Analogisten jännitekomparaattorien perusteet ja miten käyttää niitä: tason tunnistuksesta oskillaattoreihin

Suunnittelijat pyrkivät keräämään reunalta enemmän dataa Esineiden Internetiä (IoT), Teollista Esineiden Internetiä (IIoT), tekoäly- (AI) ja koneoppimissovelluksia (ML) varten ja suunnittelijat tarvitsevat yksinkertaisen tavan tunnistaa milloin mitattu arvo, olipa se jännite, sähkövirta, lämpötila tai paine, on tietyn raja ylä- tai alapuolella. Samoin on usein tarpeellista tietää että mitattava arvo on tietyn alueen sisä- tai ulkopuolella. Tämän päättelyn tekeminen on usein vaikeaa reunalla, missä on kohinaa ja häiritseviä signaaleja. Asianmukaisesti valitut ja käytetyt jännitekomparaattorit voivat auttaa tässä.

Jännitekomparaattori on elektroninen laite, joka vertaa tulojännitettä tunnettuun referenssijännitteeseen ja muuttaa lähdön tilaa riippuen siitä onko tulo referenssin ylä- vai alapuolella. Tämä kyky vastaa tarpeeseen tunnistaa raja-arvon ylitys, nollatila sekä se onko signaalin amplitudi halutun alueen sisä- vai ulkopuolella.

Tässä artikkelissa kuvataan jännitekomparaattorien käyttöä, niiden ominaisuuksia ja avainkriteereitä niiden valinnalle. Esimerkkeinä käytetään Texas Instrumentsin laitteita ja artikkelissa käsitellään jännitekomparaattorien käyttöä raja-arvon ja nollan ylityksen tunnistamiseen, samoin kellon palautus- ja relaksaatio-oskillaattorin sovelluksia.

Mikä jännitekomparaattori on?

Jännitekomparaattori on elektroninen laite, jonka lähtö on looginen tila. Tämä ilmaisee kumpi sen kahdesta tuosta on jännitteeltään toista suurempi (kuva 1).

Kuva 1: Komparaattorin perustoiminta esitettynä TINA-TI-simulaatiossa ohjaamalla komparaattorin ei-invertoivaan tuloon siniaalto ja invertoivaan tuloon nolla volttia (maa). (Kuvan lähde: DigiKey)

Komparaattori on Texas Instrumentsin TLV3201AQDCKRQ1, yksi komparaattori push-pull-lähdöillä. Kuten kaikissa komparaattoreissa, siinä on kaksi tuloa. Invertoiva tulo on merkitty miinusmerkillä (-) ja ei-invertoiva plusmerkillä (+). Komparaattorin tulot pitkälti samanlaiset kuin operaatiovahvistimen tulot. Pääero on se, että komparaattorin lähtö on digitaalinen logiikkatila eikä analoginen jännite. Kuvassa 1 tulo on 1 megahertsin (MHz) siniaalto, jonka huippuamplitudi on 200 millivolttia (mV). Kun ei-invertoivan tulon jännite on korkeampi kuin invertoivan tulon, lähtö on ylhäällä, tässä tapauksessa 2,5 volttia. Kun ei-invertoivan tulon jännite on alempi kuin invertoivan tulon, lähtö on alhaalla, tässä tapauksessa -2,5 volttia. Tämän komparaattorin lähdöt ovat kiskosta kiskoon, joten lähdön logiikkatilat käyttävät virtalähteen tasoja. Tässä esimerkissä käytetään symmetristä positiivista ja negatiivista 2,5 voltin käyttöjännitettä ja ne heijastuvat lähdön jännitevaihteluun.

Komparaattoria voidaan ajatella yhden bitin analogia-digitaalimuuntimena (ADC). Jos se on konfiguroitu muuttamaan tilaa jännitteen ylittäessä nollan, sen lähtö on itse asiassa merkkibitti.

Tämän komparaattorin vasteaika on 40 nanosekuntia (ns), mikä ilmoitetaan propagointinopeutena tai viiveenä. Tämä on aika siitä kun tulo ylittää raja-arvon siihen että lähdön tila muuttuu. Propagointinopeus vaikuttaa siihen miten nopeasti komparaattori voi muuttaa tilaa ja toimii itseasiassa kaistanleveyteen liittyvänä tekijänä. TLV3201-piirin sisäänrakennettu jännitehystereesi on 1,2 mV, millä ehkäistään kohinan vaikutusta tulosignaalissa.

Hystereesi ja kohina

Jos komparaattorin tuloissa on kohinaa tai häiriösignaaleja, raja-arvo saattaa ylittyä useita kertoja ja lähtö saattaa seurata raja-arvon ylityksiä ja vaihtaa tilaa useita kertoja (kuva 2).

Kuva 2: Tulosignaalin kohina saattaa aiheuttaa sen, että komparaattorin lähtö vaihtaa tilaa useita kertoja, koska kohina ohjaa tulon toistuvasti raja-arvon ylä- ja alapuolelle. (Kuvan lähde: DigiKey)

Ratkaisu tähän ei-toivottuun lähdön tilavaihteluun on lisätä komparaattoripiiriin amplitudihystereesi. Hystereesin ansiosta komparaattorin lähtö ei muuta tilaansa raja-arvon ylittymisen jälkeen siihen saakka, kunnes tuloamplitudi muuttuu tietyn määrän verran. Tämä voidaan toteuttaa positiivisella takaisinkytkennällä komparaattorin lähdöstä sen tuloon. Tämä siirtää hieman raja-arvoa (kuva 3).

Kuva 3: Hystereesi käyttää positiivista takaisinkytkentää referenssitulossa ja siirtää raja-arvoa kiinteällä arvolla. Tämän ansiosta tulosignaalin päällä olevat amplitudiltaan pienet muutokset eivät muuta lähtöä. (Kuvan lähde: DigiKey)

Vastus R3 kytkee lähdön takaisin referenssituloon ja siirtää referenssitasoa pienellä määrällä, mikä määräytyy vastuksien R1, R2 ja R3 vastusarvoilla. Näillä vastusarvoilla hystereesiksi tulee 400 mV. Tämä muuttaa raja-arvoa siten, että lähtötila ei muutu ennen kuin tulo ylittää hystereesiamplitudin. Tuloksena on että lähtö vaihtaa tilaa vain kerran kun raja-arvo ylittyy.

Muutama huomio verrattaessa käytettyä piiriä kuvan 1 piiriin. Ensiksikin invertoiva ja ei-invertoiva tulo ovat vaihtaneet paikkaa, mikä invertoi lähtölogiikan. Lähtö on loogisesti ylhäällä kun signaali on alle raja-arvon. Piirin tätä ominaisuutta käytetään piireissä, jotka tunnistavat kun arvo on halutun alueen sisä- tai ulkopuolella. TLV3201 toimii yhdellä viiden voltin virtalähteellä, ei kuvassa 1 käytetyllä 2,5 voltin kaksoisjännitteellä. Tästä syystä jännitereferenssi muodostetaan vastuksien R1 ja R2 jännitejakajalla. Tulon yhteisjännitteen arvo on 2,5 volttia. Myös tulosignaali biasoidaan tähän yhteisjännitteeseen. Kolmioaallon huippuamplitudi on 2 volttia 2,5 voltin biastason päällä. Tämä piirikonfiguraatio on tavallinen vaihtoehto.

Sen tunnistaminen, että arvo on arvoikkunan sisä- tai ulkopuolella

Yhdellä jännitekomparaattorilla voidaan tunnistaa onko tulojännite raja-arvon ylä- tai alapuolella. Sen tunnistaminen, onko tulojännite kahden raja-arvon välissä, vaatii kaksi komparaattoria, yhden kummallekin raja-arvolle. Tätä kutsutaan arvoikkunaksi. (kuva 4).

Kuva 4: Komparaattori-ikkunan piirikonfiguraatio käyttää kahta jännitekomparaattoria sen tunnistamiseen, onko tulo kahden jännitetason V_L ja V_H välissä. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Näytetty ikkunapiiri käyttää Texas Instrumentsin TLV6710DDCR -kaksoisjännitekomparaattoria. TLV6710 muodostuu kahdesta erittäin tarkasta komparaattorista, jotka on tarkoitettu jännitteeltään korkeisiin sovelluksiin. Syöttöjännitteet voi olla 1,8 – 36 volttia. Piiri sisältää 400 mV:n sisäisen DC-lähdereferenssin. Komparaattorin lähdöt käyttävät avointa nielua ja niille voidaan suorittaa looginen TAI-operaatio kytkemällä ne yhteen käyttäen yhteistä ylösvetovastusta kuvan osoittamalla tavalla. Komparaattorit on kytketty siten, että jännitereferenssi ohjataan yhden komparaattorin (komparaattori A) invertoivaan tuloon ja toisen komparaattorin (komparaattori B) ei-invertoivaan tuloon. Tulo ohjataan vastuksista R1, R2 ja R3 muodostuvaan jännitejakajaan. Tämä asettaa alarajan jännitteeksi 3,3 volttia ja ylärajan jännitteeksi 4,1 volttia. Komparaattorin lähtö on ylhäällä (3,3 volttia) kun tulojännite V_MON on arvoikkunan sisällä. Komparaattori A kertoo kun tulojännite on alle 4,1 volttia ja komparaattori B kertoo kun tulo on yli 3,3 volttia. Huomaa, että TLV6710-piirin molempien komparaattoreiden nimellinen sisäinen jännitehystereesi on 5,5 mV. Tämä vähentää kohinaa ja pieniä häiriöitä.

Tämän komparaattorin propagointiviive on tyypillisesti 9,9 mikrosekuntia (µs) tulon siirtyessä ylhäältä alas ja 28,1 µs sen siirtyessä alhaalta ylös. Ero johtuu siitä, että lähtö on konfiguroitu avoimeksi nieluksi. Siirtyminen ylhäältä alas on aktiivinen alasveto jossa käytetään lähdön FET-transistoria, kun taas siirtyminen alhaalta ylös on passiivinen ylösveto vastuksen kautta, mikä kestää kauemmin. Tämä komparaattori on tarkoitettu jännitemonitorisovelluksiin, joissa ei vaadita erityisen alhaista propagointiviivettä.

Arvoikkunasovellukset

Arvoikkunointia voidaan käyttää robotiikassa ohjattaessa robotin liikkeen suuntaa käyttäen valoa ja kahta CDS-valokennoa. Esimerkiksi kadmiumsulfidi-valokennojen (CDS) vastusarvo muuttuu valaistuksen muuttuessa. Sen vastus on pimeässä korkeampi ja paljon alhaisempi kun siihen kohdistuu valo. TINA-TI-simulaatio esittelee tätä periaatetta käyttäen Texas Instrumentsin LM393BIPWR-kaksoiskomparaattoria (kuva 5).

Kuva 5: Robotin simuloitu ohjauspiiri käytettäessä kahta ohjausmoottoria (vasen ja oikea). Kun moottorille syötetään 5 volttia, ne liikkuvat eteenpäin ja kun niille syötetään 0 volttia, ne liikkuvat taaksepäin. (Kuvan lähde: DigiKey)

LM393B-komparaattori on kaksoiskomparaattori avoimen kollektorin lähdöillä. Sen syöttöjännite on 3–36 volttia. Tässä piirissä kukin osuus tuottaa moottorinohjaussignaalin kummallekin moottorille, joita on nimetty vasemmaksi ja oikeaksi.

Kahta CDS-valokennoa mallinnetaan potentiometrillä. Potentiometrin asento 0–40 % edustaa tilaa, jossa oikea valokenno on valossa ja vasen valokenno on pimeässä. Asento 60–100 % tarkoittaa, että valo kohdistuu pääsääntöisesti vasempaan valokennoon ja oikea valokenno on pimeässä. Asennossa 40–60 % molemmat valokennot ovat valossa. Kun moottorin ohjaussignaali on +5 volttia, moottori pyörii eteenpäin. Jos moottorin ohjaussignaali on 0 volttia, moottori pyörii taaksepäin.

Kun molemmat valokennot saavat yhtä paljon valoa, molemmat moottorit pyörivät eteenpäin ja robotti liikkuu suoraan eteenpäin. Kun potentiometri on välillä 0–40 %, vasen moottori pyörii eteenpäin ja oikea moottori taaksepäin . Robotti kääntyy tällöin oikealle. Alueella 60–100 % oikea moottori pyörii eteenpäin ja vasen moottori pyörii taaksepäin, jolloin robotti kääntyy vasemmalle.

Komparaattorin referenssitasot saadaan jännitejakajasta ja ne on asetettu jännitearvoon 2 volttia (40 % potentiometristä) oikealle ohjaimelle ja 3 volttia (60 % potentiometristä) vasemmalle ohjaimelle.

Relaksaatio-oskillaattori

Komparaattori voidaan konfiguroida relaksaatio-oskillaattoriksi käyttämällä sekä positiivista että negatiivista takaisinkytkentää (kuva 6).

Kuva 6: Relaksaatio-oskillaattori muodostetaan lisäämällä kondensaattori toiseen tuloista ja lisäämällä siihen takaisinkytkentä. (Kuvan lähde: DigiKey)

Relaksaatio-oskillaattori (kutsutaan myös epästabiiliksi multivibraattoriksi), joka lähtö on neliöaalto, voidaan muodostaa käyttämällä kuvan 6 piiriä. Oskillaatiotaajuus määräytyy vastuksen R1 ja kondensaattorin C1 aikavakiosta. C1 on aluksi purkautunut (0 volttia) ja invertoivan tulon jännite on alle jännitereferenssin ei-invertoivassa tulossa. Lähtöjännite pakotetaan 5 volttiin. Kondensaattori C1 latautuu vastuksen R1 kautta jännitereferenssin tasolle, jolloin lähtö laskee 0 volttiin. C1 purkautuu vastuksen R1 kautta kunnes ne laskee ale jännitereferenssin ja sykli toistuu. Jännitereferenssiin lisätään hystereesin (positiivinen) takaisinkytkentä. Kun lähtö on 0 volttia, referenssi on 2,5 volttia. Kun lähtö on 5 volttia, referenssijännite nousee noin 1,7 volttia, jolloin se nousee 4,2 volttiin. Kaaviossa näytetty transienttivaste näyttää sekä lähdön (Vo) että kondensaattorin (Vc) jänniteaaltomuodot.

Komparaattorin propagointiviive rajoittaa korkeinta oskillaatiotaajuutta. Tässä tapauksessa Texas Instrumentsin TLV3201-piiriä 40 ns propagointiviiveellä käytetään muodostamaan 10 MHz:n oskillaattori. Tämä taajuus on varsin lähellä tämän komparaattorin maksimitaajuutta.

Kellon palautus ja parantaminen

Taustalevyjen ja kaapeleiden kautta siirretyt kellosignaalit heikkenevät kaistanleveysrajoitusten, ISI-häriöiden (Inter-Symbol Interference), kohinan, heijastusten ja ylikuulumisen seurauksena. Komparaattoreita voidaan käyttää kellosignaalien palauttamiseen ja niiden parantamiseen selkeämpään muotoon (kuva 7).

Kuva 7: Komparaattoria 7 ns:n propagointiviiveellä ja sisäisellä hystereesillä käytetään palauttamaan 20 MHz:n kello. (Kuvan lähde: DigiKey)

Tämän tyyppisessä sovelluksessa propagointiviive on kriittisempi. Maksimitaajuus, mitä komparaattori voi seurata, on propagointiviiveen ja lähdön siirtymäaikojen funktio:

Yhtälö 1

Missä: f_MAX on maksimi toimintataajuus

t_Rise on lähdön nousuaika

t_Fall on lähdön laskuaika

t_{PD LH} on propagointiviive alhaalta ylös

t_{PD HL} on propagointiviive ylhäältä alas

5 voltin jännitteellä käytettävän Texas Instrumentsin LMV7219M5X-NOPB-piirin nousuaika on 1,3 ns, laskuaika 1,25 ns ja tyypillinen propagointiviive 7 ns molempiin suuntiin. Tämä antaa korkeimmaksi toimintataajuudeksi 60,4 MHz. Tämän komparaattorin maksimi toimintataajuus on jopa 2,7 voltin jännitteellä ja pidemmillä propagointiviiveellä ja siirtymäajoilla noin 35 MHz, mikä on enemmän kuin tarpeeksi tälle 20 MHz:n kellolle.

Paitsi että sen propagointiviive on huomattavan alhainen, LMV7219 tarjoaa kiskosta-kiskoon push-pull-lähtöasteen, mikä tarkoittaa lyhyitä ja yhdenmukaisia nousu- ja laskuaikoja. Myös sen sisäinen hystereesi on 7,5 mV, mikä ehkäisee kohinan vaikutusta.

Yhteenveto

Jännitekomparaattori yhdistää analogisen ja digitaalisen maailman ja se on erittäin hyödyllinen työkalu mm. signaalitasojen arvoikkunan tunnistamisessa reunan IIoT-, AI- ja ML-sovelluksissa sekä nollan tunnistamisessa, kellon palautuksessa sekä oskillaattorina.