I fondamenti dei comparatori di tensione analogici e del loro uso: dal rilevamento del livello agli oscillatori

Mentre i progettisti cercano di raccogliere più dati alla periferia per applicazioni di Internet delle cose (IoT), IoT industriale (IIoT), intelligenza artificiale (IA) e apprendimento automatico (ML), al tempo stesso hanno bisogno di un modo semplice per rilevare che un valore misurato - tensione, corrente, temperatura o pressione - sia entro o fuori una data soglia. Allo stesso modo, è spesso necessario sapere se una quantità misurata rientra o meno nell'intervallo di valori ammesso. Effettuare questa determinazione sulla periferia, in presenza di rumore e segnali interferenti è spesso difficile, ed è qui che entrano in gioco comparatori di tensione opportunamente selezionati e applicati.

Un comparatore di tensione è un dispositivo elettronico che confronta una tensione di ingresso con una di riferimento nota e cambia lo stato dell'uscita a seconda che l'ingresso sia superiore o inferiore al riferimento. Questa capacità soddisfa l'esigenza di rilevare superamenti di soglia, valori nulli e ampiezze del segnale entro o fuori un intervallo di ampiezza.

Questo articolo descriverà l'uso dei comparatore di tensione, le loro caratteristiche e i criteri chiave per la loro selezione. Utilizzando dispositivi di esempio di Texas Instruments, discuterà l'uso dei comparatori di tensione per i rivelatori di soglia e zero-crossing, oltre alle applicazioni con oscillatore di recupero e rilassamento del clock.

Che cos'è un comparatore di tensione?

Un comparatore di tensione è un dispositivo elettronico la cui uscita è uno stato logico che indica quale dei suoi due ingressi è a una tensione maggiore dell'altro (Figura 1).

Figura 1: Il funzionamento di base di un comparatore illustrato in una simulazione TINA-TI applicando un'onda sinusoidale all'ingresso non invertente di un comparatore mentre l'ingresso invertente è riferito a zero V (terra). (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il dispositivo è un comparatore singolo con uscite push-pull TLV3201AQDCKRQ1 di Texas Instruments. Come tutti i comparatori ha due ingressi: un ingresso invertente contrassegnato con il segno meno (-) e un ingresso non invertente contrassegnato con il segno più (+). Questi ingressi sono molto simili a quelli di un amplificatore operazionale. La differenza principale è che l'uscita del comparatore è uno stato logico digitale e non una tensione analogica. In Figura 1 l'ingresso è un'onda sinusoidale di 1 MHz con un'ampiezza di picco di 200 mV. Quando la tensione all'ingresso non invertente è superiore a quella dell'ingresso invertente, l'uscita sarà allo stato alto, in questo caso 2,5 V. Quando la tensione all'ingresso non invertente è inferiore a quella dell'ingresso invertente, l'uscita passa allo stato basso, in questo caso a -2,5 V. Questo comparatore ha uscite rail-to-rail, quindi gli stati logici di uscita si estendono ai livelli dell'alimentazione. In questo esempio vengono utilizzate alimentazioni simmetriche positive e negative a 2,5 V, che si riflettono nell'oscillazione della tensione di uscita.

Per usare un'analogia, un comparatore è come un convertitore analogico/digitale (ADC) a un bit. Se configurato per cambiare stato su zero-crossing, la sua uscita è essenzialmente un bit di segno.

Questo comparatore ha un tempo di risposta di 40 ns, che viene specificato come velocità di propagazione o ritardo. Questo è il tempo che intercorre tra il superamento della soglia all'ingresso e il cambio di stato dell'uscita. La velocità di propagazione influenza la velocità con cui il comparatore può passare da uno stato all'altro ed è in effetti una specifica relativa alla larghezza di banda. TLV3201 integra anche un'isteresi di tensione di 1,2 mV per contrastare la presenza di rumore sull'ingresso di segnale.

Isteresi e rumore

In caso di rumore o segnali spuri sull'ingresso del comparatore, la soglia può essere superata più volte e l'uscita può seguire il superamento della soglia e commutare più volte (Figura 2).

Figura 2: Il rumore sull'ingresso del segnale può causare la commutazione dell'uscita del comparatore più volte, poiché il rumore porta ripetutamente l'ingresso sopra e sotto la soglia. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Una soluzione alla commutazione indesiderata dell'uscita consiste nell'aggiunta di isteresi di ampiezza al circuito di comparazione. L'isteresi fa sì che l'uscita del comparatore mantenga il suo stato dopo il superamento di una soglia fino a quando l'ampiezza dell'ingresso non cambia di una quantità fissa. Ciò avviene applicando una retroazione positiva dall'uscita all'ingresso del comparatore che sposta il valore di soglia di un piccolo incremento (Figura 3).

Figura 3: L'isteresi applica una retroazione positiva all'ingresso di riferimento per spostare la soglia di un incremento fisso. In quanto tali, le piccole variazioni di ampiezza sul segnale di ingresso non possono modificare l'uscita. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il resistore R3 alimenta l'uscita all'ingresso di riferimento, spostando il livello di riferimento di una piccola quantità determinata dai valori dei resistori R1, R2 e R3. Per i valori dati, ciò comporta un'isteresi di 400 mV, modificando la soglia in modo che lo stato dell'uscita non cambi fino a quando l'ingresso non supera l'ampiezza dell'isteresi. Il risultato è che l'uscita effettua una singola transizione al superamento della soglia.

Alcune note sul circuito utilizzato rispetto al circuito della Figura 1. In primo luogo, gli ingressi invertenti e non invertenti sono stati scambiati, invertendo la logica di uscita. L'uscita è un logico alto quando il segnale è al di sotto della soglia. Questa caratteristica viene utilizzata nei circuiti che rilevano quando un valore si trova entro o fuori un intervallo. TLV3201 funziona con un singolo alimentatore da 5 V, non con il doppio alimentatore da 2,5 V utilizzato nella Figura 1. Per questo motivo, la tensione di riferimento è derivata da un divisore di tensione R1 e R2 per essere a 2,5 V, cioè la tensione di modo comune per l'ingresso. Anche il segnale di ingresso è polarizzato su questa tensione di modo comune. L'onda triangolare ha un'ampiezza di picco di 2 V su un livello di polarizzazione di 2,5 V. Questa configurazione di circuito è un'alternativa comune.

Rilevamento di un valore entro o fuori in intervallo

Un singolo comparatore di tensione può rilevare se una tensione in ingresso è superiore o inferiore a un valore di soglia di riferimento. Per determinare se una tensione di ingresso è compresa tra due limiti (windowing), sono necessari due comparatori, uno per ciascun limite (Figura 4).

Figura 4: Una configurazione di un circuito per la finestra di comparazione utilizza un doppio comparatore di tensione per determinare se l'ingresso è all'interno di due livelli di tensione, V_L e V_H. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Il circuito mostrato utilizza un comparatore a doppia tensione TLV6710DDDCR di Texas Instruments. TLV6710 comprende due comparatori ad alta precisione destinati ad applicazioni ad alta tensione. Le tensioni di alimentazione possono essere comprese tra 1,8 e 36 V. Include una sorgente di riferimento c.c. interna a 400 mV. Le uscite del comparatore sono connessioni a drain aperto con possibilità di "ORed" logico se collegate attraverso un comune resistore di pull-up, come mostrato in figura. I comparatori sono cablati in modo che la tensione di riferimento sia applicata all'ingresso invertente su uno (A) e all'ingresso non invertente sull'altro (B). L'ingresso viene applicato attraverso il divisore di tensione costituito dai resistori R1, R2 e R3 che imposta le tensioni di soglia di 3,3 V per il limite inferiore e di 4,1 V per il limite superiore. L'uscita del comparatore è nello stato alto (3,3 V) quando l'ingresso, V_MON, è all'interno della finestra. Il comparatore A indica quando la tensione di ingresso è inferiore a 4,1 V e il comparatore B indica quando l'ingresso è superiore a 3,3 V. Si noti che entrambi i comparatori di TLV6710 hanno un'isteresi di tensione interna nominale di 5,5 mV per aiutare a respingere il rumore.

Il ritardo di propagazione di questo comparatore è tipicamente di 9,9 µs per una transizione alto-basso e di 28,1 µs per una transizione basso-alto. Questa differenza è dovuta alla configurazione dell'uscita a drain aperto. La transizione alto-basso è un pull-down attivo da parte del FET di uscita, mentre la transizione basso-alto è un pull-up passivo attraverso un resistore, che richiede più tempo. Questo comparatore è destinato ad applicazioni di monitoraggio della tensione che non richiedono un ritardo di propagazione estremamente basso.

Applicazione del windowing

Il windowing può essere utilizzato nella robotica per controllare il senso di marcia di un robot utilizzando la luce e due fotocellule CDS. Ad esempio, le fotocellule al solfuro di cadmio (CDS) cambiano di resistenza in risposta all'illuminazione, dato che hanno una resistenza maggiore in caso di oscurità e una resistenza molto più bassa quando sono illuminate. Una simulazione TINA-TI illustra questo principio utilizzando un doppio comparatore LM393BIPWR di Texas Instruments (Figura 5).

Figura 5: Simulazione di un circuito per il controllo dello sterzo robotico con due motori di controllo sinistro e destro. Quando si applicano 5 V, i motori si avviano a marcia avanti, quando si applicano 0 V vanno in retromarcia. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il comparatore LM393B è un comparatore doppio con uscite a collettore aperto che può funzionare con tensioni di alimentazione da 3 a 36 V. In questo circuito ogni sezione fornisce un segnale di controllo del motore per ciascuno dei due motori designati come azionamento sinistro o destro.

Per modellare le due fotocellule CDS viene utilizzato un potenziometro. Un'impostazione del potenziometro da 0% a 40% rappresenta la fotocellula destra illuminata e la fotocellula sinistra al buio. Le impostazioni dal 60% al 100% significano che la luce si trova principalmente sulla fotocellula sinistra, mentre la fotocellula destra è al buio. Dal 40% al 60% entrambe le fotocellule sono illuminate. Quando il segnale di controllo del motore a uno dei due motori è a +5 V, il motore gira in direzione di marcia avanti. Se il segnale di controllo del motore è a 0 V il motore gira in retromarcia.

Quando entrambe le fotocellule sono ugualmente illuminate, entrambi i motori girano in avanti, facendo avanzare il robot. Quando il potenziometro è tra lo 0% e il 40%, il motore sinistro gira in avanti e il motore destro gira in retromarcia, guidando il robot verso destra. Nella regione dal 60% al 100% il motore destro gira in avanti, il motore sinistro è in retromarcia e il robot gira a sinistra.

I livelli di riferimento del comparatore sono derivati da un divisore di tensione e sono impostati a 2 V (40% sul potenziometro) per il regolatore destro e a 3 V (60% sul potenziometro) per il regolatore sinistro.

Oscillatore di rilassamento

Utilizzando sia la retroazione positiva che quella negativa, un comparatore può essere configurato come un oscillatore di rilassamento (Figura 6).

Figura 6: Aggiungendo un condensatore a uno degli ingressi e applicando una retroazione a quel condensatore si crea un oscillatore di rilassamento. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Si può creare un oscillatore di rilassamento (chiamato anche multivibratore astabile) con un'uscita a onda quadra usando il circuito mostrato in Figura 6. La frequenza di oscillazione è determinata dalla costante di tempo resistore-condensatore di R1 e C1. Con C1 inizialmente scaricato (0 V) la tensione di ingresso invertente è inferiore alla tensione di riferimento sull'ingresso non invertente. L'uscita è forzata a 5 V. Il condensatore C1 viene caricato tramite R1 fino alla tensione di riferimento, quando l'uscita scende a 0 V. C1 viene scaricato attraverso R1 fino a quando non scende al di sotto della tensione di riferimento e il ciclo si ripete. Alla tensione di riferimento è stata aggiunta una retroazione di isteresi (positiva). Quando l'uscita è a 0 V il riferimento è di 2,5 V. Quando l'uscita è di 5 V, la tensione di riferimento aumenta di circa 1,7 V, a 4,2 V. La risposta ai transitori, nel grafico, mostra sia la forma d'onda della tensione di uscita (Vo) sia quella del condensatore (Vc).

La frequenza massima di oscillazione è limitata dal ritardo di propagazione del comparatore. In questo caso, viene utilizzato TLV3201 di Texas Instruments con un ritardo di propagazione di 40 ns per creare un oscillatore a 10 MHz. Questa frequenza è abbastanza vicina al valore massimo per questo comparatore.

Recupero e ripristino del clock

I segnali di clock trasmessi attraverso backplane e cavi subiscono un degrado causato da limitazioni della larghezza di banda, interferenze intersimboliche (ISI), rumore, riflessioni e diafonia. I comparatori possono essere usati per recuperare i segnali di clock e riportarli a una forma definita più chiaramente (Figura 7).

Figura 7: Un comparatore con un ritardo di propagazione di 7 ns con isteresi interna viene utilizzato per ripristinare un clock a 20 MHz. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

In questo tipo di applicazione, il ritardo di propagazione è più critico. La frequenza massima che un comparatore può tracciare è una funzione dei ritardi di propagazione e dei tempi di transizione dell'uscita:

Equazione 1

Dove: f_MAX è la frequenza massima di commutazione

t_Rise è il tempo di salita dell'uscita

t_Fall è il tempo di caduta dell'uscita

t_{PD LH} è il ritardo di propagazione da basso ad alto

t_{PD HL} è il ritardo di propagazione da alto a basso

LMV7219M5X-NOPB di Texas Instruments funziona con un'alimentazione a 5 V e ha un tempo di salita di 1,3 ns, un tempo di discesa di 1,25 ns e un tipico ritardo di propagazione di 7 ns in entrambe le direzioni di transizione. In questo modo si ottiene una frequenza massima di commutazione di 60,4 MHz. Anche con un'alimentazione a 2,7 V e un ritardo di propagazione e tempi di transizione più lunghi, la commutazione massima per questo comparatore è di circa 35 MHz, più che sufficiente per questo clock da 20 MHz.

Oltre a un ritardo di propagazione molto basso, LMV7219 incorpora uno stadio di uscita push-pull rail-to-rail che si traduce in tempi di salita e discesa brevi e uniformi. Ha anche un'isteresi interna di 7,5 mV per minimizzare gli effetti del rumore.

Conclusione

Il comparatore di tensione, che fa da ponte tra il mondo analogico e quello digitale, è uno strumento particolarmente utile, sia per i livelli di segnale e il windowing per IIoT, IA o ML sull'edge, sia per il rilevamento di valori nulli, il recupero del clock o come oscillatore.