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En electrónica , un comparador es un dispositivo que compara dos voltajes o corrientes y emite una señal digital que indica cuál es mayor. Tiene dos terminales de entrada analógica y una salida digital binaria . La salida es ideal
Un comparador consiste en un amplificador diferencial especializado de alta ganancia . Se utilizan comúnmente en dispositivos que miden y digitalizan señales analógicas, como los convertidores analógico-digitales (ADC), así como los osciladores de relajación .
Los voltajes diferenciales deben permanecer 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 inferiores a 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 bipolar (riel doble),
o cuando se alimenta desde una fuente de alimentación TTL / CMOS unipolar ,
Los comparadores riel a riel específicos 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 aumente 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 riel a riel moderno generalmente está limitado solo por la oscilación completa de la fuente de alimentación.
Un amplificador operacional (op-amp) tiene una entrada diferencial bien balanceada y una ganancia muy alta . Esto es similar a las características de los comparadores y puede sustituirse 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 utilizando un CI comparador dedicado, pero se pueden utilizar amplificadores operacionales como alternativa. Los diagramas de comparadores y de amplificadores operacionales utilizan los mismos símbolos.
Un circuito comparador simple realizado con un amplificador operacional sin retroalimentación simplemente amplifica fuertemente la diferencia de voltaje entre Vin y VREF y genera el resultado como Vout. Si Vin es mayor que VREF, entonces el voltaje en Vout aumentará hasta su nivel de saturación positivo; es decir, hasta el voltaje en el lado positivo. Si Vin es menor que VREF, entonces Vout caerá hasta su nivel de saturación negativo, igual al voltaje en el lado negativo.
En la práctica, este circuito se puede mejorar incorporando un rango de voltaje de histéresis para reducir su sensibilidad al ruido.
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. [5]
Un comparador consiste en un amplificador diferencial de alta ganancia cuya salida es compatible con las puertas 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; el voltaje de salida estará en la banda de voltaje lógico bajo o en la banda de voltaje lógico alto de la entrada de la puerta. Los amplificadores operacionales analógicos se han utilizado 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 contener características adicionales como un voltaje de referencia interno preciso, histéresis ajustable y una entrada con compuerta de reloj.
Un chip comparador de voltaje dedicado como el LM339 está diseñado para interactuar con una interfaz lógica digital (a un TTL o un CMOS ). La salida es un estado binario que se usa a menudo para interconectar señales del mundo real con circuitos digitales (ver convertidor analógico a digital ). Si hay una fuente de voltaje fija, por ejemplo, de un dispositivo ajustable de 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 ingresarán al dominio digital con resultados impredecibles. Para hacer que este rango sea lo más pequeño posible, la cascada del amplificador es de 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 lo contrario conducirían a tiempos de recuperación prolongados. Los diodos Schottky pequeños y rápidos , como los que se encuentran en los diseños de lógica binaria, mejoran el rendimiento significativamente, aunque el rendimiento aún está por detrás del de los circuitos con amplificadores que usan señales analógicas. La velocidad de respuesta no tiene importancia para estos dispositivos. Para aplicaciones en convertidores analógico-digitales 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 cambiadores de nivel.
Algunos comparadores (por ejemplo, LM339) utilizan una salida de colector abierto para facilitar la interconexión con diferentes familias lógicas. Cuando la entrada inversora tiene un voltaje más alto 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 más alto que la entrada inversora, la salida es de alta impedancia , por lo que el voltaje de salida en este estado se puede configurar mediante una resistencia pull-up externa a un suministro de voltaje diferente.
Si bien es fácil comprender la tarea básica de un comparador, es decir, comparar dos voltajes o corrientes, se deben considerar varios parámetros al seleccionar un comparador adecuado:
Aunque en general los comparadores son "rápidos", sus circuitos no son inmunes al clásico equilibrio entre velocidad y potencia. Los comparadores de alta velocidad utilizan transistores con relaciones de aspecto mayores y, por lo tanto, también consumen más energía. [6] Dependiendo de la aplicación, seleccione un comparador de alta velocidad o uno que ahorre energía. Por ejemplo, los comparadores con nanopotencia en paquetes a escala de chip que ahorran espacio (UCSP), paquetes DFN o SC70 como MAX9027, [7] LTC1540, [8 ] LPV7215, [9] MAX9060, [10] y MCP6541, [11] son ideales para aplicaciones portátiles de potencia ultrabaja. 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 que tienen unos pocos nanosegundos de retardo de propagación pueden ser adecuados. ADCMP572 (salida CML), [12] LMH7220 (salida LVDS), [13] MAX999 (salida CMOS / salida TTL), [14] LT1719 (salida CMOS / salida TTL), [15] MAX9010 (salida TTL), [16] y MAX9601 (salida PECL), [17] son ejemplos de algunos buenos comparadores de alta velocidad.
Un comparador normalmente cambia su estado de salida cuando el voltaje entre sus entradas cruza aproximadamente cero voltios. Pequeñas fluctuaciones de voltaje debido al ruido, siempre presente en las entradas, pueden causar cambios rápidos indeseables entre los dos estados de salida cuando la diferencia de voltaje de entrada es cercana a cero voltios. Para evitar esta oscilación de salida, se integra una pequeña histéresis de unos pocos milivoltios en muchos comparadores modernos. [18] Por ejemplo, el LTC6702, [19] MAX9021, [20] y MAX9031, [21] tienen histéresis interna que los desensibiliza del ruido de entrada. En lugar de un punto de conmutación, la histéresis introduce dos: uno para voltajes ascendentes y otro para voltajes descendentes. La diferencia entre el valor de disparo de nivel superior (VTRIP+) y el valor de disparo de nivel inferior (VTRIP-) es igual al voltaje 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 de disparo Schmitt resultante proporciona inmunidad al ruido adicional y una señal de salida más limpia. Algunos comparadores como LMP7300, [22] LTC1540, [8] MAX931, [23] MAX971, [24] y ADCMP341, [25] también proporcionan el control de histéresis a través de un pin de histéresis separado. 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. [26] Cuando se agrega histéresis, un comparador no puede resolver señales dentro de la banda de histéresis.
Como los comparadores tienen solo dos estados de salida, sus salidas están cerca de cero o cerca del voltaje de suministro. Los comparadores bipolares de riel a riel tienen una salida de emisor común que produce una pequeña caída de voltaje entre la salida y cada riel. Esa caída es igual al voltaje de colector a emisor de un transistor saturado. Cuando las corrientes de salida son bajas, los voltajes de salida de los comparadores CMOS de riel a riel, que dependen de un MOSFET saturado, se acercan más a los voltajes de riel que sus contrapartes bipolares. [27]
En función de las salidas, los comparadores también se pueden clasificar como de drenaje abierto o push-pull . Los comparadores con una etapa de salida de drenaje abierto utilizan una resistencia pull-up externa a una fuente positiva que define el nivel alto lógico. Los comparadores de drenaje abierto son más adecuados para el diseño de sistemas de voltaje mixto. Dado que la salida tiene alta impedancia para el nivel alto lógico, los comparadores de drenaje abierto también se pueden utilizar para conectar múltiples comparadores a un solo bus. La salida push-pull no necesita una resistencia pull-up y también puede generar corriente, a diferencia de una salida de drenaje abierto.
La aplicación más frecuente de los comparadores es la comparación entre una tensión y una referencia estable. El TL431 se utiliza ampliamente para este propósito. La mayoría de los fabricantes de comparadores también ofrecen comparadores en los que se integra una tensión de referencia en el chip. La combinación de la referencia y el comparador en un chip no solo ahorra espacio, sino que también consume menos corriente de alimentación que un comparador con una referencia externa. [27] Hay circuitos integrados disponibles con una amplia gama de referencias, como MAX9062 (referencia de 200 mV), [10] LT6700 (referencia de 400 mV), [28] ADCMP350 (referencia de 600 mV), [29] MAX9025 (referencia de 1,236 V), [7] MAX9040 (referencia de 2,048 V), [30] TLV3012 (referencia de 1,24 V), [31] y TSM109 (referencia de 2,5 V). [32]
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 de comparador en ciertas instancias, como en los convertidores A/D y la memoria. Al hacer funcionar un comparador solo en ciertos intervalos, se puede lograr una mayor precisión y un menor consumo de energía con una estructura de comparador sincronizada (o dinámica), también llamada comparador enclavado. A menudo, los comparadores enclavados emplean una fuerte retroalimentación positiva para una "fase de regeneración" cuando un reloj es alto, y tienen una "fase de reinicio" cuando el reloj es bajo. [33] Esto contrasta con un comparador continuo, que solo puede emplear una retroalimentación positiva débil ya que no hay un período de reinicio.
Un detector nulo identifica cuando un valor dado es cero. Los comparadores son ideales para mediciones de comparación de detección nula, ya que son equivalentes a un amplificador de ganancia muy alta con entradas bien balanceadas y límites de salida controlados. El circuito del detector 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 generalmente está en la entrada no inversora (+), mientras que el voltaje desconocido generalmente está en la entrada inversora (−). (Un diagrama de circuito mostraría las entradas de acuerdo con 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 a continuación), la salida es positiva o negativa, por ejemplo ±12 V. En el caso de un detector nulo, el objetivo es detectar cuándo los voltajes de entrada son casi iguales, lo que da el valor del voltaje desconocido ya que se conoce el voltaje de referencia.
Cuando se utiliza un comparador como detector nulo, la precisión es limitada; se obtiene un resultado 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 10 6 y los límites de voltaje son ±6 V, se obtendrá un resultado de cero si la diferencia de voltaje es menor a 6 μV. Esto podría considerarse una incertidumbre fundamental en la medición. [34]
Para este tipo de detector, un comparador detecta cada vez que un pulso de corriente alterna cambia de polaridad. La salida del comparador cambia de estado cada vez que el pulso cambia su polaridad, es decir, la salida es HI (alta) para un pulso positivo y LO (baja) para un pulso negativo elevando al cuadrado la señal de entrada. [35]
Se puede utilizar un comparador para construir un oscilador de relajación . Utiliza tanto retroalimentación positiva como 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 agregada al disparador por el circuito RC hace que el circuito oscile automáticamente. Es decir, la adición del circuito RC convierte al multivibrador biestable histerético en un multivibrador astable . [36]
Este circuito requiere solamente un único comparador con una salida de drenaje abierto como en el LM393, [37] TLV3011, [38] o MAX9028. [7] El circuito proporciona una gran flexibilidad a la hora de elegir los voltajes que se van a traducir utilizando un voltaje pull up adecuado. También permite la traducción de lógica bipolar ±5 V a lógica unipolar 3 V utilizando un comparador como el MAX972. [24] [27]
Cuando un comparador realiza la función de indicar si un voltaje de entrada está por encima o por debajo de un umbral dado, esencialmente está realizando una cuantificación de 1 bit . Esta función se utiliza en casi todos los convertidores analógicos a digitales (como flash , pipeline, aproximación sucesiva , modulación delta-sigma , plegado, interpolación, pendiente dual y otros) en combinación con otros dispositivos para lograr una cuantificación de múltiples bits. [39]
Los comparadores también se pueden utilizar como detectores de ventana. En un detector de ventana , se utiliza un comparador para comparar dos voltajes y determinar si un voltaje de entrada determinado es bajo o alto.
Los comparadores se pueden utilizar para crear detectores de valor absoluto. En un detector de valor absoluto, se utilizan dos comparadores y una compuerta lógica digital para comparar los valores absolutos de dos voltajes. [40]
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