Podstawy analogowych komparatorów napięcia i sposoby ich użycia: od wykrywania poziomów do oscylatorów

Projektanci szukają sposobów na gromadzenie większej ilości danych brzegowych na potrzeby aplikacji Internetu rzeczy (IoT), przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT), sztucznej inteligencji (AI) i uczenia maszynowego (ML), dlatego potrzebują prostej metody wykrywania, czy mierzona wartość - napięcie, prąd, temperatura lub ciśnienie - znajduje się powyżej, czy poniżej wartości progowej. Często trzeba również wiedzieć, czy mierzona wielkość leży wewnątrz, czy na zewnątrz przedziału wartości. Ustalenie tego na brzegu w obecności szumów i sygnałów zakłócających często jest trudne, jednak pomocne w tym mogą być prawidłowo dobrane i zastosowane komparatory napięcia.

Komparator napięcia to urządzenie elektroniczne, które porównuje napięcie wejściowe ze znanym napięciem referencyjnym i zmienia swój stan wyjściowy w zależności od tego, czy napięcie wejściowe było wyższe, czy niższe od referencyjnego. Funkcja ta zaspokaja potrzebę wykrywania przekroczenia wartości progowych i zerowych oraz zawierania się amplitud wewnątrz określonych przedziałów lub wykraczania poza nie.

W tym artykule opisano użycie komparatorów napięcia, ich charakterystyki oraz kluczowe kryteria doboru. Na przykładzie urządzeń firmy Texas Instruments omówiono wykorzystanie komparatorów napięcia do wykrywania przekroczenia wartości progowych i zerowych, a także zastosowania w odzyskiwaniu zegara oraz oscylatorach relaksacyjnych.

Czym jest komparator napięcia?

Komparator napięcia jest urządzeniem elektronicznym, którego wyjście przybiera stan logiczny wskazujący, na którym z dwóch wejść panuje wyższe napięcie (ilustracja 1).

Ilustracja 1: podstawowe działanie komparatora w symulacji TINA-TI przy podaniu fali sinusoidalnej na wejście nieodwracające komparatora i napięcia referencyjnego 0V (masa) na wejście odwracające. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Wykorzystano tu pojedynczy komparator z wyjściem komplementarnym TLV3201AQDCKRQ1 firmy Texas Instruments. Tak jak każdy komparator, posiada on dwa wejścia. Wejście odwracające oznaczone znakiem minus (-), oraz wejście nieodwracające oznaczone znakiem plus (+). Wejścia komparatora są bardzo podobne do wejść wzmacniacza operacyjnego. Główna różnica jest taka, że na wyjściu komparatora występuje cyfrowy stan logiczny, a nie analogowy sygnał napięciowy. Na ilustracji 1 sygnał wejściowy ma postać fali sinusoidalnej o częstotliwości 1MHz i amplitudzie szczytowej 200mV. Gdy napięcie na wejściu nieodwracającym jest większe niż na wejściu odwracającym, na wyjściu panuje stan wysoki - w tym przypadku jest to 2,5V. Gdy napięcie na wejściu nieodwracającym jest mniejsze niż na wejściu odwracającym, wyjście przybiera stan niski - w tym przypadku jest to -2,5V. Ten komparator posiada wyjścia typu rail-to-rail, dlatego wyjściowe stany logiczne osiągają poziomy zasilania. W tym przykładzie zastosowano symetryczne napięcia zasilania plus i minus 2,5V, co znajduje odzwierciedlenie w zakresie wahań napięcia wyjściowego.

Jednym ze sposobów postrzegania komparatorów jest traktowanie ich jak jednobitowe przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC). Jeżeli są one skonfigurowane do zmiany stanu przy przejściu przez zero, sygnał wyjściowy zasadniczo jest bitem znaku.

Omawiany komparator ma czas odpowiedzi 40ns, określany w specyfikacjach jako prędkość propagacji lub opóźnienie. Jest to czas, jaki upływa od momentu przejścia przez wartość progową na wejściu do momentu zmiany stanu na wyjściu. Prędkość propagacji wpływa na szybkość, z jaką komparator może przełączać stany. Jest to parametr specyfikacji związany z szerokością pasma. Układ TLV3201 posiada również wbudowaną histerezę napięcia 1,2mV zapobiegającą szumom na wejściu sygnału.

Histereza i szumy

Jeżeli na wejściu komparatora pojawiają się szumy lub fałszywe sygnały, wartość progowa może być przekraczana wielokrotnie, skutkując wielokrotnym przełączaniem sygnału wyjściowego (ilustracja 2).

Ilustracja 2: występowanie szumów na wejściu sygnału może powodować wielokrotne przełączanie sygnału wyjściowego komparatora, ponieważ szumy powodują wielokrotne przechodzenie sygnału powyżej i poniżej wartości progowej. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Rozwiązaniem niepożądanego przełączania sygnału wyjściowego jest dodanie histerezy amplitudy w obwodzie komparatora. Histereza powoduje, że komparator utrzymuje stan wyjściowy po przekroczeniu wartości granicznej do momentu, aż amplituda zmieni się o ustaloną wartość. Jest to realizowane poprzez zastosowanie dodatniego sprzężenia zwrotnego pomiędzy wyjściem i wejściem komparatora, które wprowadza przesunięcie wartości progowej o niewielką wartość (ilustracja 3).

Ilustracja 3: histereza stosuje dodatnie sprzężenie zwrotne na wejściu referencyjnym w celu przesunięcia wartości progowej o ustaloną wartość. W wyniku tego niewielkie zmiany amplitudy na sygnale wejściowym nie są w stanie zmienić sygnału wyjściowego. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Rezystor R3 tworzy sprzężenie zwrotne pomiędzy wyjściem i wejściem referencyjnym, zmieniając poziom odniesienia o niewielką wartość, określoną rezystorami R1, R2 oraz R3. Podane wartości rezystorów skutkują histerezą 400mV, która zmienia wartość progową w taki sposób, że stan na wyjściu nie zmienia się do czasu, gdy sygnał wejściowy przekroczy amplitudę histerezy. W wyniku tego sygnał wyjściowy dokonuje pojedynczego przejścia w momencie przekroczenia wartości progowej.

Kilka uwag na temat użytego obwodu w porównaniu z obwodem na ilustracji 1. Po pierwsze, zamieniono wejście nieodwracające z odwracającym, co skutkuje odwróceniem logicznego sygnału wyjściowego. Na wyjściu panuje wysoki sygnał logiczny, gdy sygnał wejściowy jest poniżej wartości progowej. Ta charakterystyka obwodu jest często wykorzystywana w układach, które wykrywają, czy dana wartość mieści się w danym zakresie, czy leży poza nim. Układ TLV3201 pracuje przy pojedynczym zasilaniu 5V, a nie przy podwójnym zasilaniu 2,5V na ilustracji 1. Z tego powodu napięcie referencyjne jest uzyskiwane z dzielnika napięcia R1 i R2 jako wartość 2,5V - napięcie sygnału wspólnego dla wejścia. Sygnał wejściowy jest również spolaryzowany tym napięciem sygnału wspólnego. Fala trójkątna posiada amplitudę szczytową 2V nałożoną na poziom polaryzacji 2,5V. Ta konfiguracja jest często stosowaną alternatywą.

Wykrywanie, czy wartość mieści się w żądanym przedziale, czy leży poza nim

Pojedynczy komparator napięcia jest w stanie wykryć, czy napięcie wejściowe jest wyższe, czy niższe od wartości progowej. Ustalenie, czy napięcie wejściowe mieści się między dwiema wartościami granicznymi, zwanymi okienkiem, wymaga dwóch komparatorów - po jednym dla każdej wartości granicznej (ilustracja 4).

Ilustracja 4: konfiguracja układu komparatora okienkowego wykorzystuje dwa komparatory napięcia w celu ustalenia, czy napięcie wejściowe leży pomiędzy dwoma poziomami napięcia V_L oraz V_H. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Ukazany obwód okienkowy wykorzystuje podwójny komparator napięcia TLV6710DDCR firmy Texas Instruments. Układ TLV6710 składa się z dwóch komparatorów wysokiej dokładności, przeznaczonych do zastosowań wysokonapięciowych. Napięcia wejściowe mogą być z zakresu od 1,8 do 36V. Zawiera on wewnętrzne źródło referencyjne 400mV prądu stałego. Wyjścia komparatorowe posiadają konfigurację otwartego drenu i mogą realizować funkcję sumy logicznej (OR) poprzez połączenie wspólnym rezystorem podwyższającym. Komparatory są połączone w taki sposób, że napięcie referencyjne jest podawane na wejście odwracające jednego komparatora (A) i wejście nieodwracające drugiego komparatora (B). Sygnał wejściowy podawany jest za pośrednictwem dzielnika napięcia składającego się z rezystorów R1, R2 oraz R3, które ustalają napięcia progowe jako dolną wartość graniczną 3,3V i górną wartość graniczną 4,1V. Na wyjściu komparatora panuje stan wysoki (3,3V), gdy napięcie wyjściowe V_MON mieści się w okienku. Komparator A sygnalizuje, kiedy napięcie wejściowe jest niższe od 4,1V, a komparator B sygnalizuje, kiedy napięcie wejściowe przekracza 3,3V. Należy zauważyć, że nominalna wewnętrzna histereza układu TLV6710 wynosi 5,5mV i służy eliminacji szumów i niewielkich zakłóceń.

Opóźnienie propagacji tego komparatora wynosi typowo 9,9µs w przypadku przejścia ze stanu wysokiego do niskiego oraz 28,1µs w przypadku zmiany stanu z niskiego na wysoki. Różnica ta wynika z zastosowania wyjść w konfiguracji otwartego drenu. Zmiana stanu z wysokiego na niski to aktywne obniżenie przez wyjściowy tranzystor FET, natomiast zmiana ze stanu niskiego na wysoki jest pasywnym podwyższeniem za pośrednictwem rezystora, co trwa dłużej. Te komparatory przeznaczone są do monitorowania napięcia, które nie wymaga ekstremalnie niskich opóźnień propagacji.

Okienkowanie

Okienkowanie wykorzystywane jest np. w robotyce do sterowania kierunkiem jazdy robota z użyciem światła i dwóch fotokomórek CDS. Fotokomórki na bazie siarczku kadmu (CDS) zmieniają rezystancję pod wpływem oświetlenia. Charakteryzują się one wyższą rezystancją w ciemności i znacznie niższą po oświetleniu. Symulacja TINA-TI ukazuje tę zasadę na przykładzie podwójnego komparatora LM393BIPWR firmy Texas Instruments (ilustracja 5).

Ilustracja 5: symulacja obwodu sterowania robotem z wykorzystaniem dwóch silników sterujących oznaczonych Left (Lewy) i Right (Prawy). Gdy na silniki podawane jest napięcie 5V, poruszają się one do przodu. Podanie 0V powoduje ich ruch do tyłu. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Układ LM393B jest podwójnym komparatorem z wyjściami w konfiguracji otwartego kolektora, które mogą pracować przy napięciach zasilania od 3 do 36V. W tym obwodzie każda z sekcji dostarcza sygnał sterujący do jednego z dwóch silników oznaczonych jako napęd lewy i napęd prawy.

Potencjometr służy do modelowania dwóch fotokomórek CDS. Ustawienia potencjometru od 0% do 40% symulują sytuację, gdy prawa fotokomórka jest oświetlona, a lewa pozostaje w ciemności. Ustawienia potencjometru od 60% do 100% symulują sytuację, gdy w większości oświetlona jest lewa fotokomórka, a prawa pozostaje w ciemności. Ustawienia od 40% do 60% symulują oświetlenie obydwu fotokomórek. Gdy sygnał sterujący silnika ma wartość +5V, silnik obraca się w kierunku do przodu. Gdy sygnał sterujący silnika ma wartość 0V, silnik obraca się w kierunku do tyłu.

Gdy obydwie fotokomórki są oświetlone jednakowo, obydwa silniki działają w kierunku do przodu, dzięki czemu robot porusza się na wprost do przodu. Gdy potencjometr zajmuje położenie od 0% do 40%, lewy silnik działa w kierunku do przodu, a prawy silnik działa w kierunku do tyłu, przez co robot skręca w prawo. W obszarze od 60% do 100%, prawy silnik obraca się w kierunku do przodu, a lewy silnik w kierunku do tyłu, przez co robot skręca w lewo.

Poziomy referencyjne komparatora są ustawione za pomocą dzielnika napięcia na 2V (40% na potencjometrze) dla prawego kontrolera oraz 3V (60% na potencjometrze) dla lewego kontrolera.

Oscylator relaksacyjny

Dzięki zastosowaniu zarówno dodatniego, jak i ujemnego sprzężenia zwrotnego, komparator można skonfigurować do pracy w charakterze oscylatora relaksacyjnego (ilustracja 6).

Ilustracja 6: oscylator relaksacyjny powstaje poprzez dodanie kondensatora do jednego z wejść i zastosowanie doń sprzężenia zwrotnego. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Oscylatory relaksacyjne (zwane również multiwibratorami astabilnymi) z wyjściem w postaci fali prostokątnej można stworzyć na podstawie schematu ukazanego na ilustracji 6. O częstości oscylacji decyduje stała czasowa określona przez rezystor R1 i kondensator C1. Przy początkowo rozładowanym kondensatorze C1 (0V), napięcie na wejściu odwracającym jest niższe od napięcia referencyjnego na wejściu nieodwracającym. Na wyjściu wymuszane jest napięcie 5V. Kondensator C1 jest ładowany przez rezystor R1 do napięcia referencyjnego, po osiągnięciu którego napięcie wyjścia spada do 0V. Kondensator C1 jest rozładowywany przez rezystor R1, aż jego napięcie spadnie poniżej napięcia referencyjnego i cały cykl powtarza się. Napięcie referencyjne posiada (dodatnie) sprzężenie zwrotne wprowadzające histerezę. Gdy na wyjściu panuje 0V, napięcie referencyjne ma wartość 2,5V. Gdy na wyjściu panuje 5V, napięcie referencyjne zwiększa się o około 1,7V i do wartości 4,2V. Odpowiedź impulsowa na wykresie ukazuje przebiegi napięcia wyjściowego (Vo) i napięcia kondensatora (Vc).

Maksymalną częstotliwość oscylacji ogranicza opóźnienie propagacji komparatora. W tym przypadku układ TLV3201 firmy Texas Instruments o opóźnieniu propagacji 40ns został użyty do stworzenia oscylatora 10MHz. Ta częstotliwość jest zbliżona do maksymalnej dla tego komparatora.

Odzyskiwanie i przywracanie sygnału zegara

Jakość sygnałów zegarów przenoszonych przez płyty montażowe i kable ulega pogorszeniu ze względu na ograniczenia szerokości pasma, interferencje międzysymbolowe (ISI), szumy, odbicia oraz przesłuchy. Komparatory można wykorzystać do odzyskiwania sygnałów zegara i przywracania ich lepiej zdefiniowanej postaci (ilustracja 7).

Ilustracja 7: komparator z opóźnieniem propagacji 7ns i histerezą wewnętrzną służący do przywrócenia sygnału zegara 20MHz. (Źródło ilustracji: DigiKey)

W zastosowaniach tego typu opóźnienie propagacji ma znaczenie bardziej krytyczne. Maksymalna częstotliwość, jaka może śledzić komparator jest funkcją opóźnień propagacji oraz czasów przejścia wyjścia:

 Równanie 1

Gdzie: f_MAX jest maksymalną częstotliwością przełączania

t_Rise jest czasem narastania wyjścia

t_Fall jest czasem opadania wyjścia

t_{PD LH} jest opóźnieniem propagacji przy przejściu ze stanu niskiego do wysokiego

t_{PD HL} jest opóźnieniem propagacji przy przejściu ze stanu wysokiego do niskiego

Układ LMV7219M5X-NOPB firmy Texas Instruments działający z zasilaniem 5V posiada czas narastania 1,3ns, czas opadania 1,25ns oraz typowe opóźnienie propagacji 7ns w obydwu kierunkach przejścia. Pozwala to uzyskać maksymalną częstotliwość przełączania 60,4MHz. Nawet przy napięciu zasilania 2,7V, większym opóźnieniu propagacji i dłuższych czasach przejścia, maksymalna częstotliwość przełączania dla tego komparatora wynosi 35MHz, co z zapasem wystarcza dla zegarów 20MHz.

Oprócz niezwykle niskiego opóźnienia propagacji, komparatory LMV7219 zawierają komplementarny stopień wyjściowy typu rail-to-rail, zapewniający krótkie i jednorodne czasy narastania i opadania. Posiadają one również histerezę 7,5mV minimalizującą wpływ szumów.

Podsumowanie

Komparatory napięcia łączące świat cyfrowy i analogowy, stanowią wyjątkowo użyteczne narzędzie służące do określania poziomów sygnału i okienkowania na brzegu przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT), sztucznej inteligencji (AI) i uczenia maszynowego (ML), a także do wykrywania zera, odzyskiwania zegarów, bądź w charakterze oscylatorów.