En electrónica , un comparador es un dispositivo que compara dos voltajes o corrientes y emite una señal digital que indica cuál es mayor. Tiene dos terminales de entrada analógica y y una salida digital binaria . La salida es ideal
Un comparador consta de un amplificador diferencial especializado de alta ganancia . Se utilizan comúnmente en dispositivos que miden y digitalizan señales analógicas, como ADC de aproximación sucesiva , así como osciladores de relajación .
Voltaje diferencial
Los voltajes diferenciales deben permanecer dentro de los límites especificados por el fabricante. Los primeros comparadores integrados, como la familia LM111, y ciertos comparadores de alta velocidad como la familia LM119, requieren rangos de voltaje diferencial sustancialmente más bajos que los voltajes de la fuente de alimentación (± 15 V frente a 36 V). [1] Los comparadores de riel a riel permiten cualquier voltaje diferencial dentro del rango de la fuente de alimentación. Cuando se alimenta desde un suministro bipolar (doble riel),
o, cuando se alimenta desde una fuente de alimentación TTL / CMOS unipolar :
Los comparadores específicos de riel a riel con transistores de entrada pnp , como la familia LM139, permiten que el potencial de entrada caiga 0.3 voltios por debajo del riel de suministro negativo, pero no permiten que se eleve por encima del riel positivo. [2] Comparadores ultrarrápidos específicos, como el LMH7322, permiten que la señal de entrada oscile por debajo del riel negativo y por encima del riel positivo, aunque por un margen estrecho de solo 0,2 V. [3] Voltaje de entrada diferencial (el voltaje entre dos entradas ) de un comparador de riel a riel moderno generalmente está limitado solo por la oscilación completa de la fuente de alimentación.
Comparador de voltaje de amplificador operacional
Un amplificador operacional ( amplificador operacional) tiene una entrada de diferencia bien balanceada y una ganancia muy alta . Esto es paralelo a las características de los comparadores y puede sustituirse en aplicaciones con requisitos de bajo rendimiento. [4]
Un circuito comparador compara dos voltajes y emite un 1 (el voltaje en el lado positivo) o un 0 (el voltaje en el lado negativo) para indicar cuál es mayor. Los comparadores se utilizan a menudo, por ejemplo, para comprobar si una entrada ha alcanzado algún valor predeterminado. En la mayoría de los casos, un comparador se implementa utilizando un IC comparador dedicado, pero se pueden usar amplificadores operacionales como alternativa. Los diagramas de comparación y los diagramas de amplificador operacional utilizan los mismos símbolos.
La figura 1 anterior muestra un circuito comparador. Tenga en cuenta primero que el circuito no utiliza retroalimentación. El circuito amplifica la diferencia de voltaje entre Vin y VREF y genera el resultado en Vout. Si Vin es mayor que VREF, entonces el voltaje en Vout aumentará a su nivel de saturación positivo; es decir, al voltaje en el lado positivo. Si Vin es menor que VREF, entonces Vout caerá a su nivel de saturación negativo, igual al voltaje en el lado negativo.
En la práctica, este circuito se puede mejorar incorporando un rango de voltaje de histéresis para reducir su sensibilidad al ruido. El circuito que se muestra en la Figura 1, por ejemplo, proporcionará un funcionamiento estable incluso cuando la señal Vin sea algo ruidosa.
Esto se debe a la diferencia en las características de un amplificador operacional y un comparador, el uso de un amplificador operacional como comparador presenta varias desventajas en comparación con el uso de un comparador dedicado. [5]
- Los amplificadores operacionales están diseñados para operar en modo lineal con retroalimentación negativa. Por lo tanto, un amplificador operacional generalmente tiene un tiempo de recuperación prolongado de la saturación. Casi todos los amplificadores operacionales tienen un condensador de compensación interno que impone limitaciones de velocidad de respuesta para señales de alta frecuencia. En consecuencia, un amplificador operacional hace un comparador descuidado con retrasos de propagación que pueden ser tan largos como decenas de microsegundos.
- Dado que los amplificadores operacionales no tienen histéresis interna, siempre es necesaria una red de histéresis externa para señales de entrada de movimiento lento.
- La especificación de corriente de reposo de un amplificador operacional es válida solo cuando la retroalimentación está activa. Algunos amplificadores operacionales muestran una mayor corriente de reposo cuando las entradas no son iguales.
- Un comparador está diseñado para producir voltajes de salida bien limitados que interactúan fácilmente con la lógica digital. La compatibilidad con la lógica digital debe verificarse mientras se usa un amplificador operacional como comparador.
- Algunos amplificadores operacionales de sección múltiple pueden exhibir una interacción extrema de canal a canal cuando se usan como comparadores.
- Muchos amplificadores operacionales tienen diodos espalda con espalda entre sus entradas. Las entradas del amplificador operacional generalmente se siguen entre sí, por lo que está bien. Pero las entradas del comparador no suelen ser las mismas. Los diodos pueden provocar una corriente inesperada a través de las entradas.
Trabajando
Un comparador de voltaje dedicado generalmente será más rápido que un amplificador operacional de propósito general usado como comparador, y también puede contener características adicionales como un voltaje de referencia interno preciso, histéresis ajustable y una entrada con compuerta de reloj.
Un chip comparador de voltaje dedicado, como el LM339, está diseñado para interactuar con una interfaz lógica digital (a un TTL o CMOS ). La salida es un estado binario que se utiliza a menudo para interconectar señales del mundo real con circuitos digitales (ver convertidor analógico-digital ). Si hay una fuente de voltaje fijo de, por ejemplo, un dispositivo ajustable de CC en la ruta de la señal, un comparador es solo el equivalente a una cascada de amplificadores. Cuando los voltajes son casi iguales, el voltaje de salida no caerá en uno de los niveles lógicos, por lo que las señales analógicas ingresarán al dominio digital con resultados impredecibles. Para hacer este rango lo más pequeño posible, la cascada del amplificador es de alta ganancia. El circuito consta principalmente de transistores bipolares . Para frecuencias muy altas, la impedancia de entrada de las etapas es baja. Esto reduce la saturación de los transistores bipolares de unión PN grandes y lentos que de otro modo conducirían a tiempos de recuperación prolongados. Los diodos Schottky pequeños y rápidos , como los que se encuentran en los diseños de lógica binaria, mejoran el rendimiento de manera significativa, aunque el rendimiento aún está por detrás del de los circuitos con amplificadores que utilizan señales analógicas. La velocidad de respuesta no tiene ningún significado para estos dispositivos. Para aplicaciones en ADC flash, la señal distribuida a través de ocho puertos coincide con la ganancia de voltaje y corriente después de cada amplificador, y las resistencias se comportan como cambiadores de nivel.
El LM339 logra esto con una salida de colector abierto . Cuando la entrada inversora tiene un voltaje más alto que la entrada no inversora, la salida del comparador se conecta a la fuente de alimentación negativa. Cuando la entrada no inversora es más alta que la entrada inversora, la salida es 'flotante' (tiene una impedancia a tierra muy alta). La ganancia del amplificador operacional como comparador viene dada por esta ecuación V (out) = V (in)
Especificaciones clave
Si bien es fácil comprender la tarea básica de un comparador, es decir, comparar dos voltajes o corrientes, se deben considerar varios parámetros al seleccionar un comparador adecuado:
Velocidad y potencia
Si bien, en general, los comparadores son "rápidos", sus circuitos no son inmunes al clásico compromiso velocidad-potencia. Los comparadores de alta velocidad utilizan transistores con relaciones de aspecto más grandes y, por lo tanto, también consumen más energía. [6] Dependiendo de la aplicación, seleccione un comparador con alta velocidad o uno que ahorre energía. Por ejemplo, los comparadores nanoalimentados en paquetes a escala de chip que ahorran espacio (UCSP), paquetes DFN o SC70 como MAX9027 , LTC1540 , LPV7215 , MAX9060 y MCP6541 son ideales para aplicaciones portátiles de ultra baja potencia. Del mismo modo, si se necesita un comparador para implementar un circuito oscilador de relajación para crear una señal de reloj de alta velocidad, entonces pueden ser adecuados comparadores que tengan pocos nanosegundos de retardo de propagación. ADCMP572 (salida CML), LMH7220 (salida LVDS), MAX999 (salida CMOS / salida TTL), LT1719 (salida CMOS / salida TTL), MAX9010 (salida TTL) y MAX9601 (salida PECL) son ejemplos de buenos comparadores de alta velocidad .
Histéresis
Un comparador normalmente cambia su estado de salida cuando el voltaje entre sus entradas atraviesa aproximadamente cero voltios. Pequeñas fluctuaciones de voltaje debido al ruido, siempre presentes en las entradas, pueden causar cambios rápidos no deseados entre los dos estados de salida cuando la diferencia de voltaje de entrada es cercana a cero voltios. Para evitar esta oscilación de salida, se integra una pequeña histéresis de unos pocos milivoltios en muchos comparadores modernos. [7] Por ejemplo, los modelos LTC6702 , MAX9021 y MAX9031 tienen histéresis interna que los desensibiliza del ruido de entrada. En lugar de un punto de conmutación, la histéresis introduce dos: uno para voltajes crecientes y otro para voltajes decrecientes. La diferencia entre el valor de disparo de nivel superior (VTRIP +) y el valor de disparo de nivel inferior (VTRIP-) es igual al voltaje de histéresis (VHYST).
Si el comparador no tiene histéresis interna o si el ruido de entrada es mayor que la histéresis interna, entonces se puede construir una red de histéresis externa usando retroalimentación positiva desde la salida a la entrada no inversora del comparador. El circuito de disparo Schmitt resultante proporciona inmunidad al ruido adicional y una señal de salida más limpia. Algunos comparadores como LMP7300 , LTC1540 , MAX931 , MAX971 y ADCMP341 también proporcionan el control de histéresis a través de un pin de histéresis separado. Estos comparadores permiten agregar una histéresis programable sin retroalimentación ni ecuaciones complicadas. El uso de un pin de histéresis dedicado también es conveniente si la impedancia de la fuente es alta, ya que las entradas están aisladas de la red de histéresis. [8] Cuando se agrega histéresis, un comparador no puede resolver señales dentro de la banda de histéresis.
Tipo de salida
Debido a que los comparadores tienen solo dos estados de salida, sus salidas están cerca de cero o cerca de la tensión de alimentación. Los comparadores bipolares de riel a riel tienen una salida de emisor común que produce una pequeña caída de voltaje entre la salida y cada riel. Esa caída es igual al voltaje de colector a emisor de un transistor saturado. Cuando las corrientes de salida son ligeras, los voltajes de salida de los comparadores riel a riel CMOS, que dependen de un MOSFET saturado, oscilan más cerca de los voltajes del riel que sus contrapartes bipolares. [9]
Sobre la base de los resultados, los comparadores también se pueden clasificar como drenaje abierto o push-pull . Los comparadores con una etapa de salida de drenaje abierto utilizan una resistencia pull up externa a un suministro positivo que define el nivel lógico alto. Los comparadores de drenaje abierto son más adecuados para el diseño de sistemas de voltaje mixto. Dado que la salida es de alta impedancia para un nivel lógico alto, los comparadores de drenaje abierto también se pueden usar para conectar varios comparadores a un solo bus. La salida push-pull no necesita una resistencia pull up y también puede generar corriente, a diferencia de una salida de drenaje abierto.
Referencia interna
La aplicación más frecuente de los comparadores es la comparación entre una tensión y una referencia estable. La mayoría de los fabricantes de comparadores también ofrecen comparadores en los que se integra un voltaje de referencia en el chip. La combinación de la referencia y el comparador en un chip no solo ahorra espacio, sino que también consume menos corriente de suministro que un comparador con una referencia externa. [9] Hay disponibles circuitos integrados con una amplia gama de referencias, como MAX9062 (referencia de 200 mV), LT6700 (referencia de 400 mV), ADCMP350 (referencia de 600 mV), MAX9025 (referencia de 1.236 V), MAX9040 (referencia de 2.048 V), TLV3012 ( 1,24 V de referencia) y TSM109 (2,5 V de referencia).
Continuo versus cronometrado
Un comparador continuo generará un "1" o un "0" cada vez que se aplique una señal alta o baja a su entrada y cambiará rápidamente cuando se actualicen las entradas. Sin embargo, muchas aplicaciones solo requieren salidas de comparación en ciertos casos, como en convertidores A / D y memoria. Con solo aplicar un estroboscópico a un comparador a ciertos intervalos, se puede lograr una mayor precisión y menor potencia con una estructura de comparador sincronizado (o dinámico), también llamado comparador bloqueado. A menudo, los comparadores enclavados emplean una fuerte retroalimentación positiva para una "fase de regeneración" cuando el reloj está alto, y tienen una "fase de reinicio" cuando el reloj está bajo. [10] Esto contrasta con un comparador continuo, que solo puede emplear una retroalimentación positiva débil ya que no hay un período de reinicio.
Aplicaciones
Detectores nulos
Un detector nulo identifica cuando un valor dado es cero. Los comparadores son ideales para mediciones de comparación de detección nula, ya que son equivalentes a un amplificador de ganancia muy alta con entradas bien balanceadas y límites de salida controlados. El circuito detector nulo compara dos voltajes de entrada: un voltaje desconocido y un voltaje de referencia, generalmente denominado v u y v r . El voltaje de referencia generalmente está en la entrada no inversora (+), mientras que el voltaje desconocido generalmente está en la entrada inversora (-). (Un diagrama de circuito mostraría las entradas de acuerdo con su signo con respecto a la salida cuando una entrada en particular es mayor que la otra). A menos que las entradas sean casi iguales (ver más abajo), la salida es positiva o negativa, por ejemplo ± 12 V. En el caso de un detector nulo, el objetivo es detectar cuando los voltajes de entrada son casi iguales, lo que da el valor del voltaje desconocido ya que se conoce el voltaje de referencia.
Cuando se utiliza un comparador como detector nulo, la precisión es limitada; se da una salida de cero siempre que la magnitud de la diferencia de voltaje multiplicada por la ganancia del amplificador esté dentro de los límites de voltaje. Por ejemplo, si la ganancia es 10 6 y los límites de voltaje son ± 6 V, se dará una salida de cero si la diferencia de voltaje es inferior a 6 μV. Uno podría referirse a esto como una incertidumbre fundamental en la medición. [11]
Detectores de cruce por cero
Para este tipo de detector, un comparador detecta cada vez que un pulso de CA cambia de polaridad. La salida del comparador cambia de estado cada vez que el pulso cambia su polaridad, es decir, la salida es HI (alta) para un pulso positivo y LO (baja) para un pulso negativo cuadra la señal de entrada. [12]
Oscilador de relajación
Se puede utilizar un comparador para construir un oscilador de relajación . Utiliza comentarios tanto positivos como negativos. La retroalimentación positiva es una configuración de disparador Schmitt . Solo, el disparador es un multivibrador biestable . Sin embargo, la retroalimentación negativa lenta agregada al disparador por el circuito RC hace que el circuito oscile automáticamente. Es decir, la adición del circuito RC convierte al multivibrador biestable histerético en un multivibrador astable . [13]
Cambiador de nivel
Este circuito requiere un solo comparador con una salida de drenaje abierto como en el LM393 , TLV3011 o MAX9028 . El circuito proporciona una gran flexibilidad para elegir los voltajes que se traducirán mediante el uso de un voltaje de elevación adecuado. También permite la traducción de lógica bipolar de ± 5 V a lógica unipolar de 3 V mediante el uso de un comparador como el MAX972 . [9]
Convertidores de analógico a digital
Cuando un comparador realiza la función de decir si un voltaje de entrada está por encima o por debajo de un umbral dado, esencialmente está realizando una cuantificación de 1 bit . Esta función se utiliza en casi todos los convertidores de analógico a digital (como flash , pipeline, aproximación sucesiva , modulación delta-sigma , plegado, interpolación, doble pendiente y otros) en combinación con otros dispositivos para lograr una cuantificación de múltiples bits. [14]
Detectores de ventana
Los comparadores también se pueden utilizar como detectores de ventana. En un detector de ventana , se usa un comparador para comparar dos voltajes y determinar si un voltaje de entrada dado está bajo voltaje o sobre voltaje.
Detectores de valor absoluto
Los comparadores se pueden utilizar para crear detectores de valor absoluto. En un detector de valor absoluto, se utilizan dos comparadores y una puerta lógica digital para comparar los valores absolutos de dos voltajes. [15]
Ver también
- Discriminador de fracción constante
- Comparador digital
- Flash ADC
- Lista de circuitos integrados de la serie LM
- Red de clasificación
- Detector de umbral de cruce por cero
Referencias
- ^ Hoja de datos de LM111 / LM211 / LM311 . Instrumentos Texas. Agosto de 2003. Consultado el 2 de julio de 2014.
- ^ Hoja de datos de LM139 / LM239 / LM339 / LM2901 / LM3302 . Instrumentos Texas. Agosto de 2012. Consultado el 2 de julio de 2014.
- ^ Hoja de datos de LMH7322 . Instrumentos Texas. Marzo de 2013. Consultado el 2 de julio de 2014.
- ^ Malmstadt, Enke y Crouch, Electrónica e instrumentación para científicos, The Benjamin / Cummings Publishing Company, Inc., 1981, ISBN 0-8053-6917-1 , Capítulo 5.
- ^ Ron Mancini, " Diseñar con comparadores ", EDN, 29 de marzo de 2001.
- ^ Rogenmoser, R .; Kaeslin, H, "El impacto del tamaño del transistor en la eficiencia energética en circuitos CMOS submicrónicos", Circuitos de estado sólido, IEEE Journal of Volume 32, Número 7, julio de 1997 Página (s): 1142-1145.
- ^ Ron Mancini, " Adición de histéresis a comparadores Archivado el 21 de febrero de 2005en la Wayback Machine ", EDN, 3 de mayo de 2001.
- ^ AN3616, Maxim Integrated Products, agregando histéresis adicional a los comparadores .
- ^ a b c AN886, Maxim Integrated Products, selección del comparador adecuado .
- ^ Pedro M. Figueiredo, João C. Vital (2009). Técnicas de reducción de compensación en convertidores de analógico a digital de alta velocidad: análisis, diseño y compensaciones . Saltador. págs. 54–62. ISBN 978-1-4020-9715-7.
- ^ Malmstadt, Howard V .; Enke, Christie G .; Crouch, Stanley R. (enero de 1981), Electrónica e instrumentación para científicos , The Benjamin / Cummings Publishing Co, págs. 108–110 , ISBN 978-0-8053-6917-5
- ^ Electrónica e instrumentación para científicos. Malmstadt, Enke y Crouch, The Benjamin / Cummings Publishing Co., In., 1981, p.230.
- ^ Paul Horowitz y Winfield Hill: El arte de la electrónica , Cambridge University Press, segunda edición, Cambridge 1989, pp.284-285.
- ^ Phillip Allen y Douglas Holberg: Diseño de circuitos analógicos CMOS , Oxford University Press, segunda edición, Oxford 2002.
- ^ "Iranmanesh, S., Rodriguez-Villegas, E. (2016). Implementación CMOS de un circuito comparador de valor absoluto de baja potencia. IEEE NEWCAS, junio de 2016". doi : 10.1109 / NEWCAS.2016.7604807 . S2CID 10810576 . Cite journal requiere
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( ayuda )
- Este artículo incorpora material de dominio público del documento de la Administración de Servicios Generales : "Norma Federal 1037C" .
enlaces externos
- Página de referencia de IC Comparator en http://circuitous.ca
- Una herramienta de búsqueda de valor de resistencia basada en Java para analizar un circuito comparador inversor con histéresis