De essentie van analoge spanningsvergelijkers en hoe ze te gebruiken: Niveaudetectie naar Oscillatoren

Naarmate ontwerpers meer gegevens willen verzamelen aan de rand van het Internet of Things (IoT), het industriële IoT (IIoT), kunstmatige intelligentie (AI) en machinaal leren (ML), hebben ontwerpers behoefte aan een eenvoudige manier om te detecteren dat een gemeten waarde, of het nu gaat om spanning, stroom, temperatuur of druk, boven of onder een drempelwaarde ligt. Ook is het vaak nodig te weten dat een gemeten hoeveelheid binnen of buiten het waardenbereik ligt. Het maken van deze bepaling aan de rand in de aanwezigheid van ruis en stoorsignalen is vaak moeilijk, maar goed gekozen en toegepaste spanningsvergelijkers kunnen helpen.

Een spanningsvergelijker is een elektronisch apparaat dat een ingangsspanning vergelijkt met een bekende referentiespanning en de uitgangstoestand ervan verandert afhankelijk van het feit of de ingang zich boven of onder de referentie bevindt. Dit vermogen voldoet aan de noodzaak om drempeloverschrijdingen, nullen en signaalamplituden binnen of buiten een amplitudebereik te detecteren.

Dit artikel beschrijft het gebruik van spanningsvergelijkers, hun kenmerken en de belangrijkste criteria voor hun selectie. Met behulp van voorbeeldapparaten van Texas Instruments wordt het gebruik van spanningsvergelijkers voor drempel- en nuldoorgangsdetectoren, samen met klokherstel- en ontspanningsoscillatortoepassingen, besproken.

Wat is een spanningsvergelijker?

Een spanningsvergelijker is een elektronisch apparaat waarvan de uitgang een logische toestand is die aangeeft welke van de twee ingangen een grotere spanning heeft dan de andere (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: De basiswerking van een vergelijker geïllustreerd in een TINA-TI simulatie door een sinusgolf toe te passen op de niet-inverterende ingang van een vergelijker terwijl de inverterende ingang wordt gerefereerd aan nul volt (aarding). (Bron afbeelding: DigiKey)

De vergelijker is een Texas Instruments TLV3201AQDCKRQ1 enkele comparator met push-pull uitgangen. Zoals alle vergelijkers heeft het twee ingangen. Een inverterende ingang gemarkeerd met een minteken (-), en een niet-inverterende ingang gemarkeerd met een plusteken (+). De vergelijkeringangen lijken erg op die voor een operationele versterker. Het belangrijkste verschil is dat de vergelijkingsuitgang een digitale logische toestand is in plaats van een analoge spanning. In Afbeelding 1 is de ingang een sinusgolf van 1 megahertz (MHz) met een piekamplitude van 200 millivolt (mV). Wanneer de spanning op de niet-inverterende ingang groter is dan die op de inverterende ingang, zal de uitgang in de hoge stand staan, in dit geval 2,5 volt. Wanneer de spanning op de niet-inverterende ingang lager is dan die op de inverterende ingang, gaat de uitgang naar de lage stand, in dit geval -2,5 volt. Deze vergelijker heeft rail-naar-rail-uitgangen, dus de uitgangstoestanden strekken zich uit tot de voedingsniveaus. In dit voorbeeld worden symmetrische positieve en negatieve 2,5 volt voedingen gebruikt en worden deze weerspiegeld in de schommeling van de uitgangsspanning.

Een manier om over een vergelijker na te denken is dat het een one-bit analoog-digitaal convertor (ADC) is. Indien geconfigureerd om de toestand op een nuldoorgang te veranderen, is de uitgang ervan in wezen een tekenbit.

Deze vergelijkre heeft een reactietijd van 40 nanoseconden (ns), die wordt gespecificeerd als de voortplantingssnelheid of -vertraging. Dit is de tijd vanaf de drempelovergang bij de ingang tot de uitgang verandert. De voortplantingssnelheid is van invloed op de snelheid waarmee de vergelijker van status kan veranderen en is in feite een bandbreedtegerelateerde specificatie. De TLV3201 heeft ook een ingebouwde spanningshysterese van 1,2 mV om de aanwezigheid van ruis op de signaalingang tegen te gaan.

Hysterese en ruis

Als er ruis of valse signalen op de ingang van de vergelijker aanwezig zijn, kan de drempel meerdere malen worden overschreden en kan de uitgang de drempeloverschrijdingen volgen en meerdere keren overschakelen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Als er ruis op de signaalingang aanwezig is, kan de uitgang van de vergelijker meerdere malen worden omgeschakeld omdat de ruis de ingang herhaaldelijk boven en onder de drempel drijft. (Bron afbeelding: DigiKey)

Een oplossing voor deze ongewenste outputschakeling is het toevoegen van amplitudehysteresis aan het vergelijkingscircuit. Hysteresis zorgt ervoor dat de uitgang van de vergelijker na een drempeloverschrijding zijn status behoudt totdat de ingangsamplitude met een vaste hoeveelheid verandert. Dit wordt bereikt door een positieve terugkoppeling van de uitgang naar de ingang van de vergelijker, die de drempelwaarde met een kleine verhoging verschuift (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Hysteresis past positieve feedback toe op de referentie-invoer om de drempel met een vaste stap te verschuiven. Daarom kunnen kleine amplitudeveranderingen die op het ingangssignaal worden aangebracht, de uitgang niet veranderen. (Bron afbeelding: DigiKey)

Weerstand R3 voert de uitgang terug naar de referentie-ingang, waarbij het referentieniveau een kleine hoeveelheid wordt verschoven die wordt bepaald door de waarden van de weerstanden R1, R2 en R3. Voor de gegeven weerstandswaarden resulteert dit in een hysteresis van 400 mV, waarbij de drempelwaarde zodanig wordt gewijzigd dat de uitgangstoestand niet verandert totdat de ingang de hysteresisamplitude overschrijdt. Het resultaat is dat de uitgang een enkele overgang maakt bij de drempelovergang.

Een paar opmerkingen over de gebruikte schakeling in vergelijking met de schakeling in Afbeelding 1. Eerst zijn de inverterende en niet-inverterende ingangen verwisseld, waardoor de uitgangslogica wordt omgedraaid. De uitgang is een logisch hoog wanneer het signaal onder de drempelwaarde ligt. Deze schakelkarakteristiek wordt gebruikt in circuits die aanvoelen wanneer een waarde binnen of buiten een bereik van waarden ligt. De TLV3201 werkt met een enkele vijf volt voeding, niet met de dubbele 2,5 volt voeding die in figuur 1 wordt gebruikt. Hierdoor wordt de referentiespanning afgeleid door een spanningsdeler R1 en R2 op 2,5 volt, de common mode spanning voor de ingang. Het ingangssignaal is ook vertekend voor deze common mode spanning. De driehoeksgolf heeft een 2 volt piekamplitude die op een 2,5 volt biasniveau rijdt. Deze circuitconfiguratie is een veelvoorkomend alternatief.

Aanvoelende waarde binnen of buiten een raam

Een enkele spanningsvergelijker kan voelen of een ingangsspanning boven of onder een referentiedrempelwaarde ligt. Om te bepalen of een ingangsspanning tussen twee limieten ligt, windowing genaamd, zijn twee vergelijkers nodig, één voor elke limiet (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Een vergelijkingsvenstercircuitconfiguratie gebruikt een dubbele spanningsvergelijker om te bepalen of de ingang binnen twee spanningsniveaus ligt, V_L en V_H. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Het getoonde venstercircuit gebruikt een Texas Instruments TLV6710DDCR dubbele spanningsvergelijker. De TLV6710 bestaat uit twee hoognauwkeurige vergelijkers die bedoeld zijn voor hoogspanningstoepassingen. De voedingsspanning kan tussen 1,8 en 36 volt liggen. Het omvat een interne DC-referentiebron van 400 mV. De vergelijkingsuitgangen zijn open afvoeraansluitingen die logischerwijs kunnen worden "geordend" door ze aan elkaar te binden door middel van een gemeenschappelijke pullupweerstand, zoals afgebeeld. De vergelijkers zijn zo bedraad dat de referentiespanning op de ene (vergelijker A) en de niet-inverterende ingang op de andere (vergelijker B) wordt toegepast. De ingang wordt toegepast via de spanningsdeler bestaande uit de weerstanden R1, R2 en R3 die de drempelspanningen van 3,3 volt voor de ondergrens en 4,1 volt voor de bovengrens instellen. De vergelijkingsuitgang is in de hoge staat (3,3 volt) wanneer de ingang, V_MON, zich binnen het venster bevindt. Vergelijker A geeft aan wanneer de ingangsspanning lager is dan 4,1 volt en vergelijker B geeft aan wanneer de ingang hoger is dan 3,3 volt. Merk op dat beide vergelijkers in de TLV6710 een nominale interne spanningshysterese hebben van 5,5 mV om te helpen bij het afwijzen van geluid en kleine storingen.

De voortplantingsvertraging van deze vergelijker is typisch 9,9 microseconden (µs) voor een hoog-laag overgang en 28,1 µs voor een laag-hoog overgang. Dit verschil is te wijten aan de configuratie van de open afvoeruitgang. De hoog-laag overgang is een actieve pulldown door de uitgang FET, terwijl de laag-hoog overgang een passieve pullup is door een weerstand die meer tijd in beslag neemt. Deze vergelijker is bedoeld voor spanningsbewakingstoepassingen die geen extreem lage voortplantingsvertraging vereisen.

Toepassing op windowing

Windowing kan worden gebruikt in de robotica om de rijrichting van een robot te controleren met behulp van licht en twee CDS-fotocellen. Bijvoorbeeld, cadmium sulfide (CDS) fotocellen veranderen hun weerstand in reactie op de verlichting, met een hogere weerstand als het donker is en een veel lagere weerstand als het verlicht is. Een TINA-TI simulatie illustreert dit principe met behulp van een Texas Instruments LM393BIPWR dubbele vergelijker (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Een circuitsimulatie voor een robotbesturing met twee besturingsmotors die links en rechts gelabeld zijn. Als er 5 volt op de motors wordt gezet, gaan ze vooruit, als er 0 volt wordt gezet, gaan ze achteruit. (Bron afbeelding: DigiKey)

De LM393B-vergelijker is een dubbele vergelijker met open-collector uitgangen die kan draaien op voedingsspanningen van 3 tot 36 volt. In dit circuit geeft elke sectie een motorbesturingssignaal voor elk van de twee motoren, aangeduid als linker- of rechteraandrijving.

Een potentiometer wordt gebruikt om de twee CDS-fotocellen te modelleren. Een potentiometerinstelling van 0% tot 40% staat voor de rechter fotocel die met de linker fotocel in het donker wordt belicht. Instellingen van 60% tot 100% betekenen dat het licht voornamelijk op de linker fotocel staat, met de rechter fotocel donker. Van 40% tot 60% worden beide fotocellen belicht. Wanneer het stuursignaal van de motor naar een van beide motors op +5 volt staat, draait de motor in de voorwaartse richting. Als het stuursignaal van de motor op 0 volt staat, loopt de motor in omgekeerde richting.

Wanneer beide fotocellen gelijkelijk zijn verlicht, draaien beide motoren in de voorwaartse richting, waardoor de robot rechtdoor beweegt. Wanneer de potentiometer tussen 0% en 40% ligt, loopt de linkermotor in voorwaartse richting en de rechtermotor in achterwaartse richting, waardoor de robot naar rechts rijdt. In de regio van 60% tot 100% draait de rechtermotor in voorwaartse richting, de linkermotor wordt omgedraaid en de robot draait naar links.

De referentieniveaus van de vergelijker zijn afgeleid van een spanningsdeler en zijn ingesteld op 2 volt (40% op de potentiometer) voor de rechter regelaar en 3 volt (60% op de potentiometer) voor de linker regelaar.

Relaxatie-oscillator

Met behulp van zowel positieve als negatieve feedback kan een comparator worden geconfigureerd als een relaxatie-oscillator (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Door een condensator toe te voegen aan een van de ingangen en feedback toe te passen op die condensator ontstaat een relaxatie-oscillator. (Bron afbeelding: DigiKey)

Een relaxatie-oscillator (ook wel een astable multivibrator genoemd) met een blokgolfvermogen kan worden gemaakt met behulp van de schakeling die is weergegeven in figuur 6. De frequentie van de oscillatie wordt bepaald door de tijdconstante van de weerstand en de condensator van R1 en C1. Bij C1 in eerste instantie ontladen (0 volt) ligt de inverterende ingangsspanning onder de referentiespanning op de niet-inverterende ingang. Het vermogen wordt tot 5 volt gedwongen. De condensator C1 wordt via R1 opgeladen tot de referentiespanning waarbij de uitgang daalt tot 0 volt. C1 wordt ontladen door R1 totdat het onder de referentiespanning komt en de cyclus zich herhaalt. Aan de referentiespanning is hysteresis (positieve) feedback toegevoegd. Bij een uitgang van 0 volt is de referentie 2,5 volt. Bij een uitgang van 5 volt neemt de referentiespanning toe met ongeveer 1,7 volt, waardoor deze op 4,2 volt komt. De transiëntrespons, weergegeven in de grafiek, toont zowel de uitgangs- (Vo) als de condensator- (Vc) spanningsgolfvormen.

De maximale oscillatiefrequentie wordt beperkt door de voortplantingsvertraging van de vergelijker. In dit geval wordt de Texas Instruments TLV3201 met een propagatievertraging van 40 ns gebruikt om een 10 MHz-oscillator te maken. Deze frequentie ligt vrij dicht bij het maximum voor deze vergelijker.

Klokherstel en restauratie

Kloksignalen die via backplanes en kabels worden verzonden, lijden onder degradatie die wordt veroorzaakt door bandbreedtebeperkingen, interferentie tussen symbolen (ISI), ruis, reflecties en overspraak. Vergelijkers kunnen worden gebruikt om kloksignalen te herstellen en deze te herstellen in een duidelijker gedefinieerde vorm (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Een vergelijker met een 7 ns propagatievertraging met interne hysterese wordt gebruikt om een 20 MHz klok te herstellen. (Bron afbeelding: DigiKey)

Bij dit soort toepassingen is de propagatievertraging kritischer. De maximale frequentie die een vergelijker kan bijhouden is een functie van de propagatievertraging en de overgangstijd van de output:

 Vergelijking 1

Waarbij: f_MAX de maximale toggle-frequentie is

t_Stijg is de stijgtijd van de uitvoer

t_Val is de uitvoervaltijd

t_{PD LH} is de propagatievertraging van laag naar hoog

t_{PD HL} is de propagatievertraging van hoog naar laag

De Texas Instruments LMV7219M5X-NOPB die met een 5 volt voeding werkt, heeft een 1,3 ns stijgtijd, een 1,25 ns daaltijd en een typische propagatievertraging van 7 ns voor beide overgangsrichtingen. Dit levert een maximale toggle-frequentie op van 60,4 MHz. Zelfs met een 2,7 volt voeding en langere propagatievertraging en overgangstijden is de maximale toggle voor deze vergelijkingsfactor ongeveer 35 MHz, meer dan voldoende voor deze 20 MHz-klok.

Naast de opmerkelijk lage propagatievertraging heeft de LMV7219 een rail-naar-rail push-pull eindtrap, wat een korte en gelijkmatige stijg- en daaltijd betekent. Het heeft ook een interne hysteresis van 7,5 mV om de effecten van ruis te minimaliseren.

Conclusie

Het overbruggen van de analoge en digitale wereld, de spanningsvergelijker is een bijzonder nuttig instrument, zij het voor signaalniveaus en windowing voor de IIoT, AI, of ML aan de rand, of voor nuldetectie, klokherstel, of als een oscillator.