Grunnleggende om analoge spenningskomparatorer, og hvordan du bruker dem: Nivådetektering til oscillatorer

Etter hvert som utviklere ønsker å samle inn flere data på inngangspunktet for utrustninger innen IoT (Tingenes internett), IIoT (Industriell IoT), AI (kunstig intelligens) og ML (maskinlæring), trenger de en enkel måte å oppdage at en målt verdi, enten det er spenning, strøm, temperatur eller trykk, er over eller under en terskel. På samme måte er det ofte nødvendig å vite at en målt verdi er innenfor eller utenfor verdiområdet. Det er ofte vanskelig å gjøre denne bestemmelsen ved inngangspunktet med tilstedeværelse av støy og forstyrrende signaler, men riktig valgte og anvendte spenningskomparatorer kan hjelpe.

En spenningskomparator er en elektronisk enhet som sammenligner en inngangsspenning med en kjent referansespenning og endrer utgangstilstanden, avhengig av om inngangen var over eller under referansen. Denne evnen tilfredsstiller behovet for å detektere terskelgjennomgang, nullverdier og signalamplituder innenfor eller utenfor et amplitudeområde.

Denne artikkelen beskriver de ulike typene kondensatorer, egenskapene deres og de viktigste kriteriene for å velg blant dem. Ved å bruke eksempelenheter fra Texas Instruments, tar vi for oss bruken av spenningssammenlignere for terskelgjennomgang og nullgjennomgang, sammen med klokkegjenoppretting og relaksasjon (opphevelse av spenning) av oscillatorutrustninger.

Hva er en spenningskomparator?

En spenningskomparator er en elektronisk enhet hvis utgang er en logisk tilstand som indikerer hvilken av de to inngangene som har en høyere spenning enn den andre (figur 1).

Figur 1: Den grunnleggende driften av en komparator illustrert i en TINA-TI-simulering ved å anvende en sinusbølge på den ikke-inverterende inngangen på en komparator, mens den inverterende inngangen refereres til null volt (jord). (Bildekilde: DigiKey)

Komparatoren er en Texas InstrumentsTLV3201AQDCKRQ1 enkelt komparator med push-pull utganger. Som alle komparatorer har den to innganger. En inverterende inngang merket med et minustegn (-), og en ikke-inverterende inngang merket med et plusstegn (+). Sammenligningsinngangene er svært lik inngangene for en operasjonsforsterker (op-amp). Den viktigste forskjellen er at komparatorutgangen er heller en digital logisk tilstand, enn en analog spenning. I figur 1 er inngangen en 1 megahertz (MHz) sinusbølge med en toppamplitude på 200 millivolt (mV). Når spenningen ved den ikke-inverterende inngangen er større enn ved den inverterende inngangen, vil utgangen være i høy tilstand, i dette tilfellet 2,5 volt. Når spenningen ved den ikke-inverterende inngangen er lavere enn ved den inverterende inngangen, går utgangen til lav tilstand, i dette tilfellet -2,5 volt. Denne komparatoren har skinne-til-skinne-utganger, slik at utgangslogikktilstandene strekker seg til strømforsyningsnivåene. I dette eksemplet brukes symmetriske positive og negative 2,5 volts forsyninger som reflekteres i utgangsspenningssvingningen.

En måte å tenke på en komparator på er at den er en en-bit analog til digital-omformer (ADC). Hvis den er konfigurert til å endre tilstand ved nullgjennomgang, er utgangen i hovedsak en fortegnsbit.

Denne komparatoren har en responstid på 40 nanosekunder (ns), som er angitt som forplantningshastigheten eller forplantningsforsinkelsen. Dette er tiden fra terskelgjennomgang ved inngangen til utgangen endrer tilstand. Forplantningshastigheten påvirker hvor raskt komparatoren kan veksler tilstander, og er i realiteten en båndbredderelatert spesifikasjon. TLV3201 har også en innebygd spenningshysterese på 1,2 mV for å motvirke tilstedeværelsen av støy på signalinngangen.

Hysterese og støy

Hvis det er støy eller falske signaler som kjører på komparatorinngangen, kan terskelen gås gjennom flere ganger, og utgangen kan følge terskelovergangene og veksle flere ganger (figur 2).

Figur 2: Å ha støy på signalinngangen kan føre til at komparatorutgangen veksler flere ganger når støyen gjentatte ganger driver inngangen over og under terskelen. (Bildekilde: DigiKey)

En løsning på denne uønskede utgangsvekslingen, er å legge til amplitudehysterese til komparatorkretsen. Hysterese gjør at komparatorutgangen holder sin tilstand etter et terskelgjennomgang til inngangsamplituden endres med en fast mengde. Dette oppnås ved å bruke positiv tilbakemelding fra utgangen til inngangen til komparatoren som forskyver terskelverdien med et lite trinn (figur 3).

Figur 3: Hysterese bruker positiv tilbakekobling på referanseinngangen for å forskyve terskelen med et fast trinn. Små amplitudeendringer på inngangssignalet, kan derfor ikke endre utgangen. (Bildekilde: DigiKey)

Motstand R3 mater tilbake utgangen til referanseinngangen, og forskyver referansenivået en liten verdi som er bestemt av verdiene til motstandene R1, R2 og R3. For de gitte motstandsverdiene resulterer dette i en hysterese på 400 mV, som endrer terskelen slik at utgangstilstanden ikke endres før inngangen overskrider hystereseamplituden. Resultatet er at utgangen gjør en enkel overgang ved terskelgjennomgangen.

Noen få merknader om kretsen som brukes sammenlignet med kretsen i figur 1. Først er inverterende og ikke-inverterende innganger byttet, inverterer utgangslogikken. Utgangen er en logisk høy når signalet er under terskelen. Denne kretsegenskapen brukes i kretser som registrerer når en verdi er innenfor eller utenfor et verdiområde. TLV3201 drives med en enkelt 5 volts strømforsyning, ikke den doble 2,5 volts strømforsyningen som brukes i figur 1. På grunn av dette utledes referansespenningen av en spenningsdeler R1 og R2 til å være på 2,5 volt, den vanlige modusspenningen for inngangen. Inngangssignalet er også skjevt til denne fellesmodusspenningen. Trekantbølgen har en toppamplitude på 2 volt som kjører på et 2,5 volts forspenningsnivå. Denne kretskonfigurasjonen er et vanlig alternativ.

Registrerer verdi innenfor eller utenfor et vindu

En enkeltspenningskomparator kan registrere om en inngangsspenning er over eller under en referanseterskelverdi. Bestemmelse av om en inngangsspenning ligger mellom to grenser, kalt vindusåpning, krever to komparatorer, en for hver grense (figur 4).

Figur 4: En konfigurasjon av en komparatorvindukrets bruker en dobbeltspenningskomparator for å avgjøre om inngangen er innenfor to spenningsnivåer, V_L og V_H. (Bildekilde: Texas Instruments)

Vinduskretsen som vises bruker en Texas Instruments sin TLV6710DDCR dobbeltspenningskomparator. TLV6710 omfatter to høynøyaktige komparatorer beregnet på høyspenningsutrustninger. Forsyningsspenninger kan være mellom 1,8 og 36 volt. Den inkluderer en 400 mV intern DC-referansekilde (likestrøm). Komparatorutgangene er åpne dreneringstilkoblinger som logisk kan «OR-es» ved å binde dem sammen gjennom en felles sluttmotstand (pullup-motstand), som vist. Sammenlignerne er koblet slik at referansespenningen påføres den inverterende inngangen på den ene (komparator A) og den ikke-inverterende inngangen på den andre (komparator B). Inngangen påføres gjennom spenningsdeleren som består av motstandene R1, R2 og R3 som setter terskelspenningene på 3,3 volt for den nedre grensen og 4,1 volt for den øvre grensen. Sammenligningsutgangen er i høy tilstand (3,3 volt) når inngangen, V_MON, er i vinduet. Komparator A indikerer når inngangsspenningen er under 4,1 volt og komparator B viser når inngangen er over 3,3 volt. Legg merke til at begge komparatorene i TLV6710 har en nominell, intern spenningshysterese på 5,5 mV for å bidra til å avvise støy og små forstyrrelser.

Forplantningsforsinkelsen til denne komparatoren er vanligvis 9,9 mikrosekunder (µs) for en høy-til-lav-overgang og 28,1 µs for en lav-til-høy-overgang. Denne forskjellen skyldes konfigurasjonen av åpen utløpsutgang (drain output). Den høye til lave overgangen er en aktiv nedtrekksfunksjon av utgangs-FET, mens lav-til-høy-overgangen er et passivt opptrekk (pullup) via en motstand, som tar mer tid. Denne komparatoren er beregnet for utrustninger for spenningsovervåking som ikke krever en ekstremt lav forplantningsforsinkelse.

Utrustning med vindusåpning

Vindusåpning kan bli brukt i robotteknikk til å styre bevegelsesretningen til en robot ved hjelp av lys og to CDS-fotoceller. Kadmiumsulfid-fotoceller (CDS) endrer for eksempel motstanden sin som respons på belysning, de har en høyere motstand når de er mørke og en mye lavere motstand når de er opplyst. En TINA-TI-simulering illustrerer dette prinsippet ved hjelp av en Texas Instruments LM393BIPWR-dobbelkomparator (figur 5).

Figur 5: En kretssimulering for en robotstyringskontroll ved hjelp av to styremotorer merket Venstre og Høyre (Left and Right). Når 5 volt påføres motorene, beveger de seg fremover, når 0 volt påføres, beveger de seg i revers. (Bildekilde: DigiKey)

LM393B-komparatoren er en dobbel komparator med åpen kollektor-utganger som kan kjøre på forsyningsspenninger fra 3 til 36 volt. I denne kretsen gir hver seksjon et motorstyringssignal for hver av de to motorene som er angitt som venstre eller høyre drivenhet.

Et potensiometer brukes til å modellere de to CDS-fotocellene. En potensiometerinnstilling fra 0 til 40 % representerer den høyre fotocellen som blir belyst med den venstre fotocellen i mørke. Innstillinger fra 60 til 100 % indikerer at lyset primært er på venstre fotocelle, med høyre fotocelle mørk. Fra 40 til 60 % er begge fotocellene opplyst. Når motorstyringssignalet til en av motorene er på +5 volt, dreier motoren i foroverretning. Hvis motorstyringssignalet er på 0 volt, går motoren i revers.

Når begge fotocellene er like opplyst, kjører begge motorene i foroverretning og beveger roboten rett frem. Når potensiometeret er mellom 0 og 40 %, kjører den venstre motoren i fremadgående retning og den høyre motoren kjører i revers, og kjører roboten til høyre. I området fra 60 til 100% dreier høyre motor i foroverretning, venstre motor reverseres, og roboten dreier til venstre.

Sammenligningsreferansenivåene utledes fra en spenningsdeler og er satt til 2 volt (40 % på potensiometeret) for høyre styringsenhet og 3 volt (60 % på potensiometeret) for venstre regulator.

Relaksasjonsoscillator

Ved hjelp av både positiv og negativ tilbakemelding kan en komparator konfigureres som en relaksasjonsoscillator (figur 6).

Figur 6: En relaksasjonsoscillator lages ved å legge til en kondensator til en av inngangene og bruke tilbakemelding på denne kondensatoren . (Bildekilde: DigiKey)

En relaksasjonsoscillator (også kalt astabil multivibrator) med firkantbølgeutgang kan lages ved hjelp av kretsen vist i figur 6. Oscillasjonsfrekvensen (svingningsfrekvensen) bestemmes av motstands-kondensatorens tidskonstant til R1 og C1. Med C1 i utgangspunktet utladet (0 volt) er den inverterende inngangsspenningen under referansespenningen på den ikke-inverterende inngangen. Utgangen blir tvunget til 5 volt. Kondensatoren C1 lades via R1 opp til referansespenningen hvorpå utgangen faller til 0 volt. C1 lades gjennom R1 til den faller under referansespenningen og syklusen gjentas. Referansespenningen har hysterese (positiv) tilbakekobling tillagt til seg. Når utgangen er 0 volt, er referansen 2,5 volt. Når utgangen er 5 volt, øker referansespenningen med ca. 1,7 volt, noe som tar den opp til 4,2 volt. Transientresponsen, vist i grafen, viser både utgangens (Vo) og kondensatorens (Vc) spenningsbølgeformer.

Den maksimale svingningsfrekvensen er begrenset av komparatorens forplantningsforsinkelse. I dette tilfellet brukes Texas Instruments TLV3201 med en forplantningsforsinkelse på 40 ns til å lage en 10 MHz-oscillator. Denne frekvensen er ganske nær maksimum for denne komparatoren.

Gjenoppretting og tilbakestilling av klokken

Klokkesignaler som overføres gjennom bakplan og kabler, blir forringet av båndbreddebegrensninger, intersymbolforstyrrelser (ISI), støy, refleksjoner og krysstale. Komparatorer kan brukes til å gjenopprette klokkesignaler og gjenopprette dem til en klarere definert form (figur 7).

Figur 7: En komparator med en forplantningsforsinkelse på 7 ns med intern hysterese brukes til å gjenopprette en 20 MHz-klokke. (Bildekilde: DigiKey)

I denne typen utrustninger er forplantningsforsinkelsen mer kritisk. Den maksimale frekvensen en komparator kan spore er en funksjon til forplantningsforsinkelsen og utgangsovergangstidene:

 Ligning 1

Der: f_MAX er den maksimale vekslefrekvensen

t_Rise er er utgangens stigetid

t_Fall er utgangens falltid

t_{PD LH} er forplantningsforsinkelsen fra lav til høy

t_{PD HL} er forplantningsforsinkelsen fra høy til lav

Texas Instruments sin LMV7219M5X-NOPB som opererer med en 5 volts forsyning har en stigetid på 1,3 ns, en falltid på 1,25 ns og en typisk forplantningsforsinkelse på 7 ns for begge overgangsretninger. Dette gir en maksimal vekslefrekvens på 60,4 MHz. Selv med en tilførsel på 2,7 volt og lengre forplantningsforsinkelse og overgangstider, er den maksimale vekslingsfrekvensen for denne komparen ca. 35 Mhz – mer enn tilstrekkelig for denne 20 MHz-klokken.

I tillegg til den bemerkelsesverdig lave forplantningsforsinkelsen, inneholder LMV7219 et utgangstrinn for drift i to retninger (push-pull) fra skinne til skinne, noe som betyr korte og ensartede stignings- og falltider. Den har også intern hysterese på 7,5 mV for å minimere påvirkningene av støy.

Konklusjon

Spenningssammenligneren kobler den analoge og digitale verdenen, og er et spesielt nyttig verktøy, enten det gjelder signalnivåer og vinduer for IIoT, AI eller ML ved inngangspunktet, eller for nulldeteksjon, klokkegjenoppretting eller som en oscillator.