – /falltiderna i utgångsdrivrutinen. En mycket snabb komparator som MAX961 och MAX9010-MAX9013 har till exempel en typisk förökningsfördröjning på endast 4, 5 ns eller 5ns och en stigningstid på 2.3ns respektive 3NS. (Kom ihåg att förökningsfördröjningsmätningen inkluderar en del av stigningstiden). Man bör notera de olika influenser som påverkar förökningstiden (Figur 2). Dessa faktorer inkluderar temperatur, lastkapacitans och spänningsdrivning som överstiger omkopplingströskeln (ingångsöverdrivning). Förökningstiden kallas tPD – för den inverterande ingången och tPD+ för den icke-inverterande ingången. Skillnaden mellan tPD+ och tPD – kallas skev. Matningsspänning har också en stark effekt på förökningstiden.

Figur 2. Effekten av yttre påverkan på förökningstiden.
för en given applikation, välj antingen en komparator med hög hastighet eller en som sparar ström. Maxim erbjuder ett utbud av prestanda för detta ändamål: från MAX919 (800nA, 30µs) till MAX9075 (6µA, 540ns), från MAX998 (600µA, 20ns) till MAX961 (11mA, 4.5 ns); från MAX9140(165µA, 40ns) till MAX9203 (1,3 mA, 7ns), och från MAX9107 (350µA, 25ns) till MAX9010 (900µA, 5ns). MAX9010 (i ett SC70-paket) representerar en användbar kompromiss i dessa parametrar, med en 5NS-förökningstid och 900 auctoris Matningsström.
för ultrahög hastighet ECL och PECL utgångar med 500ps förökningsfördröjning, se MAX9600 / MAX9601 / MAX9602 delfamiljer.

kommentarer om specifika komparatorer

den vanligaste applikationen för komparatorer är jämförelsen mellan en spänning och en stabil referens. Maxim erbjuder olika komparatorer där en referensspänning är integrerad på chipet. Att kombinera referensen och komparatorn i ett chip sparar inte bara utrymme utan drar också mindre Matningsström än en komparator med en extern referens. MAX9117 – enhetsfamiljen kräver till exempel endast 1,6 Czecha maximalt (inklusive referens) över hela temperaturområdet. MAX44268 kräver endast 1,4 Czecha maximalt (inklusive referens) över hela temperaturområdet. Precisionen hos en integrerad referens varierar vanligtvis från 1% till 4%. För hög noggrannhet erbjuder emellertid referenser i MAX9040-familjen av komparatorer 0.4% initial noggrannhet och en maximal 30ppm/C-Temperaturdrift.MAX9017 / MAX9018, MAX923, MAX933 och MAX967/MAX968 dubbla komparatorer och MAX973, MAX983, dubbla komparatorer med öppen avlopp är idealiska för fönsterkomparatorapplikationer. Eftersom den integrerade referensen inom alla dessa enheter kan anslutas till komparatorns inverterande eller icke-inverterande ingång kan överspännings-och underspänningströsklar implementeras med bara tre externa motstånd. Dessa komponenter ger också en hysteresstift. Genom att lägga till ytterligare två externa motstånd tillåter denna stift tillägg av en Hysteres tröskel, som visas i Figur 1. Vissa komparatorer som MAX912/913 erbjuder kompletterande utgångar – dvs två utgångar som övergår i motsatt riktning mot varandra för en förändring av relativ ingångspolaritet.
snabb förökningsfördröjning (1ms typiskt vid 5mV overdrive) gör MAX9201/MAX9203 idealisk för snabba ADC och samplingskretsar som mottagare, V/F-omvandlare och många andra datadiskriminerande applikationer.
andra höghastighets, låg effekt komparatorer som MAX9107 / MAX9108 / MAX9109 är billiga uppgraderingar till branschstandard komparatorer, MAX907 / MAX908 / MAX909. MAX9013 är en förbättrad plug-in ersättning för branschstandarden MAX913 och LT1016/LT1116. Den dubbla komparatorn, MAX9107, erbjuds i ett platsbesparande 8-stifts SOT23-paket. Den enda komparatorn, MAX9109, finns i en liten 6-stifts SC70, medan quad-komparatorn, MAX9108, erbjuds i en 14-stifts TSSOP. Se Tabell 4 och figur 3.

Tabell 4. Ultrasnabba komparatorer

Figur 3. Illustration av de bästa hastighets – / effektvalen för en komparator i ett SC70-paket.

applikationer

i det här avsnittet introduceras tre applikationer som kräver komparatorer.
det första exemplet ansökan är en nivå shifter från 3V logik till 5V logik. Som visas i Figur 4 kräver denna krets endast en enda komparator med en öppen avloppsutgång som i MAX986. Kretsen ger stor flexibilitet vid val av spänningar som ska översättas. Det gör det också möjligt att översätta bipolär 5V-logik till unipolär 3V-logik genom att använda MAX972. I den applikationen, se till att ingen spänning överstiger den maximala spänningen som tillåts på någon stift och att strömmen till utgången begränsas av ett tillräckligt stort värderat pull-up motstånd (se MAX986S absoluta maximala betyg i dess datablad).

Figur 4. Nivå översättning från 3V till 5V logik.
kretsen i Figur 5 löser ett annat vanligt förekommande problem. Konfigurerad som visas omvandlar en enda unipolär komparator en bipolär ingångssignal (en sinusvåg i detta fall) till en unipolär digital utsignal. Den erforderliga förskjutningsspänningen beräknas som:


Figur 5. Unipolär komparator med bipolär ingångssignal.
som visas ovan i Figur 5, fastställer två lika värderade motstånd (märkt R4) komparatorns tröskelvärde vid halva matningsspänningen. I kretsen i Figur 6 bildar fyra komparatorutgångar en termometermätare som indikerar ett av fyra intervall för ingångsströmnivån. Shuntmotståndet omvandlar ingångsströmmen till en spänning, och motstånden R1 och R2 ställer in op-amp-förstärkningen efter behov för önskad referensspänningsnivå. Motstånd R4 till R7 anger tröskelvärden för önskade digitala utgångar.

Figur 6. Lösa en strömmätning i ett av fyra intervall.
en liknande version av denna artikel dök upp i den 1 juli 2001 frågan om ECN magazine.