Grundfakta om analoga spänningskomparatorer och hur de används: Nivådetektering för oscillatorer

När utvecklare vill samla in mer data vid molnkanten för applikationer inom sakernas internet (IoT), industriellt sakernas internet (IIoT), artificiell intelligens (AI) och maskininlärning (ML), behöver de ett smidigt sätt att detektera att ett uppmätt värde - det kan vara spänning, ström, temperatur, tryck eller annat - ligger över eller under ett tröskelvärde. På samma sätt är det ofta nödvändigt att veta att en uppmätt kvantitet ligger inom eller utanför ett värdeintervall. Att göra denna bestämning vid molnkanten i närvaro av brus och störande signaler är ofta svårt, men noggrant utvalda och använda spänningskomparatorer kan hjälpa till.

En spänningskomparator är en elektronisk komponent som jämför en ingångsspänning med en känd referensspänning och ändrar dess utgångstillstånd beroende på om ingången ligger över eller under referensen. Denna funktion tillgodoser behovet av att detektera tröskelövergångar, nullvärden och signalamplituder inom eller utanför ett amplitudintervall.

Denna artikel beskriver hur spänningskomparatorer används, deras egenskaper och de viktigaste kriterierna för att välja rätt. Användning av spänningskomparatorer för tröskel- och nollövergångsdetektorer, tillsammans med relaxationsoscillatorer och klockåterhämtningsfunktioner kommer att diskuteras med hjälp av exempelprodukter från Texas Instruments.

Vad är en spänningskomparator?

En spänningskomparator är en elektronisk komponent, vars utgång är ett logiskt tillstånd som indikerar vilken av dess två ingångar som har en högre spänning än den andra (figur 1).

Figur 1: Den grundläggande funktionen för en komparator illustreras i en TINA-TI-simulering genom att applicera en sinusvåg på en icke-inverterande ingång hos en komparator medan den inverterande ingången har 0 volt-referens (jord). (Bildkälla: DigiKey)

Komparatorn är en TLV3201AQDCKRQ1-enkelkomparator med push-pull-utgångar från Texas Instruments. Som alla komparatorer har den två ingångar. En inverterande ingång markerad med ett minustecken (-) och en icke-inverterande ingång markerad med ett plustecken (+). Komparatoringångarna är mycket lika dem hos en operationsförstärkare. Huvudskillnaden är att komparatorutgången är ett digitalt logiskt tillstånd snarare än en analog spänning. I figur 1 är ingången en sinusvåg på 1 MHz med en toppamplitud på 200 mV. När spänningen på den icke-inverterande ingången är större än på den inverterande ingången kommer utgången vara logiskt hög, 2,5 volt i detta fall. När spänningen på den icke-inverterande ingången är mindre än på den inverterande ingången går utgången till logiskt låg, -2,5 volt i detta fall. Denna komparator har utgångar som täcker hela intervallet mellan referensnivåerna, så de utgående logiktillstånden sträcker sig ända till strömförsörjningsnivåerna. I detta exempel används symmetriska positiva och negativa 2,5 volt-försörjningar, vilket reflekteras i utgångsspänningen.

Ett sätt att tänka på en komparator är att det är en 1-bits A/D-omvandlare (ADC). Om den är konfigurerad för att ändra tillstånd vid en nollövergång, är dess utgång i princip en teckenbit.

Denna komparator har en svarstid på 40 ns, vilket anges som utbredningshastighet eller fördröjning. Det är tiden från tröskelövergången på ingången tills utgången ändrar tillstånd. Utbredningshastigheten påverkar hur snabbt komparatorn kan växla mellan tillstånd och är i själva verket en bandbreddsrelaterad specifikation. TLV3201 har också en inbyggd spänningshysteres på 1,2 mV för att motverka närvaron av brus på signalingången.

Hysteres och brus

Om det förekommer brus eller falska signaler på komparatoringången, kan tröskeln korsas flera gånger och utsignalen kan följa tröskelövergångarna och växla flera gånger (figur 2).

Figur 2: Att ha brus på signalingången kan få komparatorutgången att växla flera gånger eftersom bruset upprepade gånger driver ingången över och under tröskeln. (Bildkälla: DigiKey)

En lösning på denna oönskade utgångsväxling är att lägga till amplitudhysteres till komparatorkretsen. Hysteres får komparatorutgången att hålla sitt tillstånd efter en tröskelövergång tills ingångsamplituden ändras en viss mängd. Detta åstadkoms genom positiv återkoppling från utgången till ingången av komparatorn som förskjuter tröskelvärdet med ett litet steg (figur 3).

Figur 3: Hysteres ger positiv återkoppling på referensingången för att förflytta tröskeln en definierad mängd. Små amplitudändringar på insignalen kan som sådana inte ändra utsignalen. (Bildkälla: DigiKey)

Motståndet R3 matar tillbaka utgången till referensingången och förskjuter referensnivån en liten bit som är bestämd av värdena på motstånden R1, R2 och R3. För de givna resistansvärdena resulterar detta i en hysteres på 400 mV, vilket ändrar tröskeln så att utgångstillståndet inte ändras förrän ingången överstiger hysteresamplituden. Resultatet är att utgången gör en enda övergång vid tröskelövergången.

Några anteckningar om kretsen som används jämfört med kretsen i figur 1. Först har de inverterande och icke-inverterande ingångarna växlat om och inverterat utgångslogiken. Utgången är logisk hög när signalen är under tröskeln. Denna kretskarakteristik används i kretsar som känner av när ett värde ligger inom eller utanför ett värdeområde. TLV3201 drivs med en enkel 5 volts-matning, inte den dubbla 2,5-volts-matningen som används i figur 1. På grund av detta sätts referensspänningen mde hjälp av en spänningsdelare R1 och R2 till 2,5 volt, common mode-spänningen för ingången. Ingångssignalen är också förspänd till denna common mode-spänning. Triangelvågen har en 2 volts toppamplitud som kör på en 2,5 volts förspänningsnivå. Denna kretskonfiguration är ett vanligt alternativ.

Avkänningsvärde i eller utanför ett fönster

En enkel spänningskomparator kan känna av om en ingångsspänning ligger över eller under ett referensgränsvärde. För att avgöra om en ingångsspänning ligger mellan två gränser, eller inom ett "fönster", krävs två komparatorer, en för varje gräns (Figur 4).

Figur 4: Kretskonfigurationen för komparatorfönstret använder en dubbel spänningskomparator för att avgöra om ingången ligger inom två spänningsnivåer, V_L och V_H . (Bildkälla: Texas Instruments)

Den visade fönsterkretsen använder Texas Instruments dubbelspänningskomparator TLV6710DDCR. TLV6710 består av två precisionsskomparatorer avsedda för applikationer med hög spänning. Matningsspänningarna kan vara mellan 1,8 och 36 volt. Den innehåller en 400 mV intern DC-referenskälla. Komparatorutgångarna är open drain-anslutningar som logiskt kan "OR:as" genom att koppla ihop dem genom ett gemensamt pullup-motstånd, såsom visas. Komparatorerna är kopplade så att referensspänningen appliceras på den inverterande ingången på den ena (komparatorn A) och den icke-inverterande ingången på den andra (komparatorn B). Ingången matas via spänningsdelaren som består av motstånden R1, R2 och R3 som ställer in tröskelspänningarna på 3,3 volt för den nedre gränsen och 4,1 volt för den övre gränsen. Komparatorns utgång är i högt tillstånd (3,3 volt) när ingången, V_MON, ligger inom fönstret. Komparator A indikerar när ingångsspänningen är under 4,1 volt och komparator B visar när ingången är över 3,3 volt. Observera att båda komparatorerna i TLV6710 har en nominell intern spänningshysteres på 5,5 mV för att dämpa brus och små störningar.

Utbredningsfördröjningen för denna komparator är typiskt 9,9 µs för en övergång hög till låg och 28,1 µs för en övergång låg till hög. Denna skillnad beror på den öppna open drain-konfigurationen. Övergången hög till låg är en aktiv pulldown av utgångens FET, medan övergången låg till hög är en passiv pullup genom ett motstånd som tar längre tid. Denna komparator är avsedd för spänningsövervakning där det inte krävs extremt låg utbredningsfördröjning.

Användning som spänningsfönster

Spänningsfönster kan användas i robotik för att styra en robots körriktning med ljus och två CDS-fotoceller. Till exempel ändrar fotoceller av kadmiumsulfid (CDS) sin resistans som svar på belysning, med högre motstånd när det är mörkt och ett mycket lägre motstånd när det är ljust. En TINA-TI-simulering illustrerar denna princip med Texas Instruments dubbelkomparator LM393BIPWR (figur 5).

Figur 5: En kretssimulering för en robotstyrning med två styrmotorer märkta Left och Right. När 5 volt läggs på motorerna rör sig de framåt, när 0 volt läggs på rör de sig bakåt. (Bildkälla: DigiKey)

LM393B-komparatorn är en dubbelkomparator med öppna kollektorutgångar som kan köras på matningsspänningar från 3 till 36 volt. I denna krets ger varje sektion en motorstyrsignal för var och en av de två motorerna som är betecknade som vänster eller höger drivenhet.

En potentiometer används för att modellera de två CDS-fotocellerna. En potentiometerinställning från 0 till 40 % representerar att den högra fotocellen belyses, och den vänstra fotocellen är i mörker. Inställningar från 60 till 100 % betyder att ljuset främst är på den vänstra fotocellen, och den högra fotocellen mörk. Från 40 till 60 % är båda fotocellerna upplysta. När motorns styrsignal till endera motorn är på +5 volt vänder motorn framåt. Om motorns styrsignal är på 0 volt går motorn bakåt.

När båda fotocellerna är lika upplysta, körs båda motorerna framåt och roboten rör sig rakt framåt. När potentiometern är mellan 0 och 40 %, går den vänstra motorn framåt och den högra motorn bakåt, och roboten rör sig åt höger. I området från 60 till 100 % rör sig höger motor framåt, medan vänster motor backar och roboten svänger åt vänster.

Komparatorns referensnivåer referensställs med en spänningsdelare och är inställda på 2 volt (40 % på potentiometern) för höger styrenhet och 3 volt (60 % på potentiometern) för den vänstra styrenheten.

Relaxationsoscillator

Med både positiv och negativ återkoppling kan en komparator konfigureras som en relaxationsoscillator (figur 6).

Figur 6: Genom att lägga till en kondensator till en av ingångarna och lägga på feedbacken på den kondensatorn skapas en relaxationsoscillator. (Bildkälla: DigiKey)

En relaxationsoscillator (även kallad en astabil multivibrator) med fyrkantvågutgång kan skapas med hjälp av kretsen som visas i figur 6. Svängningsfrekvensen bestäms av motstånd-kondensator-tidskonstanten för R1 och C1. När C1 initialt laddats ur (0 volt) ligger den inverterande ingångsspänningen under referensspänningen på den icke-inverterande ingången. Utgången tvingas till 5 volt. Kondensatorn C1 laddas via R1 upp till referensspänningen varpå utgången sjunker till 0 volt. C1 urladdas genom R1 tills den faller under referensspänningen och cykeln upprepas. Till referensspänningen adderas hysteres-återkopplingen (positiv). När utgången är 0 volt är referensen 2,5 volt. När utgången är 5 volt ökar referensspänningen med cirka 1,7 volt, vilket höjer den till 4,2 volt. Transientsvaret, som visas i diagrammet, visar både utgångens (Vo) och kondensatorns (Vc) spänningsvågformer.

Den maximala svängningsfrekvensen begränsas av komparatorns utbredningsfördröjning. I detta fall används Texas Instruments TLV3201 med 40 ns utbredningsfördröjning för att skapa en 10 MHz-oscillator. Denna frekvens är ganska nära det maximala för denna komparator.

Återbildning och återställning av klockan

Klocksignaler som sänds ut genom bakplan och kablar försämras på grund av bandbreddsbegränsningar, intersymbolstörningar (ISI), brus, reflektioner och överhörning. Komparatorer kan användas för att återbilda klocksignaler och återställa dem till en tydligare definierad form (Figur 7).

Figur 7: En komparator med 7 ns utbredningsfördröjning med intern hysteres används för att återställa en 20 MHz klocka. (Bildkälla: DigiKey)

I denna typ av applikation är utbredningsfördröjningen mer kritisk. Den maximala frekvensen som en komparator kan spåra är en funktion av utbredningsfördröjningar och utgångsövergångstider:

Ekvation 1

Var: f_MAX är den maximala omslagsfrekvensen

t_Rise är utgångens stigtid

t_Fall är utgångens falltid

t_{PD LH} är utbredningsfördröjningen från låg till hög

t_{PD HL} är utbredningsfördröjningen från hög till låg

Texas Instruments LMV7219M5X-NOPB arbetar med 5 volts matning och har en stigningstid på 1,3 ns, en falltid på 1,25 ns och en typisk utbredningsfördröjning på 7 ns för båda övergångsriktningarna. Detta ger en maximal växelfrekvens på 60,4 MHz. Även med 2,7 volts matning och längre utbredningsfördröjning och övergångstider är den maximala omkopplingsfrekvensen för denna komparator cirka 35 MHz, mer än tillräckligt för den här 20 MHz-klockan.

Förutom den anmärkningsvärt låga utbredningsfördröjningen innehåller LMV7219 ett push-pull-utgångssteg för hela intervallet mellan referensnivåerna, vilket innebär korta och enhetliga upp- och nedgångstider. Den har också intern hysteres på 7,5 mV för att minimera bruseffekterna.

Slutsats

För att överbrygga den analoga och digitala världen är spänningskomparatorn ett särskilt användbart verktyg, både när det gäller signalnivåer och fönster för IIoT, AI eller ML vid molnkanten, eller för null-detektering, klockåterställning eller som en oscillator.