Die Grundlagen analoger Spannungskomparatoren und wie man sie nutzt: Von der Pegelerfassung bis zu Oszillatoren

Da Entwickler immer mehr Daten am Netzwerkrand für Anwendungen in den Bereichen IoT (Internet of Things, Internet der Dinge), IIoT (Industrial IoT, industrielles IoT), künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) sammeln möchten, benötigen sie eine einfache Methode, um zu erkennen, ob ein gemessener Wert, sei es Spannung, Strom, Temperatur oder Druck, über oder unter einem Schwellenwert liegt. In ähnlicher Weise ist es oft notwendig zu wissen, dass eine gemessene Größe innerhalb oder außerhalb des Wertebereichs liegt. Diese Bestimmung am Netzwerkrand in Gegenwart von Rauschen und Störsignalen zu treffen, ist oft schwierig, aber richtig ausgewählte und verwendete Spannungskomparatoren können dabei helfen.

Ein Spannungskomparator ist ein elektronisches Gerät, das eine Eingangsspannung mit einer bekannten Referenzspannung vergleicht und seinen Ausgangszustand ändert, je nachdem, ob der Eingang über oder unter der Referenz lag. Diese Fähigkeit erfüllt die Notwendigkeit, Schwellwertüberschreitungen, Nullstellen und Signalamplituden innerhalb oder außerhalb eines Amplitudenbereichs zu erkennen.

Dieser Artikel beschreibt die Verwendung von Spannungskomparatoren, ihre Eigenschaften und die Schlüsselkriterien für ihre Auswahl. Anhand von Beispielkomponenten von Texas Instruments wird die Verwendung von Spannungskomparatoren für Schwellwert- und Nulldurchgangsdetektoren sowie Taktrückgewinnungs- und Relaxationsoszillatoranwendungen diskutiert.

Was ist ein Spannungskomparator?

Ein Spannungskomparator ist ein elektronisches Gerät, dessen Ausgang ein logischer Zustand ist, der anzeigt, welcher seiner beiden Eingänge eine höhere Spannung als der andere hat (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die grundlegende Funktionsweise eines Komparators, dargestellt in einer TINA-TI-Simulation durch Anlegen einer Sinuswelle an den nicht-invertierenden Eingang eines Komparators, während der invertierende Eingang auf Null Volt (Masse) bezogen ist. (Bildquelle: DigiKey)

Der Komparator ist ein Einzelkomparator TLV3201AQDCKRQ1 von Texas Instruments mit Gegentaktausgängen. Wie alle Komparatoren hat er zwei Eingänge. Ein invertierender Eingang ist mit einem Minuszeichen (-) gekennzeichnet, ein nicht invertierender Eingang mit einem Pluszeichen (+). Die Komparatoreingänge sind denen eines Operationsverstärkers sehr ähnlich. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der Komparatorausgang ein digitaler Logikzustand und keine analoge Spannung ist. In Abbildung 1 ist der Eingang eine Sinuswelle von 1 Megahertz (MHz) mit einer Spitzenamplitude von 200 Millivolt (mV). Wenn die Spannung am nicht-invertierenden Eingang größer als die am invertierenden Eingang ist, liefert der Ausgang einen HIGH-Pegel, in diesem Fall 2,5 Volt. Wenn die Spannung am nicht-invertierenden Eingang niedriger als die am invertierenden Eingang ist, ändert sich der Ausgang zum Low-Zustand, in diesem Fall -2,5 Volt. Dieser Komparator hat Rail-to-Rail-Ausgänge, so dass die logischen Zustände der Ausgänge bis zu den Versorgungspegeln reichen. In diesem Beispiel werden symmetrische positive und negative 2,5-Volt-Versorgungen verwendet, die sich im Ausgangsspannungshub widerspiegeln.

Man könnte einen Komparator auch mit einem Ein-Bit-Analog/Digital-Wandler (ADC) vergleichen. Wenn er so konfiguriert ist, dass er seinen Zustand bei einem Nulldurchgang ändert, ist die Ausgabe im Wesentlichen ein Vorzeichenbit.

Dieser Komparator hat eine Ansprechzeit von 40 Nanosekunden (ns), die als Laufzeit oder Verzögerung angegeben wird. Dies ist die Zeit vom Überschreiten der Schwelle am Eingang bis zum Zustandswechsel des Ausgangs. Die Laufzeit wirkt sich darauf aus, wie schnell der Komparator Zustände wechseln kann, und ist eine bandbreitenbezogene Spezifikation. Der TLV3201 verfügt zudem über eine eingebaute Spannungshysterese von 1,2 mV, um dem Rauschen am Signaleingang entgegenzuwirken.

Hysterese und Rauschen

Wenn am Komparatoreingang Rauschen oder Störsignale anliegen, kann der Schwellenwert mehrfach überschritten werden und der Ausgang kann den Schwellenwertüberschreitungen folgen und mehrfach umschalten (Abbildung 2).

Abbildung 2: Rauschen am Signaleingang kann dazu führen, dass der Komparatorausgang mehrfach umschaltet, da das Rauschen den Eingang wiederholt über und unter den Schwellenwert treibt. (Bildquelle: DigiKey)

Eine Lösung für diese unerwünschte Ausgangsumschaltung besteht darin, der Komparatorschaltung eine Amplitudenhysterese hinzuzufügen. Hysterese bewirkt, dass der Komparatorausgang seinen Zustand nach einer Schwellwertüberschreitung beibehält, bis sich die Eingangsamplitude um einen festen Betrag ändert. Dies wird durch eine positive Rückkopplung vom Ausgang zum Eingang des Komparators erreicht, der den Schwellenwert um ein kleines Inkrement verschiebt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Hysterese bewirkt positive Rückkopplung auf den Referenzeingang, um den Schwellenwert um ein festes Inkrement zu verschieben. Dadurch können kleine Amplitudenänderungen, die vom Eingangssignal abhängen, den Ausgang nicht verändern. (Bildquelle: DigiKey)

Der Widerstand R3 führt den Ausgang zum Referenzeingang zurück und verschiebt den Referenzpegel um einen kleinen Betrag, der durch die Werte der Widerstände R1, R2 und R3 bestimmt wird. Für die gegebenen Widerstandswerte ergibt sich daraus eine Hysterese von 400 mV, wodurch der Schwellenwert so geändert wird, dass sich der Ausgangszustand nicht ändert, bis der Eingang die Hystereseamplitude überschreitet. Das Ergebnis ist, dass die Ausgabe bei der Schwellenüberschreitung einen einzigen Übergang macht.

Ein paar Anmerkungen zur verwendeten Schaltung im Vergleich zur Schaltung in Abbildung 1. Zunächst wurden die invertierenden und nichtinvertierenden Eingänge vertauscht, wodurch die Ausgangslogik invertiert wurde. Der Ausgang liefert einen logischen HIGH-Pegel, wenn das Signal unter dem Schwellenwert liegt. Diese Schaltkreischarakteristik wird in Schaltkreisen verwendet, die erkennen, ob ein Wert innerhalb oder außerhalb eines Wertebereichs liegt. Der TLV3201 wird mit einer einzigen Fünf-Volt-Versorgung betrieben, nicht mit der in Abbildung 1 verwendeten dualen 2,5-Volt-Versorgung. Aus diesem Grund wird die Referenzspannung durch einen Spannungsteiler R1 und R2 auf 2,5 Volt, die Gleichspannung für den Eingang, abgeleitet. Das Eingangssignal ist ebenfalls auf diese Gleichspannung vorgespannt. Die Dreieckwelle hat eine Spitzenamplitude von 2 Volt, die auf einem Vorspannungsniveau von 2,5 Volt reitet. Diese Schaltungskonfiguration ist eine gängige Alternative.

Messwert innerhalb oder außerhalb eines Fensters

Ein einzelner Spannungskomparator kann erkennen, ob eine Eingangsspannung über oder unter einem Referenzschwellenwert liegt. Die Bestimmung, ob eine Eingangsspannung zwischen zwei Grenzwerten liegt, die so genannte Fensterung (engl. Windowing), erfordert zwei Komparatoren, einen für jeden Grenzwert (Abbildung 4).

Abbildung 4: Eine Komparator-Fensterschaltungskonfiguration verwendet einen Baustein mit zwei Spannungskomparatoren, um zu bestimmen, ob der Eingang innerhalb zweier Spannungspegel liegt, V_L und V_H. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die abgebildete Fensterschaltung verwendet einen Doppelspannungskomparator TLV6710DDCR von Texas Instruments. Der TLV6710 umfasst zwei hochgenaue Komparatoren, die für Hochspannungsanwendungen vorgesehen sind. Die Versorgungsspannungen können zwischen 1,8 und 36 Volt liegen. Er enthält eine interne 400 mV DC-Referenzquelle. Bei den Komparatorausgängen handelt es sich um Open-Drain-Verbindungen, die logisch „ODER-verknüpft“ werden können, indem sie über einen gemeinsamen Pullup-Widerstand miteinander verbunden werden, wie gezeigt. Die Komparatoren sind so verdrahtet, dass die Referenzspannung an den invertierenden Eingang des einen (Komparator A) und den nichtinvertierenden Eingang des anderen (Komparator B) angelegt wird. Der Eingang wird über den aus den Widerständen R1, R2 und R3 bestehenden Spannungsteiler angelegt, der die Schwellenspannungen von 3,3 Volt für die untere Grenze und 4,1 Volt für die obere Grenze festlegt. Der Komparatorausgang liefert einen HIGH-Pegel (3,3 Volt), wenn der Eingang, V_MON, innerhalb des Fensters liegt. Komparator A zeigt an, wenn die Eingangsspannung unter 4,1 Volt liegt, und Komparator B zeigt an, wenn die Eingangsspannung über 3,3 Volt liegt. Beachten Sie, dass beide Komparatoren im TLV6710 eine nominale interne Spannungshysterese von 5,5 mV haben, um Rauschen und kleine Störimpulse zu unterdrücken.

Die Laufzeitverzögerung dieses Komparators beträgt typischerweise 9,9 Mikrosekunden (µs) für einen Übergang von HIGH-Pegel zu LOW-Pegel und 28,1 µs für einen Übergang von LOW-Pegel zu HIGH-Pegel. Dieser Unterschied ist auf die Open-Drain-Ausgangskonfiguration zurückzuführen. Der Übergang von HIGH-Pegel zu LOW-Pegel ist ein aktiver Pulldown durch den Ausgangs-FET, während der Übergang von LOW-Pegel zu HIGH-Pegel ein passiver Pullup durch einen Widerstand ist, der mehr Zeit benötigt. Dieser Komparator ist für Spannungsüberwachungsanwendungen vorgesehen, die keine extrem niedrige Laufzeitverzögerung erfordern.

Fensteranwendung

Die Fensterung kann in der Robotik verwendet werden, um die Bewegungsrichtung eines Roboters mit Hilfe von Licht und zwei CDS-Fotozellen zu steuern. Beispielsweise ändern Cadmiumsulfid(CDS)-Fotozellen ihren Widerstand als Reaktion auf Beleuchtung, wobei sie bei Dunkelheit einen höheren Widerstand und bei Beleuchtung einen viel geringeren Widerstand haben. Eine TINA-TI-Simulation veranschaulicht dieses Prinzip anhand des zwei Komparatoren enthaltenden Bausteins LM393BIPWR von Texas Instruments (Abbildung 5).

Abbildung 5: Eine Schaltkreissimulation für eine Robotersteuerung mit zwei Steuermotoren mit der Bezeichnung Links (Left) und Rechts (Right). Wenn 5 Volt an die Motoren angelegt werden, bewegen sie sich vorwärts, wenn 0 Volt angelegt werden, bewegen sie sich rückwärts. (Bildquelle: DigiKey)

Der zwei Komparatoren enthaltende Baustein LM393B mit Open-Collector-Ausgängen kann mit Versorgungsspannungen von 3 bis 36 Volt betrieben werden. In dieser Schaltung liefert jeder Abschnitt ein Motorsteuersignal für jeden der beiden Motoren, die als Linksantrieb (Left Drive) und Rechtsantrieb (Right Drive) bezeichnet werden.

Zur Modellierung der beiden CDS-Fotozellen wird ein Potentiometer verwendet. Eine Potentiometereinstellung von 0% bis 40% repräsentiert die Beleuchtung der rechten Fotozelle, während die linke Fotozelle in Dunkelheit verbleibt. Einstellungen von 60% bis 100% bedeuten, dass das Licht hauptsächlich auf die linke Fotozelle scheint, während die rechte Fotozelle in Dunkelheit liegt. Bei Einstellungen von 40% bis 60% werden beide Fotozellen beleuchtet. Wenn das Motorsteuersignal für einen der beiden Motoren auf +5 Volt liegt, dreht der Motor in Vorwärtsrichtung. Wenn das Motorsteuersignal auf 0 Volt liegt, läuft der Motor im Rückwärtsgang.

Wenn beide Fotozellen gleichmäßig beleuchtet sind, laufen beide Motoren in Vorwärtsrichtung und bewegen den Roboter geradeaus. Wenn das Potentiometer zwischen 0% und 40% liegt, läuft der linke Motor in Vorwärtsrichtung und der rechte Motor in Rückwärtsrichtung und treibt den Roboter nach rechts. Im Bereich von 60% bis 100% dreht sich der rechte Motor in Vorwärtsrichtung, der linke Motor rückwärts und der Roboter dreht sich nach links.

Die Komparator-Referenzpegel werden von einem Spannungsteiler abgeleitet und sind auf 2 Volt (40% am Potentiometer) für den rechten Regler und 3 Volt (60% am Potentiometer) für den linken Regler eingestellt.

Relaxationsoszillator

Unter Verwendung sowohl positiver als auch negativer Rückkopplung kann ein Komparator als Relaxationsoszillator konfiguriert werden (Abbildung 6).

Abbildung 6: Durch Hinzufügen eines Kondensators zu einem der Eingänge und Anlegen einer Rückkopplung an diesen Kondensator wird ein Relaxationsoszillator erzeugt. (Bildquelle: DigiKey)

Ein Relaxationsoszillator (auch astabiler Multivibrator genannt) mit einem Rechteckwellenausgang kann mit der in Abbildung 6 gezeigten Schaltung erzeugt werden. Die Schwingungsfrequenz wird durch die Widerstands-Kondensator-Zeitkonstante von R1 und C1 bestimmt. Bei zunächst entladenem C1 (0 Volt) liegt die invertierende Eingangsspannung unter der Referenzspannung am nichtinvertierenden Eingang. Der Ausgang wird auf 5 Volt gezwungen. Der Kondensator C1 wird über R1 bis zur Referenzspannung aufgeladen, wobei der Ausgang auf 0 Volt abfällt. C1 wird über R1 entladen, bis er unter die Referenzspannung fällt und sich der Zyklus wiederholt. Der Referenzspannung ist eine (positive) Hysterese-Rückkopplung hinzugefügt. Wenn der Ausgang 0 Volt beträgt, beträgt die Referenz 2,5 Volt. Bei einer Ausgangsspannung von 5 Volt erhöht sich die Referenzspannung um ca. 1,7 Volt auf bis zu 4,2 Volt. Das in der Grafik dargestellte transiente Verhalten zeigt sowohl die Wellenformen der Ausgangsspannung (Vo) als auch der Kondensatorspannung (Vc).

Die maximale Schwingungsfrequenz wird durch die Laufzeitverzögerung des Komparators begrenzt. In diesem Fall wird der TLV3201 von Texas Instruments mit einer Laufzeitverzögerung von 40 ns verwendet, um einen 10-MHz-Oszillator zu erzeugen. Diese Frequenz liegt für diesen Komparator ziemlich nahe am Maximum.

Taktwiederherstellung und -restaurierung

Taktsignale, die über Busplatinen und Kabel übertragen werden, leiden unter Beeinträchtigungen, die durch Bandbreitenbeschränkungen, Intersymbolinterferenz (ISI), Rauschen, Reflexionen und Übersprechen verursacht werden. Komparatoren können verwendet werden, um Taktsignale wiederherzustellen und sie in eine klarer definierte Form zu bringen (Abbildung 7).

Abbildung 7: Ein Komparator mit 7 ns Laufzeitverzögerung mit interner Hysterese wird zur Wiederherstellung eines 20-MHz-Takts verwendet. (Bildquelle: DigiKey)

Bei dieser Art von Anwendung ist die Laufzeitverzögerung kritischer. Die maximale Frequenz, die ein Komparator verfolgen kann, ist eine Funktion der Laufzeitverzögerung und Ausgangsübergangszeiten:

 Gleichung 1

wobei: f_MAX die maximale Umschaltfrequenz ist

t_Rise ist die Ausgangs-Anstiegszeit

t_Fall ist die Abfallzeit der Ausgabe

t_{PD LH} ist die Laufzeitverzögerung von LOW-Pegel zu HIGH-Pegel

t_{PD HL} ist die Laufzeitverzögerung von HIGH-Pegel zu LOW-Pegel

Der LMV7219M5X-NOPB von Texas Instruments, der mit einer 5-Volt-Versorgung arbeitet, bietet eine Anstiegszeit von 1,3 ns, eine Abfallzeit von 1,25 ns und eine typische Laufzeitverzögerung von 7 ns für beide Übergangsrichtungen. Daraus ergibt sich eine maximale Umschaltfrequenz von 60,4 MHz. Selbst bei einer Versorgungsspannung von 2,7 Volt und längeren Laufzeitverzögerungen und Übergangszeiten beträgt die maximale Umschaltgeschwindigkeit für diese Komparatorrate etwa 35 MHz, was für diesen 20-MHz-Takt mehr als ausreichend ist.

Zusätzlich zu der bemerkenswert niedrigen Laufzeitverzögerung verfügt der LMV7219 über eine Rail-to-Rail-Gegentakt-Ausgangsstufe, was kurze und gleichmäßige Anstiegs- und Abfallzeiten bedeutet. Er hat außerdem eine interne Hysterese von 7,5 mV, um die Auswirkungen von Rauschen zu minimieren.

Fazit

Als Brücke zwischen der analogen und der digitalen Welt ist der Spannungskomparator ein besonders nützliches Werkzeug, sei es für Signalpegel und Fensterung für IIoT, KI oder ML am Netzwerkrand oder für Nullerkennung, Taktrückgewinnung oder als Oszillator.