Az analóg feszültségkomparátorok legfontosabb jellemzői és használatuk módja: a szintérzékeléstől az oszcillátorokig

Mivel a tervezők egyre több peremhálózati adatot kívánnak gyűjteni a tárgyak internete (IoT), az ipari IoT (IIoT), a mesterséges intelligencia (AI) és a gépi tanulás (ML) számára, egyszerű módszerre van szükségük annak kimutatására, hogy a mért érték, legyen az feszültség, áram, hőmérséklet vagy nyomás egy küszöbérték felett vagy alatt van. Annak ismerete is gyakran szükséges, hogy a mért mennyiség az értéktartományon belülre vagy kívülre esik. Ennek meghatározása zaj és zavaró jelek jelenlétében gyakran nem egyszerű, de a megfelelően megválasztott és alkalmazott feszültségkomparátorok segíthetnek.

A feszültségkomparátor olyan elektronikus eszköz, amely összehasonlítja a bemeneti feszültséget egy ismert referenciafeszültséggel és megváltoztatja kimenetének állapotát attól függően, hogy a bemenő feszültség a referencia fölött vagy alatt volt-e. Ez a képesség kielégíti a küszöbérték-átlépések, nullátmenetek és adott amplitúdó-tartományon belüli vagy kívüli jelamplitúdók észlelésének igényét.

Ez a cikk ismerteti a feszültségkomparátorok használatát, jellemzőiket és kiválasztásuk legfontosabb kritériumait. A Texas Instruments eszközeit példaként felhasználva tárgyaljuk a feszültségkomparátorok használatát küszöbérték- és nullátmenet-detektorokhoz, valamint az órajel-helyreállítási és relaxációs oszcillátor alkalmazásokat.

Mi az a feszültségkomparátor?

A feszültségkomparátor olyan elektronikus eszköz, amelynek kimenete olyan logikai állapot, amely jelzi, hogy két bemenete közül melyik van nagyobb feszültségen a másiknál (1. ábra).

1. ábra: A TINA-TI szimulációban bemutatott komparátor alapműködése a nem invertáló bemenetére szinuszhullámot kapcsolva, miközben az invertáló bemenet referenciafeszültsége nulla volt (föld). (Kép: DigiKey)

A komparátor egy Texas Instruments TLV3201AQDCKRQ1 egyedüli komparátor ellenütemű kimenettel. Mint minden komparátor, ez is két bemenettel rendelkezik. Egy mínusz jellel (-) ellátott invertáló és egy plusz jellel (+) ellátott nem invertáló bemenettel. A komparátor bemenetei igen hasonlóak egy műveleti erősítő bemeneteihez. A fő különbség az, hogy a komparátor kimenő jele analóg feszültség helyett egy digitális logikai állapot. Az 1. ábrán a bemenő jel egy 1 MHz-es szinuszjel 200 mV csúcstól-csúcsig amplitúdóval. Ha a nem invertáló bemenet feszültsége nagyobb, mint az invertáló bemenet feszültsége, akkor a kimenet magas szintű lesz, ami ebben az esetben 2,5 V. Ha a nem invertáló bemenet feszültsége kisebb, mint az invertáló bemenet feszültsége, akkor a kimenet alacsony szintű lesz, ami ebben az esetben -2,5 V. Ez a komparátor teljes feszültségtartományú (rail-to-rail) kimenettel rendelkezik, vagyis a kimenet logikai állapotainak feszültségei a tápfeszültségekig terjednek. Ebben a példában 2,5 V nagyságú szimmetrikus pozitív és negatív tápfeszültségek használatosak és jelennek meg a kimeneti feszültségváltozásban.

A komparátor egyik lehetséges értelmezése az, hogy tulajdonképpen egy egybites analóg-digitális átalakítóként (ADC-ként) viselkedik. Ha úgy konfigurálják, hogy nullátmenetnél váltson állapotot, akkor a kimenete szükségképpen egy előjelbit lesz.

Ez a komparátor 40 ns válaszidővel rendelkezik, amit terjedési sebességként vagy késleltetésként definiálnak. Ez a bemeneti küszöbérték-átlépéstől a kimenet állapotváltásáig eltelt idő. A terjedési sebesség befolyásolja, hogy a komparátor milyen gyors állapotváltásra képes, vagyis lényegében sávszélességre vonatkozó jellemző. A TLV3201 egy beépített 1,2 mV-os feszültséghiszterézissel is rendelkezik a jelbemenet zajának ellensúlyozására.

Hiszterézis és zaj

Ha zaj vagy hamis jelek vannak a komparátor bemenetén, akkor a küszöbérték átlépésére többször is sor kerülhet, és a kimenet ezeket az átlépéseket követve többször is kapcsolhat (2. ábra).

2. ábra: Ha a jelbemeneten zaj van, a komparátor kimenete többször átkapcsolhat, mivel a zaj a bemenetet a küszöbérték fölé és alá hajtja. (Kép: DigiKey)

A kimenet ilyen nem kívánt kapcsolásaira megoldást jelent, ha amplitúdóhiszterézist adunk a komparátor áramkörhöz. A hiszterézis hatására a komparátor kimenete megtartja állapotát a küszöbérték átlépése után, amíg a bemenőjel amplitúdója egy rögzített értékkel nem változik. Ez a kimenetnek a bemenetre való pozitív visszacsatolásával valósul meg, ami kis mértékben megemeli a küszöbértéket (3. ábra).

3. ábra: A pozitív visszacsatolás hiszterézist hoz létre a referenciabemeneten a küszöbérték rögzített mértékű megemeléséhez. Ilyen módon a bemenőjel kis amplitúdóváltozásai nem tudják átkapcsolni a kimenetet. (Kép: DigiKey)

Az R3 ellenállás csatolja vissza a kimenetet a referenciabemenetre, az R1, R2 és R3 ellenállások értékei által meghatározott mértékben eltolva a referenciaszintet. A megadott ellenállásértékek esetén ez 400 mV hiszterézist eredményez, úgy módosítva a küszöbértéket, hogy a kimeneti állapot addig nem változik, amíg a bemenőjel nem haladja meg a hiszterézis amplitúdóját. Az eredmény az, hogy a kimeneten egyetlen átmenet jelenik meg a küszöbérték átlépésekor.

Néhány megjegyzés a használt áramkörről az 1. ábra áramkörével összehasonlítva. Először is az invertáló és nem invertáló bemenetek fel vannak cserélve, megfordítva ezáltal a kimeneti logikát. A kimenet logikai szintje akkor magas, ha a bemenőjel a küszöbérték alatt van. Az ilyen áramkörök rendeltetése annak érzékelése, hogy egy érték az értéktartományon belülre vagy kívülre esik-e. A TLV3201 egyetlen 5 V-os tápfeszültséggel működik, nem pedig a kettős 2,5 V-os tápfeszültséggel, mint az 1. ábrán. Emiatt a 2,5 V referenciafeszültséget, a bemenet közös módusú feszültségét az R1 és R2 feszültségosztó szolgáltatja. A bemenőjel előfeszültsége ugyancsak ehhez a közös módusú feszültséghez igazodik. A háromszöghullám 2 V-os csúcstól-csúcsig amplitúdója 2,5 V-os előfeszítési szinten ül. Ez az áramköri elrendezés egy gyakran használt alternatíva.

Tartományon (ablakon) belüli vagy kívüli érték érzékelése

Egy egyedüli feszültségkomparátor azt képes érzékelni, hogy egy bemenő feszültség egy referencia küszöbérték felett vagy alatt van-e. Annak meghatározásához, hogy egy bemenő feszültség két határérték között van-e (ablakolásnak is nevezik), két komparátor szükséges, mindegyik határértékhez egy (4. ábra).

4. ábra: Az ablakkomparátor áramkör kettős feszültségkomparátort használ annak eldöntésére, hogy a bemenő feszültség a két, V_L és V_H feszültség között van-e. (Kép: Texas Instruments)

A bemutatott ablakkomparátor áramkör a Texas Instruments TLV6710DDCR kettős feszültségkomparátort használja. A TLV6710 két nagy pontosságú, nagyfeszültségű alkalmazásokhoz való komparátort tartalmaz. A tápfeszültség értéke 1,8 és 36 V között lehet. Tartalmaz egy 400 mV-os belső DC referenciaforrást is. A komparátor kimenetei nyitott drain kialakításúak, egy közös felhúzó ellenállás segítségével egymással összekötve logikailag „VAGY-olhatók”. A komparátorok bekötése olyan, hogy a referenciafeszültség az egyikük invertáló bemenetére (A komparátor) és a másikuk nem invertáló bemenetére (B komparátor) csatlakozik. A bemenő feszültség az R1, R2 és R3 ellenállásokból álló feszültségosztóra kerül, amely az alsó határnak 3,3 V-os, a felső határnak pedig 4,1 V-os küszöbfeszültséget állít be. A komparátor kimenete magas szintű (3,3 V), ha a V_MON bemenő feszültség az ablakon belül van. Az A komparátor jelzi azt, ha a bemenő feszültség 4,1 V alatt, a B komparátor pedig azt, ha 3,3 V felett van. Vegye figyelembe, hogy a TLV6710 mindkét komparátora 5,5 mV belső feszültséghiszterézissel rendelkezik a zaj és a kis letörések elnyomásának segítésére.

A komparátor terjedési késleltetése tipikusan 9,9 µs magas-alacsony átmenet és 28,1 µs alacsony-magas átmenet esetén. A különbség a nyitott drain-es kimeneti konfigurációból adódik. A magas-alacsony átmenet aktív lehúzást jelent a FET-es kimeneten, míg az alacsony-magas átmenet passzív felhúzás egy ellenálláson keresztül, amely több időt vesz igénybe. Ez a komparátor olyan feszültségfigyelő alkalmazásokhoz készült, amelyek nem igényelnek igen alacsony terjedési késleltetést.

Ablakolási alkalmazás

Az ablakolás a robotikában használatos a robot mozgási irányának fény és két CDS fotocella segítségével történő vezérlésére. Például a kadmium-szulfid (CDS) fotocellák a megvilágításra válaszként megváltoztatják ellenállásukat, amely sötétben nagy, megvilágítva sokkal kisebb. Egy TINA-TI ezt az elvet mutatja be egy Texas Instruments LM393BIPWR kettős komparátor használatával (5. ábra).

5. ábra: Robot mozgását vezérlő szimulátor áramkör kettő (bal és jobb) vezérlőmotor használatával. A motorokra 5 V-ot kapcsolva azok előre irányba mozognak, 0 V-ot kapcsolva visszafelé. (Kép: DigiKey)

Az LM393B egy nyitott kollektoros kimenetekkel rendelkező kettős komparátor, amely 3 és 36 V közötti tápfeszültségről működik. Ebben az áramkörben annak mindegyik része ad motorvezérlő jelet a bal vagy jobb hajtásként megjelölt két motor mindegyikének.

A két CDS fotocellát egy potenciométer modellezi. A potenciométer 0% és 40% közötti beállítása a jobb oldali fotocella megvilágított és a bal oldali fotocella nem megvilágított állapotának felel meg. A 60% és 100% közötti beállítás azt jelenti, hogy a fény elsődlegesen a bal oldali fotocellára esik, míg a jobb oldali fotocella sötétben van. 40% és 60% között mindkét fotocella meg van világítva. Ha a motorvezérlő jel mindkét motorra +5 V, akkor a motor előre forog. Ha a motorvezérlő jel 0 V, akkor a motor visszafelé forog.

Ha mindkét fotocella egyformán van megvilágítva, akkor mindkét motor előre forog, egyenesen előre mozgatva a robotot. Ha a potenciométer 0% és 40% között van, akkor a bal oldali motor előre, a jobb oldali motor visszafelé forog, a robot jobbra mozog. A 60% és 100% közötti tartományban a jobb oldali motor előre forog, a bal oldali visszafelé, a robot pedig balra fordul.

A komparátor referenciaszintjeit egy feszültségosztó határozza meg és a jobb vezérlőre nézve 2 V-ra (40% a potenciométeren), a bal vezérlőre vonatkozóan 3 V-ra (60% a potenciométeren) vannak beállítva.

Relaxációs oszcillátor

Pozitív és negatív visszacsatolást is alkalmazva a komparátor relaxációs oszcillátorként konfigurálható (6. ábra).

6. ábra: Az egyik bemenethez kondenzátort csatlakoztatva és a kondenzátorhoz visszacsatolást alkalmazva relaxációs oszcillátor jön létre. (Kép: DigiKey)

A 6. ábrán látható áramkör használatával négyszögjel kimenetű relaxációs oszcillátor (más néven astabil multivibrátor) hozható létre. A rezgés frekvenciáját az R1 ellenállás és a C1 kondenzátor időállandója határozza meg. A C1 kezdeti kisütött (0 V) állapotában az invertáló bemenet bemenő feszültsége a nem invertáló bemeneten levő referenciafeszültség alatt van. A kimenet 5 V-ra kényszerül. A C1 az R1-en keresztül referenciafeszültségre töltődik, miközben a kimenet 0-ra esik. C1 az R1-en keresztül kisül, amíg feszültsége a referenciafeszültség alá esik és a ciklus megismétlődik. A referenciafeszültség hiszterézissel, (pozitív) visszacsatolással rendelkezik. Ha a kimenet 0 V, akkor a referenciafeszültség 2,5 V. Ha a kimenet 5 V, akkor a referenciafeszültség 1,7 V-tal megnőve 4,2 V-ra emelkedik. Az ábrán látható tranziens válasz a kimenet (Vo) és a kondenzátor (Vc) feszültségének lefutását is mutatja.

A maximális rezgési frekvencia a komparátor terjedési késleltetésétől függ. Ebben az esetben a Texas Instruments 40 ns terjedési késleltetésű TLV3201 komparátora alkot egy 10 MHz-es oszcillátort. Ez a frekvencia megközelíti az ezzel a komparátorral előállítható maximumot.

Órajel helyreállítása és visszaállítása

A hátlapi csatlakozókon és kábeleken keresztül továbbított órajelek minősége romlik a sávszélesség okozta korlátozások, a szimbólumközi interferencia (ISI), a zaj, a reflexiók és az áthallás miatt. A komparátorok órajelek helyreállítására és világosabban meghatározott módon történő visszaállítására használhatók (7. ábra).

7. ábra: 20 MHz-es órajel visszaállítására szolgáló, belső hiszterézissel rendelkező, 7 ns terjedési késleltetésű komparátor. (Kép: DigiKey)

Az ilyen típusú alkalmazásokban a terjedési késleltetés nagyobb jelentőségű. A komparátor által átvinni képes legnagyobb frekvencia a terjedési késleltetés és a kimenetek átviteli idejének függvénye.

 1. egyenlet

Ahol: f_MAX a maximális átváltási frekvencia

t_Rise a kimenet felfutási ideje

t_Fall a kimenet lefutási ideje

t_{PD LH} A terjedési késleltetés alacsonyról magas szintre

t_{PD HL} A terjedési késleltetés magasról alacsony szintre

A Texas Instruments LMV7219M5X-NOPB áramköre 5 V tápfeszültséggel működik, 1,3 ns felfutási és 1,25 ns lefutási idővel rendelkezik, terjedési késleltetése tipikusan 7 ns mindkét átváltási irányban. Ez 60,4 MHz maximális átváltási frekvenciát eredményez. Ennek a komparátornak a maximális átváltási frekvenciája még 2,7 V tápfeszültség, illetve hosszabb terjedési késleltetés és átviteli idők mellett is körülbelül 35 MHz, ami ehhez a 20 MHz-es órajelhez több mint elfogadható.

A figyelemre méltó módon alacsony terjedési késleltetés mellett az LMV7219 teljes tápfeszültség-tartományú (rail-to-rail) ellenütemű kimeneti fokozattal is rendelkezik, ami gyors és egységes felfutási és lefutási időket biztosít. A zajhatások minimalizálására egy 7,5 mV-os belső hiszterézis is megtalálható benne.

Összegzés

Az analóg és digitális világokat összekapcsoló feszültségkomparátor egy különösen hasznos eszköz, legyen szó jelszintekről és ablakolásról az IIoT, AI, vagy ML területén, illetve nullátmenet észleléséről, órajel visszaállításáról vagy oszcillátorról.