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Comparador

Comparador dual LM393, un chip de circuito integrado comparador común , mostrado en una placa de circuito impreso. En electrónica , un comparador es un dispositivo que compara d...

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Comparador dual LM393, un chip de circuito integrado comparador común , mostrado en una placa de circuito impreso.

En electrónica , un comparador es un dispositivo que compara dos voltajes o corrientes y genera una señal digital que indica cuál es mayor. Tiene dos terminales de entrada analógica.V+{\displaystyle V_{+}}yV−{\displaystyle V_{-}}y una salida digital binariaVo{\displaystyle V_{\text{o}}}. El resultado idealmente es

Vo={1,si V+>V−,0,si V+<V−.{\displaystyle V_{\text{o}}={\begin{cases}1,&{\text{si }}V_{+}>V_{-},\\0,&{\text{si }}V_{+}<V_{-}.\end{cases}}}

Un comparador consta de un amplificador diferencial especializado de alta ganancia . Se utilizan comúnmente en dispositivos que miden y digitalizan señales analógicas , como convertidores analógico-digitales (ADC), así como osciladores de relajación .

Voltaje diferencial

Ilustración de cómo funciona un comparador.

Los voltajes diferenciales deben mantenerse dentro de los límites especificados por el fabricante. Los primeros comparadores integrados, como la familia LM111, y ciertos comparadores de alta velocidad como la familia LM119, requieren rangos de voltaje diferencial sustancialmente más bajos que los voltajes de la fuente de alimentación (±15  V frente a 36  V). [ 1 ] Los comparadores de riel a riel permiten cualquier voltaje diferencial dentro del rango de la fuente de alimentación. Cuando se alimentan desde una fuente de alimentación bipolar (de doble riel),

VS−≤V+,V−≤VS+,{\displaystyle V_{S-}\leq V_{+},V_{-}\leq V_{S+},}

o cuando se alimenta desde una fuente de alimentación TTL / CMOS unipolar ,

0≤V+,V−≤Vcc{\displaystyle 0\leq V_{+},V_{-}\leq V_{\text{cc}}}.

Los comparadores específicos de riel a riel con transistores de entrada p-n-p , como la familia LM139, permiten que el potencial de entrada caiga 0,3  voltios por debajo del riel de alimentación negativo, pero no permiten que suba por encima del riel positivo. [ 2 ] Los comparadores ultrarrápidos específicos, como el LMH7322, permiten que la señal de entrada oscile por debajo del riel negativo y por encima del riel positivo, aunque por un margen estrecho de solo 0,2  V. [ 3 ] El voltaje de entrada diferencial (el voltaje entre dos entradas) de un comparador moderno de riel a riel generalmente está limitado solo por la oscilación completa de la fuente de alimentación.

Comparador de voltaje con amplificador operacional

Un comparador simple con amplificador operacional

Un amplificador operacional (op-amp) tiene una entrada diferencial bien equilibrada y una ganancia muy alta . Esto se asemeja a las características de los comparadores y puede sustituirlos en aplicaciones con requisitos de bajo rendimiento. [ 4 ]

Un circuito comparador compara dos voltajes y genera un 1 (el voltaje en el lado positivo) o un 0 (el voltaje en el lado negativo) para indicar cuál es mayor. Los comparadores se utilizan a menudo, por ejemplo, para comprobar si una entrada ha alcanzado un valor predeterminado. En la mayoría de los casos, un comparador se implementa mediante un circuito integrado específico, pero también se pueden usar amplificadores operacionales. Los diagramas de comparadores y de amplificadores operacionales utilizan los mismos símbolos. [ 5 ]

Un circuito comparador simple, construido con un amplificador operacional sin retroalimentación, simplemente amplifica considerablemente la diferencia de voltaje entre Vin y VREF y genera como salida Vout. Si Vin es mayor que VREF, el voltaje en Vout aumentará hasta su nivel de saturación positiva; es decir, hasta el voltaje en el lado positivo. Si Vin es menor que VREF, Vout disminuirá hasta su nivel de saturación negativa, igual al voltaje en el lado negativo. [ 5 ]

En la práctica, este circuito se puede mejorar incorporando un rango de voltaje de histéresis para reducir su sensibilidad al ruido. [ 5 ]

Debido a la diferencia en las características de un amplificador operacional y un comparador, el uso de un amplificador operacional como comparador presenta varias desventajas en comparación con el uso de un comparador dedicado. [ 6 ]

  1. Los amplificadores operacionales están diseñados para funcionar en modo lineal con retroalimentación negativa. Por lo tanto, un amplificador operacional suele tener un tiempo de recuperación prolongado tras la saturación. Casi todos los amplificadores operacionales incorporan un condensador de compensación interno que limita la velocidad de respuesta para señales de alta frecuencia. En consecuencia, un amplificador operacional se comporta como un comparador impreciso, con retardos de propagación que pueden alcanzar decenas de microsegundos.
  2. Dado que los amplificadores operacionales no tienen histéresis interna, siempre es necesaria una red de histéresis externa para señales de entrada de variación lenta.
  3. La especificación de corriente de reposo de un amplificador operacional solo es válida cuando la retroalimentación está activa. Algunos amplificadores operacionales muestran una corriente de reposo mayor cuando las entradas no son iguales.
  4. Un comparador está diseñado para producir voltajes de salida bien definidos que se integran fácilmente con la lógica digital. Es necesario verificar la compatibilidad con la lógica digital al usar un amplificador operacional como comparador.
  5. Algunos amplificadores operacionales de múltiples secciones pueden presentar una interacción extrema entre canales cuando se utilizan como comparadores.
  6. Muchos amplificadores operacionales tienen diodos conectados en serie entre sus entradas. Las entradas de los amplificadores operacionales suelen estar en serie, por lo que esto no supone ningún problema. Sin embargo, las entradas de los comparadores no suelen ser idénticas. Los diodos pueden provocar corrientes inesperadas en las entradas.

Diseño

Un comparador consta de un amplificador diferencial de alta ganancia cuya salida es compatible con las compuertas lógicas utilizadas en el circuito digital. La ganancia es lo suficientemente alta como para que una diferencia muy pequeña entre los voltajes de entrada sature la salida, la cual se encontrará en la banda de voltaje lógico bajo o en la banda de voltaje lógico alto de la entrada de la compuerta. Se han utilizado amplificadores operacionales analógicos como comparadores; sin embargo, un chip comparador dedicado generalmente será más rápido que un amplificador operacional de propósito general utilizado como comparador, y también puede incluir características adicionales como un voltaje de referencia interno preciso, histéresis ajustable y una entrada controlada por reloj. [ 7 ]

Un chip comparador de voltaje dedicado, como el LM339, está diseñado para interactuar con una interfaz lógica digital (a una TTL o CMOS ). La salida es un estado binario que se usa frecuentemente para conectar señales del mundo real a circuitos digitales (véase convertidor analógico-digital ). Si existe una fuente de voltaje fija, por ejemplo, de un dispositivo ajustable en CC en la ruta de la señal, un comparador es simplemente el equivalente a una cascada de amplificadores. Cuando los voltajes son casi iguales, el voltaje de salida no caerá en uno de los niveles lógicos, por lo que las señales analógicas entrarán en el dominio digital con resultados impredecibles. Para minimizar este rango, la cascada de amplificadores tiene una alta ganancia. El circuito consta principalmente de transistores bipolares . Para frecuencias muy altas, la impedancia de entrada de las etapas es baja. Esto reduce la saturación de los transistores bipolares de unión p-n grandes y lentos, que de otro modo provocarían largos tiempos de recuperación. Los diodos Schottky pequeños y rápidos , como los que se encuentran en los diseños de lógica binaria, mejoran significativamente el rendimiento, aunque este sigue siendo inferior al de los circuitos con amplificadores que utilizan señales analógicas. La velocidad de cambio no tiene sentido para estos dispositivos. Para aplicaciones en ADC flash, la señal distribuida a través de ocho puertos coincide con la ganancia de voltaje y corriente después de cada amplificador, y las resistencias se comportan entonces como desplazadores de nivel. [ 7 ]

Salida de colector abierto

Algunos comparadores (por ejemplo, el LM339) utilizan una salida de colector abierto para facilitar la interfaz con diferentes familias lógicas. Cuando la entrada inversora tiene un voltaje mayor que la entrada no inversora, la salida del comparador se conecta a la fuente de alimentación negativa. Cuando la entrada no inversora tiene un voltaje mayor que la entrada inversora, la salida presenta alta impedancia , por lo que el voltaje de salida en este estado puede ajustarse a una fuente de alimentación diferente mediante una resistencia pull-up externa .

Especificaciones clave

Si bien es fácil comprender la función básica de un comparador, que consiste en comparar dos voltajes o corrientes, se deben considerar varios parámetros al seleccionar un comparador adecuado:

Potencia y velocidad

Si bien en general los comparadores son "rápidos", sus circuitos no son inmunes a la clásica relación velocidad-potencia. Los comparadores de alta velocidad utilizan transistores con relaciones de aspecto mayores y, por lo tanto, también consumen más energía. [ 8 ] Dependiendo de la aplicación, seleccione un comparador de alta velocidad o uno que ahorre energía. Por ejemplo, los comparadores de nanopotencia en paquetes de escala de chip que ahorran espacio ( UCSP ), DFN o SC70 como MAX9027, [ 9 ] LTC1540, [ 10 ] LPV7215, [ 11 ] MAX9060, [ 12 ] y MCP6541, [ 13 ] son ​​ideales para aplicaciones portátiles de ultrabajo consumo. Del mismo modo, si se necesita un comparador para implementar un circuito oscilador de relajación para crear una señal de reloj de alta velocidad, entonces los comparadores con un retardo de propagación de pocos nanosegundos pueden ser adecuados. ADCMP572 (salida CML), [ 14 ] LMH7220 (salida LVDS), [ 15 ] MAX999 (salida CMOS / salida TTL), [ 16 ] LT1719 (salida CMOS / salida TTL), [ 17 ] MAX9010 (salida TTL), [ 18 ] y MAX9601 (salida PECL), [ 19 ] son ​​ejemplos de algunos buenos comparadores de alta velocidad.

Histéresis

Un comparador normalmente cambia su estado de salida cuando la tensión entre sus entradas cruza aproximadamente cero voltios. Pequeñas fluctuaciones de tensión debidas al ruido, siempre presente en las entradas, pueden causar cambios rápidos e indeseables entre los dos estados de salida cuando la diferencia de tensión de entrada está cerca de cero voltios. Para evitar esta oscilación de salida, muchos comparadores modernos integran una pequeña histéresis de unos pocos milivoltios. [ 20 ] Por ejemplo, el LTC6702, [ 21 ] el MAX9021, [ 22 ] y el MAX9031, [ 23 ] tienen una histéresis interna que los desensibiliza al ruido de entrada. En lugar de un punto de conmutación, la histéresis introduce dos: uno para tensiones ascendentes y otro para tensiones descendentes. La diferencia entre el valor de disparo de nivel superior (VTRIP+) y el valor de disparo de nivel inferior (VTRIP-) es igual a la tensión de histéresis (VHYST).

Si el comparador no tiene histéresis interna o si el ruido de entrada es mayor que la histéresis interna, se puede construir una red de histéresis externa utilizando retroalimentación positiva desde la salida a la entrada no inversora del comparador. El circuito disparador Schmitt resultante proporciona inmunidad adicional al ruido y una señal de salida más limpia. Algunos comparadores como LMP7300, [ 24 ] LTC1540, [ 10 ] MAX931, [ 25 ] MAX971, [ 26 ] y ADCMP341, [ 27 ] también proporcionan el control de histéresis a través de un pin de histéresis independiente. Estos comparadores permiten agregar una histéresis programable sin retroalimentación ni ecuaciones complicadas. El uso de un pin de histéresis dedicado también es conveniente si la impedancia de la fuente es alta, ya que las entradas están aisladas de la red de histéresis. [ 28 ] Cuando se agrega histéresis, un comparador no puede resolver señales dentro de la banda de histéresis.

Tipo de salida

Un comparador sincronizado CMOS de bajo consumo

Debido a que los comparadores solo tienen dos estados de salida, sus salidas están cerca de cero o cerca de la tensión de alimentación. Los comparadores bipolares de riel a riel tienen una salida de emisor común que produce una pequeña caída de tensión entre la salida y cada riel. Esa caída es igual a la tensión colector-emisor de un transistor saturado. Cuando las corrientes de salida son bajas, las tensiones de salida de los comparadores CMOS de riel a riel, que dependen de un MOSFET saturado , se aproximan más a las tensiones de riel que sus contrapartes bipolares. [ 29 ]

Según sus salidas, los comparadores también se pueden clasificar como de drenaje abierto o de tipo push-pull . Los comparadores con una etapa de salida de drenaje abierto utilizan una resistencia pull-up externa conectada a una fuente de alimentación positiva que define el nivel lógico alto. Los comparadores de drenaje abierto son más adecuados para el diseño de sistemas de voltaje mixto. Dado que la salida tiene una alta impedancia para el nivel lógico alto, los comparadores de drenaje abierto también se pueden usar para conectar varios comparadores a un solo bus. La salida push-pull no necesita una resistencia pull-up y también puede suministrar corriente, a diferencia de una salida de drenaje abierto. [ 30 ]

Referencia interna

La aplicación más frecuente para los comparadores es la comparación entre un voltaje y una referencia estable. El TL431 se usa ampliamente para este propósito. La mayoría de los fabricantes de comparadores también ofrecen comparadores en los que se integra un voltaje de referencia en el chip. Combinar la referencia y el comparador en un solo chip no solo ahorra espacio, sino que también consume menos corriente de alimentación que un comparador con una referencia externa. [ 29 ] Hay disponibles circuitos integrados con un amplio rango de referencias, como MAX9062 (referencia de 200 mV), [ 12 ] LT6700 (referencia de 400 mV), [ 31 ] ADCMP350 (  referencia de 600 mV), [ 32 ] MAX9025 (  referencia de 1,236 V), [ 9 ] MAX9040 (  referencia de 2,048 V), [ 33 ] TLV3012 (  referencia de 1,24 V), [ 34 ] y TSM109 (  referencia de 2,5 V). [ 35 ]

Continuo versus cronometrado

Un comparador continuo emitirá un "1" o un "0" cada vez que se aplique una señal alta o baja a su entrada, y cambiará rápidamente cuando se actualicen las entradas. Sin embargo, muchas aplicaciones solo requieren salidas del comparador en ciertos momentos, como en convertidores A/D y memorias. Al activar un comparador solo a intervalos específicos, se puede lograr mayor precisión y menor consumo de energía con una estructura de comparador síncrono (o dinámico), también llamado comparador con enclavamiento. A menudo, los comparadores con enclavamiento emplean una fuerte retroalimentación positiva para una "fase de regeneración" cuando el reloj está en alto, y tienen una "fase de reinicio" cuando el reloj está en bajo. [ 36 ] Esto contrasta con un comparador continuo, que solo puede emplear una retroalimentación positiva débil ya que no hay un período de reinicio.

Aplicaciones

Un comparador de calibración de precisión

Detectores nulos

Un detector de nulo identifica cuándo un valor dado es cero. Los comparadores son ideales para mediciones de comparación de detección de nulo, ya que son equivalentes a un amplificador de muy alta ganancia con entradas bien balanceadas y límites de salida controlados. El circuito del detector de nulo compara dos voltajes de entrada: un voltaje desconocido y un voltaje de referencia, generalmente denominados v u y v r . El voltaje de referencia suele estar en la entrada no inversora (+), mientras que el voltaje desconocido suele estar en la entrada inversora ( − ). (Un diagrama de circuito mostraría las entradas según su signo con respecto a la salida cuando una entrada particular es mayor que la otra). A menos que las entradas sean casi iguales (ver más abajo), la salida es positiva o negativa, por ejemplo, ±12  V. En el caso de un detector de nulo, el objetivo es detectar cuándo los voltajes de entrada son casi iguales, lo que proporciona el valor del voltaje desconocido, ya que se conoce el voltaje de referencia. [ 37 ]

Al usar un comparador como detector de nulo, la precisión es limitada; se obtiene una salida de cero siempre que la magnitud de la diferencia de voltaje multiplicada por la ganancia del amplificador esté dentro de los límites de voltaje. Por ejemplo, si la ganancia es 10⁶ y los límites de voltaje son ±6  V, se obtendrá una salida de cero si la diferencia de voltaje es menor que 6  μV. Esto podría denominarse incertidumbre fundamental en la medición. [ 38 ]

Detectores de cruce por cero

Para este tipo de detector, un comparador detecta cada vez que un pulso de CA cambia de polaridad. La salida del comparador cambia de estado cada vez que el pulso cambia de polaridad; es decir, la salida es HI (alta) para un pulso positivo y LO (baja) para un pulso negativo que eleva al cuadrado la señal de entrada. [ 39 ]

oscilador de relajación

Se puede utilizar un comparador para construir un oscilador de relajación . Este utiliza retroalimentación positiva y negativa. La retroalimentación positiva es una configuración de disparador Schmitt . Por sí solo, el disparador es un multivibrador biestable . Sin embargo, la retroalimentación negativa lenta añadida al disparador mediante el circuito RC provoca que el circuito oscile automáticamente. Es decir, la adición del circuito RC convierte el multivibrador biestable histerético en un multivibrador astable . [ 40 ]

cambiador de nivel

National Semiconductor LM393

Este circuito requiere únicamente un comparador con salida de drenaje abierto como el LM393, [ 41 ] TLV3011, [ 42 ] o MAX9028. [ 9 ] El circuito ofrece gran flexibilidad para elegir los voltajes a traducir mediante el uso de un voltaje de polarización adecuado. También permite la traducción de  lógica bipolar de ±5 V a  lógica unipolar de 3 V mediante el uso de un comparador como el MAX972. [ 26 ] [ 29 ]

Convertidores analógico-digitales

Cuando se utiliza un comparador de voltaje para determinar si un voltaje de entrada está por encima o por debajo de un umbral específico (conocido como voltaje umbral [ 43 ] ), esencialmente realiza una cuantización de un bit . Esta función se utiliza en casi todos los tipos de convertidores analógico-digitales (incluidos los de tipo flash , aproximación sucesiva , modulación delta-sigma y doble pendiente ) en combinación con otros circuitos para lograr una cuantización de múltiples bits. [ 44 ]

Detectores de ventanas

Los comparadores también pueden utilizarse como detectores de ventana. En un detector de ventana , un comparador se utiliza para comparar dos voltajes y determinar si un voltaje de entrada dado está por debajo o por encima del valor nominal.

Detectores de valor absoluto

Los comparadores pueden utilizarse para crear detectores de valor absoluto. En un detector de valor absoluto, se utilizan dos comparadores y una puerta lógica digital para comparar los valores absolutos de dos voltajes. [ 45 ]

Véase también

Referencias

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  • Página de referencia del comparador de circuitos integrados en http://circuitous.ca
  • Una herramienta de búsqueda de valores de resistencia basada en Java para analizar un circuito comparador inversor con histéresis.