Comparador

Comparador de calibración

Ilustración de cómo funciona la administración pública utilizada en la comparación

En electrónica, a comparación es un dispositivo que compara dos voltajes o corrientes y produce una señal digital indicando que es más grande. Tiene dos terminales de entrada analógica V+{displaystyle V_{+} y V− − {displaystyle V_{-} y una salida digital binaria Vo{displaystyle V_{text{o}}. La salida es ideal

V_{-},\0,&{text{if }}V_{+}Vo={}1,siV+■V− − ,0,siV+.V− − .{displaystyle V_{text{o}={begin{cases}1, limit{text{if} }V_{+} {,} - ¿Qué?V_{-},\0,&{text{if }}V_{+}

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

Tensión diferencial

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 más bajos que los voltajes de la fuente de alimentación (±15 V frente a 36 V). Los comparadores de riel a riel admiten cualquier voltaje diferencial dentro del rango de la fuente de alimentación. Cuando se alimenta de un suministro bipolar (riel doble),

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

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

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

Los comparadores de 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 suministro negativo, pero no lo permiten elevarse por encima del carril positivo. 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 estrecho margen de solo 0,2 V. 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 de amplificador operacional

Una simple comparación op-amp

Un amplificador operacional (op-amp) tiene una entrada de diferencia bien balanceada y una ganancia muy alta. Esto es paralelo a las características de los comparadores y puede sustituirse en aplicaciones con requisitos de bajo rendimiento.

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 IC de comparación dedicado, pero los amplificadores operacionales se pueden usar como alternativa. Los diagramas de comparación y los diagramas de amplificador operacional usan los mismos símbolos.

La figura 1 anterior muestra un circuito comparador. Note primero que el circuito no usa retroalimentación. El circuito amplifica la diferencia de voltaje entre Vin y VREF, y genera el resultado en Vout. Si Vin es mayor que VREF, entonces el voltaje en Vout aumentará a su nivel de saturación positivo; es decir, al voltaje en el lado positivo. Si Vin es inferior a VREF, entonces Vout caerá a 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. El circuito que se muestra en la Figura 1, por ejemplo, proporcionará un funcionamiento estable incluso cuando la señal Vin sea algo ruidosa.

Esto se debe 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.

1. Los dispositivos están diseñados para operar en el modo lineal con retroalimentación negativa. Por lo tanto, un op-amp típicamente tiene un largo tiempo de recuperación de la saturación. Casi todos los op-amps tienen un condensador de compensación interna que impone limitaciones de la velocidad delgado para señales de alta frecuencia. En consecuencia, una op-amp hace un comparador descuidado con retrasos de propagación que pueden ser hasta decenas de microsegundos.
2. Dado que los op-amps no tienen ninguna histeresis interna, siempre es necesaria una red de histeresis externa para las señales de entrada de movimiento lento.
3. La especificación actual quiescente de una op-amp es válida sólo cuando la retroalimentación es activa. Algunos op-amps muestran un aumento de la corriente quiescente cuando las entradas no son iguales.
4. Un comparador está diseñado para producir voltajes de salida bien limitados que se conectan fácilmente con la lógica digital. La compatibilidad con la lógica digital debe verificarse utilizando un op-amp como comparador.
5. Algunos op-amps de sección múltiple pueden exhibir una interacción canal-canal extrema cuando se utilizan como comparadores.
6. Muchos op-amps tienen diodos traseros entre sus entradas. Las entradas de Op-amp generalmente se siguen el uno al otro así que esto está bien. Pero las aportaciones de la comparación no suelen ser las mismas. Los diodos pueden causar una corriente inesperada a través de insumos.

Diseño

Un comparador consta de 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 uso general utilizado como comparador, y también puede contener características adicionales como un voltaje de referencia interno preciso, histéresis ajustable y un Entrada controlada por reloj.

Un chip comparador de voltaje dedicado, como 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 de analógico a digital). Si hay una fuente de voltaje fijo de, por ejemplo, un dispositivo ajustable de CC en la ruta de la señal, un comparador es solo el equivalente de 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 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 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 el rendimiento sigue siendo inferior al de los circuitos con amplificadores que utilizan señales analógicas. La velocidad de respuesta no tiene significado 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 como cambiadores de nivel.

El LM339 logra esto con una salida de colector abierto. 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 es mayor que la entrada inversora, la salida es 'flotante' (tiene una impedancia a tierra muy alta). La ganancia del amplificador operacional como comparador viene dada por esta ecuación V(out)=V(in)

Especificaciones clave

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:

Velocidad y potencia

Si bien, en general, los comparadores son "rápidos" sus circuitos no son inmunes al clásico equilibrio entre velocidad y potencia. Los comparadores de alta velocidad usan transistores con relaciones de aspecto más grandes y, por lo tanto, también consumen más energía. Según la aplicación, seleccione un comparador de alta velocidad o uno que ahorre energía. Por ejemplo, los comparadores con nanoalimentación en paquetes a escala de chip que ahorran espacio (UCSP), paquetes DFN o SC70 como MAX9027, LTC1540, LPV7215, MAX9060 y MCP6541 son ideales para aplicaciones portátiles de consumo ultrabajo. 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 pueden ser adecuados los comparadores que tienen unos pocos nanosegundos de retraso de propagación. ADCMP572 (salida CML), LMH7220 (salida LVDS), MAX999 (salida CMOS/salida TTL), LT1719 (salida CMOS/salida TTL), MAX9010 (salida TTL) y MAX9601 (salida PECL) son ejemplos de algunos buenos comparadores de alta velocidad.

Histéresis

Un comparador normalmente cambia su estado de salida cuando el voltaje entre sus entradas cruza aproximadamente cero voltios. Las pequeñas fluctuaciones de voltaje debidas al ruido, siempre presentes en las entradas, pueden causar cambios rápidos no deseados 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. Por ejemplo, LTC6702, MAX9021 y MAX9031 tienen histéresis interna que los insensibiliza 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 usando retroalimentación positiva desde la salida hasta la entrada no inversora del comparador. El circuito disparador Schmitt resultante brinda inmunidad adicional al ruido y una señal de salida más limpia. Algunos comparadores como LMP7300, LTC1540, MAX931, MAX971 y ADCMP341 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. Cuando se agrega histéresis, un comparador no puede resolver las señales dentro de la banda de histéresis.

Tipo de salida

Un CMOS de baja potencia relojeado comparador

Debido a que los comparadores solo tienen 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 ligeras, los voltajes de salida de los comparadores de riel a riel CMOS, que dependen de un MOSFET saturado, se acercan más a los voltajes del riel que sus contrapartes bipolares.

Sobre la base de los resultados, los comparadores también se pueden clasificar como de drenaje abierto o push-pull. Los comparadores con una etapa de salida de drenaje abierto usan una resistencia pull-up externa a un suministro positivo 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 un nivel lógico alto, los comparadores de drenaje abierto también se pueden usar 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.

Referencia interna

La aplicación más frecuente de los comparadores es la comparación entre una tensión y una referencia estable. 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. La combinación de la referencia y el comparador en un solo chip no solo ahorra espacio, sino que también consume menos corriente de suministro que un comparador con una referencia externa. Hay disponibles circuitos integrados con una amplia gama de referencias, como MAX9062 (referencia de 200 mV), LT6700 (referencia de 400 mV), ADCMP350 (referencia de 600 mV), MAX9025 (referencia de 1,236 V), MAX9040 (referencia de 2,048 V), TLV3012 (referencia de 1,24 V) y TSM109 (referencia de 2,5 V).

Continuo versus cronometrado

Un comparador continuo generará un "1" o un "0" cada vez que se aplica 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 ciertas instancias, como en convertidores A/D y memoria. Al activar un comparador solo a ciertos intervalos, se puede lograr una mayor precisión y una menor potencia con una estructura de comparador cronometrada (o dinámica), también llamada comparador enclavado. A menudo, los comparadores bloqueados emplean una fuerte retroalimentación positiva para una "fase de regeneración" cuando un reloj está alto y tiene una "fase de reinicio" cuando el reloj está bajo. Esto contrasta con un comparador continuo, que solo puede emplear una retroalimentación positiva débil ya que no hay un período de reinicio.

Aplicaciones

Detectores nulos

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 muy alta ganancia con entradas bien balanceadas y límites de salida controlados. El circuito 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 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 de acuerdo con su signo con respecto a la salida cuando una entrada en 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 nulo, el objetivo es detectar cuando 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 usa un comparador como detector nulo, la precisión es limitada; se da 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, entonces se dará una salida de cero si la diferencia de voltaje es inferior a 6 μV. Uno podría referirse a esto como una incertidumbre fundamental en la medición.

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 su polaridad, es decir, la salida es HI (alta) para un pulso positivo y LO (baja) para un pulso negativo que cuadra la señal de entrada.

Oscilador de relajación

Se puede usar un comparador para construir un oscilador de relajación. Utiliza retroalimentación tanto positiva como negativa. La retroalimentación positiva es una configuración de disparador Schmitt. Solo, el gatillo es un multivibrador biestable. Sin embargo, la retroalimentación negativa lenta añadida 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.

Cambio de nivel

National Semiconductor LM393

Este circuito requiere solo un único comparador con una salida de drenaje abierto como en el LM393, TLV3011 o MAX9028. El circuito proporciona una gran flexibilidad en la elección de los voltajes que se traducirán mediante el uso de un voltaje de arranque 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.

Convertidores de analógico a digital

Cuando un comparador realiza la función de decir si un voltaje de entrada está por encima o por debajo de un umbral dado, básicamente está realizando una cuantificación de 1 bit. Esta función se utiliza en casi todos los convertidores de analógico a digital (como flash, canalización, aproximación sucesiva, modulación delta-sigma, plegamiento, interpolación, doble pendiente y otros) en combinación con otros dispositivos para lograr una cuantificación de varios bits.

Detectores de ventana

Los comparadores también se pueden usar como detectores de ventanas. En un detector de ventana, se usa un comparador para comparar dos voltajes y determinar si un voltaje de entrada dado está bajo o sobrevoltaje.

Detectores de valor absoluto

Los comparadores se pueden usar 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.