Komparator

Kalibreringsjämförare

Illustration av hur en komparator fungerar

Inom elektronik är en komparator en enhet som jämför två spänningar eller strömmar och matar ut en digital signal som indikerar vilken som är större. Den har två analoga ingångar $V_{+}$ och $V_{-}$ och en binär digital utgång $V_{\text{o}}$ . Utgången är idealisk

V_{\text{o}}={\begin{cases}1,&{\text{if }}V_{+}>V_{-},\\0,&{\text{if }} V_{+}<V_{-}.\end{cases}}

En komparator består av en specialiserad differentialförstärkare med hög förstärkning . De används ofta i enheter som mäter och digitaliserar analoga signaler, såsom analog-till-digital-omvandlare (ADC), såväl som avslappningsoscillatorer .

Differentialspänning

Differentialspänningarna måste hålla sig inom de gränser som anges av tillverkaren. Tidiga integrerade komparatorer, som LM111-familjen, och vissa höghastighetskomparatorer, som LM119-familjen, kräver differentialspänningsområden som är väsentligt lägre än strömförsörjningsspänningarna (±15 V mot 36 V). Järn-till-skena komparatorer tillåter alla differentialspänningar inom strömförsörjningsområdet. När den drivs från en bipolär (dual rail) strömförsörjning,

V_{S-}\leq V_{+},V_{-}\leq V_{S+},

eller när den drivs från en unipolär TTL / CMOS- strömförsörjning,

0\leq V_{+},V_{-}\leq V_{\text{cc}}

.

Specifika räl-till-skena komparatorer med p–n–p ingångstransistorer, som LM139-familjen, tillåter ingångspotentialen att sjunka 0,3 volt under den negativa matningsskenan, men tillåter inte att den stiger över den positiva skenan. Specifika ultrasnabba komparatorer, som LMH7322, tillåter ingångssignalen att svänga under den negativa skenan och över den positiva skenan, men med en smal marginal på endast 0,2 V. Differentiell ingångsspänning (spänningen mellan två ingångar) på en modern räls -to-rail-komparatorn begränsas vanligtvis endast av full strömförsörjning.

Op-amp spänningsjämförare

En enkel op-amp komparator

En operationsförstärkare (op-amp) har en välbalanserad skillnadsingång och en mycket hög förstärkning . Detta är parallellt med egenskaperna hos komparatorer och kan ersättas i applikationer med låga prestandakrav.

En komparatorkrets jämför två spänningar och matar ut antingen en 1 (spänningen på plussidan) eller en 0 (spänningen på den negativa sidan) för att indikera vilken som är störst. Komparatorer används ofta för att till exempel kontrollera om en ingång har nått något förutbestämt värde. I de flesta fall implementeras en komparator med en dedikerad komparator-IC, men op-amps kan användas som ett alternativ. Jämförelsediagram och op-amp diagram använder samma symboler.

Figur 1 ovan visar en komparatorkrets. Observera först att kretsen inte använder återkoppling. Kretsen förstärker spänningsskillnaden mellan Vin och VREF, och den matar ut resultatet vid Vout. Om Vin är större än VREF, kommer spänningen vid Vout att stiga till sin positiva mättnadsnivå; det vill säga till spänningen på den positiva sidan. Om Vin är lägre än VREF, kommer Vout att falla till sin negativa mättnadsnivå, lika med spänningen på den negativa sidan.

I praktiken kan denna krets förbättras genom att införliva ett hysteresspänningsområde för att minska dess känslighet för brus. Kretsen som visas i figur 1, till exempel, kommer att ge stabil drift även när Vin-signalen är något brusig.

Detta beror på skillnaden i egenskaper hos en operationsförstärkare och komparator, att använda en operationsförstärkare som en komparator ger flera nackdelar jämfört med att använda en dedikerad komparator.

Op-amps är designade för att fungera i linjärt läge med negativ feedback. Därför har en op-amp vanligtvis en lång återhämtningstid från mättnad. Nästan alla op-amps har en intern kompensationskondensator som ålägger svänghastighetsbegränsningar för högfrekventa signaler. Följaktligen gör en op-amp en slarvig komparator med utbredningsfördröjningar som kan vara så långa som tiotals mikrosekunder.
Eftersom op-amps inte har någon intern hysteres, är ett externt hysteresnätverk alltid nödvändigt för långsamt rörliga insignaler.
Stillströmsspecifikationen för en op-förstärkare är endast giltig när återkopplingen är aktiv. Vissa op-amps visar en ökad viloström när ingångarna inte är lika.
En komparator är utformad för att producera välbegränsade utgångsspänningar som enkelt samverkar med digital logik. Kompatibilitet med digital logik måste verifieras när en op-amp används som komparator.
Vissa op-förstärkare med flera sektioner kan uppvisa extrem kanal-kanalinteraktion när de används som komparatorer.
Många op-förstärkare har rygg mot rygg dioder mellan sina ingångar. Op-amp-ingångar följer vanligtvis varandra så det här är bra. Men komparatoringångarna är vanligtvis inte desamma. Dioderna kan orsaka oväntad ström genom ingångar.

Design

En komparator består av en differentialförstärkare med hög förstärkning vars utgång är kompatibel med de logiska grindarna som används i den digitala kretsen. Förstärkningen är tillräckligt hög för att en mycket liten skillnad mellan ingångsspänningarna kommer att mätta utgången, utspänningen kommer att vara i antingen det låga logiska spänningsbandet eller det höga logiska spänningsbandet för grindingången. Analoga operationsförstärkare har använts som komparatorer, men ett dedikerat komparatorchip kommer i allmänhet att vara snabbare än en allmän operationsförstärkare som används som komparator, och kan även innehålla ytterligare funktioner som en exakt intern referensspänning, justerbar hysteres och en klockgated ingång.

Ett dedikerat spänningskomparatorchip som LM339 är utformat för att samverka med ett digitalt logiskt gränssnitt (till en TTL eller en CMOS ). Utgången är ett binärt tillstånd som ofta används för att koppla verkliga signaler till digitala kretsar (se analog-till-digital-omvandlare) . Om det finns en fast spänningskälla från till exempel en DC-justerbar enhet i signalvägen är en komparator bara ekvivalent med en kaskad av förstärkare. När spänningarna är nästan lika, kommer utspänningen inte att falla till en av de logiska nivåerna, så analoga signaler kommer in i den digitala domänen med oförutsägbara resultat. För att göra detta område så litet som möjligt har förstärkarkaskaden hög förstärkning. Kretsen består huvudsakligen av bipolära transistorer . För mycket höga frekvenser är ingångsimpedansen för stegen låg. Detta minskar mättnaden av de långsamma, stora p–n-övergångstransistorerna som annars skulle leda till långa återhämtningstider. Snabba små Schottky-dioder , som de som finns i binära logiska konstruktioner, förbättrar prestandan avsevärt även om prestandan fortfarande släpar efter den hos kretsar med förstärkare som använder analoga signaler. Svänghastighet har ingen betydelse för dessa enheter. För applikationer i flash-ADC:er matchar den fördelade signalen över åtta portar spänningen och strömförstärkningen efter varje förstärkare, och resistorer uppträder då som nivåskiftare.

LM339 åstadkommer detta med en öppen kollektorutgång . När den inverterande ingången har en högre spänning än den icke-inverterande ingången, ansluter komparatorns utgång till den negativa strömkällan. När den icke-inverterande ingången är högre än den inverterande ingången, är utgången "flytande" (har en mycket hög impedans mot jord). Förstärkningen av operationsförstärkaren som komparator ges av denna ekvation V(ut)=V(in)

Viktiga specifikationer

Även om det är lätt att förstå den grundläggande uppgiften för en komparator, det vill säga att jämföra två spänningar eller strömmar, måste flera parametrar beaktas när man väljer en lämplig komparator:

Hastighet och kraft

Även om komparatorer i allmänhet är "snabba", är deras kretsar inte immuna mot den klassiska avvägningen mellan hastighet och kraft. Höghastighetskomparatorer använder transistorer med större bildförhållanden och förbrukar därför också mer ström. Beroende på applikation, välj antingen en komparator med hög hastighet eller en som sparar ström. Till exempel är nanodrivna komparatorer i utrymmesbesparande chip-skala-paket (UCSP), DFN- eller SC70-paket som MAX9027 , LTC1540 , LPV7215 , MAX9060 och MCP6541 idealiska för bärbara applikationer med ultralåg effekt. På samma sätt om en komparator behövs för att implementera en relaxationsoscillatorkrets för att skapa en höghastighetsklocksignal kan komparatorer med några nanosekunders utbredningsfördröjning vara lämpliga. ADCMP572 (CML-utgång), LMH7220 (LVDS-utgång), MAX999 (CMOS-utgång / TTL-utgång), LT1719 (CMOS-utgång / TTL-utgång), MAX9010 (TTL-utgång) och MAX9601 (PECL-utgång) är exempel på några bra höghastighetskomparatorer .

Hysteres

En komparator ändrar normalt sitt utgångstillstånd när spänningen mellan dess ingångar passerar ungefär noll volt. Små spänningsfluktuationer på grund av brus, som alltid finns på ingångarna, kan orsaka oönskade snabba förändringar mellan de två utgångstillstånden när inspänningsskillnaden är nära noll volt. För att förhindra denna utgående svängning är en liten hysteres på några millivolt integrerad i många moderna komparatorer. Till exempel LTC6702 , MAX9021 och MAX9031 intern hysteres som desensibiliserar dem från ingående brus. I stället för en omkopplingspunkt introducerar hysteres två: en för stigande spänningar och en för fallande spänningar. Skillnaden mellan utlösningsvärdet på högre nivå (VTRIP+) och utlösningsvärdet på lägre nivå (VTRIP-) är lika med hysteresspänningen (VHYST).

Om komparatorn inte har intern hysteres eller om ingångsbruset är större än den interna hysteresen kan ett externt hysteresnätverk byggas med hjälp av positiv återkoppling från utgången till den icke-inverterande ingången på komparatorn. Den resulterande Schmitt-triggerkretsen ger ytterligare brusimmunitet och en renare utsignal. Vissa komparatorer som LMP7300 , LTC1540 , MAX931 , MAX971 och ADCMP341 tillhandahåller också hystereskontroll genom ett separat hysteresstift. Dessa komparatorer gör det möjligt att lägga till en programmerbar hysteres utan återkoppling eller komplicerade ekvationer. Att använda ett dedikerat hysteresstift är också bekvämt om källimpedansen är hög eftersom ingångarna är isolerade från hysteresnätverket. När hysteres läggs till kan en komparator inte lösa signaler inom hysteresbandet.

Utgångstyp

En lågeffekts CMOS-klockad komparator

Eftersom komparatorer endast har två utgångstillstånd är deras utgångar antingen nära noll eller nära matningsspänningen. Bipolära räl-till-skena komparatorer har en gemensam sändarutgång som ger ett litet spänningsfall mellan utgången och varje skena. Det fallet är lika med kollektor-till-emitter-spänningen för en mättad transistor. När utströmmar är lätta, sträcker sig utspänningarna från CMOS-räl-till-skena-komparatorer, som är beroende av en mättad MOSFET, närmare rälsspänningarna än deras bipolära motsvarigheter.

På basis av utgångar kan komparatorer även klassificeras som open-drain eller push-pull . Komparatorer med ett slutsteg med öppet avlopp använder ett externt pull-up-motstånd till en positiv matning som definierar den logiska höga nivån. Komparatorer med öppet avlopp är mer lämpade för system med blandad spänning. Eftersom utgången har hög impedans för logisk hög nivå, kan komparatorer med öppen ledning även användas för att ansluta flera komparatorer till en enda buss. Push-pull-utgång behöver inte ett pull-up-motstånd och kan också generera ström, till skillnad från en öppen-drain-utgång.

Intern referens

Den vanligaste applikationen för komparatorer är jämförelsen mellan en spänning och en stabil referens. TL431 används ofta för detta ändamål. De flesta komparatortillverkare erbjuder även komparatorer där en referensspänning är integrerad på chippet. Att kombinera referens och komparator i ett chip sparar inte bara utrymme utan drar också mindre matningsström än en komparator med extern referens. IC:er med ett brett urval av referenser finns tillgängliga såsom MAX9062 (200 mV referens), LT6700 (400 mV referens), ADCMP350 (600 mV referens), MAX9025 (1.236 V referens), MAX9040 (2.048 V referens), TLV3012 (1.24 V referens). ) och TSM109 (2,5 V referens).

Kontinuerlig kontra klockad

En kontinuerlig komparator kommer att mata ut antingen en "1" eller en "0" varje gång en hög eller låg signal appliceras på dess ingång och kommer att ändras snabbt när ingångarna uppdateras. Men många applikationer kräver endast komparatorutgångar vid vissa tillfällen, såsom i A/D-omvandlare och minne. Genom att endast stroba en komparator vid vissa intervall kan högre noggrannhet och lägre effekt uppnås med en klockad (eller dynamisk) komparatorstruktur, även kallad en låst komparator. Ofta använder låsta komparatorer stark positiv återkoppling för en "regenereringsfas" när en klocka är hög, och har en "återställningsfas" när klockan är låg. Detta i motsats till en kontinuerlig komparator, som endast kan använda svag positiv feedback eftersom det inte finns någon återställningsperiod.

Ansökningar

Nolldetektorer

En nolldetektor identifierar när ett givet värde är noll. Komparatorer är idealiska för jämförelsemätningar av nolldetektering, eftersom de är likvärdiga med en förstärkare med mycket hög förstärkning med välbalanserade ingångar och kontrollerade utgångsgränser. Nolldetektorkretsen jämför två inspänningar: en okänd spänning och en referensspänning, vanligtvis kallad v _u och v _r . Referensspänningen är vanligtvis på den icke-inverterande ingången (+), medan den okända spänningen vanligtvis är på den inverterande ingången (−). (Ett kretsschema skulle visa ingångarna enligt deras tecken med avseende på utgången när en viss ingång är större än den andra.) Om inte ingångarna är nästan lika (se nedan), är utgången antingen positiv eller negativ, till exempel ± 12 V. I fallet med en nolldetektor är syftet att detektera när inspänningarna är nästan lika, vilket ger värdet på den okända spänningen eftersom referensspänningen är känd.

När en komparator används som nolldetektor är noggrannheten begränsad; en utsignal på noll ges närhelst storleken på spänningsskillnaden multiplicerad med förstärkarens förstärkning ligger inom spänningsgränserna. Till exempel, om förstärkningen är 10 ⁶ och spänningsgränserna är ±6 V, kommer en utsignal på noll att ges om spänningsskillnaden är mindre än 6 μV. Man skulle kunna hänvisa till detta som en grundläggande osäkerhet i mätningen.

Nollgenomgångsdetektorer

För denna typ av detektor detekterar en komparator varje gång en AC- puls ändrar polaritet. Utgången från komparatorn ändrar tillstånd varje gång pulsen ändrar sin polaritet, det vill säga utsignalen är HI (hög) för en positiv puls och LO (låg) för en negativ puls kvadrerar ingångssignalen.

Avslappningsoscillator

En komparator kan användas för att bygga en relaxationsoscillator . Den använder både positiv och negativ feedback. Den positiva återkopplingen är en Schmitt-triggerkonfiguration . Ensam är avtryckaren en bistabil multivibrator . Den långsamma negativa återkopplingen som RC-kretsen lägger till triggern gör dock att kretsen oscillerar automatiskt. Det vill säga, tillägget av RC-kretsen förvandlar den hysteretiska bistabila multivibratorn till en astabil multivibrator .

Nivåväxling

National Semiconductor LM393

Denna krets kräver endast en enskild komparator med en öppen dräneringsutgång som i LM393 , TLV3011 eller MAX9028 . Kretsen ger stor flexibilitet vid val av spänningar som ska översättas genom att använda en lämplig pull up-spänning. Den tillåter också översättning av bipolär ±5 V logik till unipolär 3 V logik genom att använda en komparator som MAX972 .

Analog-till-digital-omvandlare

När en komparator utför funktionen att berätta om en inspänning är över eller under ett givet tröskelvärde, utför den i huvudsak en 1-bitars kvantisering . Den här funktionen används i nästan alla analoga till digitala omvandlare (såsom flash , pipeline, successiv approximation , delta-sigma-modulering , falsning, interpolering, dual-slope och andra) i kombination med andra enheter för att uppnå en multi-bit kvantisering.

Fönsterdetektorer

Komparatorer kan också användas som fönsterdetektorer. I en fönsterdetektor används en komparator för att jämföra två spänningar och avgöra om en given inspänning är under- eller överspänning.

Absolutvärdesdetektorer

Komparatorer kan användas för att skapa absolutvärdesdetektorer. I en absolutvärdesdetektor används två komparatorer och en digital logisk grind för att jämföra de absoluta värdena för två spänningar.

Se även

Den här artikeln innehåller material från allmän egendom från Federal Standard 1037C . General Services Administration . Arkiverad från originalet 2022-01-22.

externa länkar