Prendere decisioni, e per il meglio, non è sempre facile. Questa situazione si applica opportunamente quando si tratta di scegliere un comparatore e più precisamente di comprendere quando, perché e quale comparatore costituisce una buona scelta. Il mercato dei comparatori, in base ai dati di Databeans, è cresciuto di oltre il 20% dal 2005 al 2006, ma rappresenta solo circa il 10% del mercato degli amplificatori. Effettuando una ricerca su Wikipedia, i popolari comparatori duali e quadrupli LM393/LM339 occupano i primi posti. Si tratta in effetti di una delle famiglie di prodotti più ampiamente usata sul mercato. Ma perché? Le situazioni economiche potrebbero suggerire l’uso di un amplificatore operazionale come comparatore. È una cosa intelligente da farsi? Quali sono i parametri chiave dei comparatori e quali sono le loro applicazioni più importanti?
Questo articolo risponderà ad alcune delle domande più comuni e mostrerà qualche esempio su come alcuni dei circuiti comparatori di oggi possono essere impiegati per soddisfare requisiti spinti di prestazioni.
Comparatore o amplificatore?
Nei corsi di ingegneria molti di noi hanno appreso che un amplificatore operazionale (OpAmp) è costituito da 3 stadi interni per ottenere le sue proprietà più desiderate, come un’impedenza alta all’ingresso, un’impedenza bassa all’uscita e un guadagno elevato. Questi ultimi sono: uno stadio di ingresso differenziale, uno stadio di guadagno (con o senza la compensazione in frequenza interna) e uno stadio di uscita. Questa architettura di base è stata usata per decenni. Inizialmente l’amplificatore operazionale era l’elemento di base per rappresentare le operazioni matematiche in base ai segnali di tensione e di corrente. Applicando elementi passivi o attivi attorno all’amplificatore, in configurazione di retroazione, sono possibili, tra l’altro, operazioni di somma, sottrazione, moltiplicazione e di logaritmo.
I comparatori sono noti fra i circuiti logici per il fatto che prendono “decisioni” sui livelli logici, ad esempio confrontando il segnale in ingresso con livelli di riferimento definiti. I comparatori analogici sono dispositivi più versatili che forniscono agli utenti funzionalità aggiuntive per realizzare circuiti analogici. Inoltre blocchi IP di comparatori con buone prestazioni sono un requisito chiave per realizzare convertitori analogico-digitali, siano essi convertitori ad alta velocità, di precisione di tipo multirampa o convertitori sigma delta.
Il datasheet dell’LM339 fornisce un’ampia lista di applicazioni che probabilmente spiega il suo diffuso utilizzo nell’industria nel corso degli ultimi 3 decenni.
Alcuni esempi comuni sono:
- Traslazione di livelli logici
- Rivelatori di attraversamento dello zero/ circuiti a scatto (trigger)
- Monitoraggio della tensione / alimentazione
- Comparatori a finestra, trigger di Schmitt
- Oscillatori
- Buffer di clock
- Amplificatori trasduttori
L’architettura di base e molti degli attributi parametrici di un comparatore sono molto simili a quelli di un amplificatore operazionale. Di conseguenza un amplificatore operazionale può essere usato come un comparatore, ma il suo comportamento non sarà sempre ottimale per questa funzione, né il datasheet fornirà normalmente garanzie sulle specifiche per questa modalità operativa. Una delle principali differenze rispetto a un OpAmp è che un comparatore è pensato per operare senza retroazione e l’uscita dovrebbe essere a uno dei due livelli dell’alimentazione per indicare la polarità del segnale differenziale in ingresso. I comparatori inoltre devono essere progettati per essere “sovrapilotati”, il che significa che possono generalmente gestire tensioni di ingresso differenziali più alte. Gli OpAmp per contro sono normalmente progettati per operare con segnali più piccoli e con piccole tensioni differenziali, dato che è solitamente applicato il concetto di retroazione. “Sovrapilotando” gli ingressi in una configurazione ad anello aperto si avrà un effetto di saturazione dello stadio di ingresso o degli stadi interni. Quando si inverte la polarità all’ingresso, questa saturazione aggiunge in realtà al segnale un’entità piuttosto indefinita di ritardo sul tempo di propagazione e di ritardo di fase. Inoltre, per tensioni di ingresso differenziali elevate, l’OpAmp raggiungerà più probabilmente un limite e si attiveranno le strutture di protezione. Questo provocherà una caduta improvvisa del livello di impedenza di ingresso che potrebbe forzare una corrente eccessiva all’ingresso, sovraccaricare la sorgente di alimentazione o persino surriscaldare e distruggere il dispositivo, se non si prendono contromisure. Un valore massimo per la corrente in ingresso al circuito integrato è spesso fornito nella sezione Absolute Maximum Rating sul datasheet del dispositivo, che aiuta a determinare ad esempio l’eventualità di un’aggiunta di resistori all’ingresso. Una differenza molto comune per alcuni comparatori rispetto agli OpAmp è nell’architettura dello stadio di uscita. Le uscite a drain aperto o a collettore aperto (nel caso dei Mosfet) hanno questo nodo non connesso internamente a V+, bensì usato come uscita, e un resistore esterno connesso a una tensione di alimentazione positiva porterà l’uscita al valore “alto” quando il transistor è spento. Questa tensione esterna può essere superiore rispetto a Vcc e consentire la traslazione di livello o la cosiddetta funzionalità “Wired-Or”, ottenuta connettendo in parallelo 2 o più uscite da diversi dispositivi. Se il transistor interno è acceso, una piccola corrente scorre dall’alimentazione esterna attraverso il resistore di pull-up all’uscita del dispositivo e il livello di tensione in uscita è “basso” e prossimo a VCE (la tensione collettore-emettitore nel caso di un transistore bipolare). I comparatori non sono generalmente compensati in frequenza e di conseguenza possono commutare molto rapidamente. Il tempo di commutazione dipende in qualche misura dal cosiddetto “overdrive”. Questo è l’entità della tensione differenziale in ingresso quando si misura un cambiamento di stato all’uscita (Fig. 1). Chiaramente l’overdrive deve essere superiore rispetto alla tensione di offset per commutare in modo affidabile il comparatore. In generale, un overdrive più grande corrisponderà a un tempo di commutazione inferiore.
Una classificazione dei comparatori
I comparatori sul mercato possono essere classificati in base ai valori parametrici o alle funzionalità.
Essi possono essere ad esempio:
- Comparatori general purpose
- Comparatori ad alta velocità (ritardo di propagazione tprop < 50 nsec)
- Comparatori a bassa tensione (tensione di alimentazione Vcc < 5 V)
- Comparatori micro-power (corrente a riposo < 20 uA)
- Comparatori con riferimento
I parametri specifici dei comparatori, in relazione alle categorie, sono:
- Il ritardo di propagazione: il tempo di ritardo fra l’applicazione di un segnale differenziale e la commutazione di stato dello stadio di uscita (ad esempio al 50% del livello)
- Isteresi interna od esterna: l’isteresi è la differenza ottenuta per progetto o introdotta fra la tensione di commutazione dal livello alto a quello basso e la tensione di commutazione dal livello basso a quello alto. Alcuni comparatori sono dotati della funzionalità di regolazione dei livelli di isteresi applicando una tensione per mezzo di pin separati
- Tempi di salita e di discesa: il tempo richiesto dalla tensione di uscita per passare dal 10% al 90% del suo valore, può essere diverso per il fronte di salita e di discesa. In tal caso, questo causerà una modifica del duty cycle all’uscita rispetto al segnale in ingresso
- Velocità di commutazione: la frequenza in corrispondenza della quale l’uscita del comparatore può seguire i cambiamenti di stato all’ingresso
- Dispersione: una misura della variazione del ritardo di propagazione
- Fluttuazioni: possono essere casuali o deterministiche e sono una misura dell’incertezza nel tempo del fronte del segnale.
L’uso di un OpAmp come comparatore
Dato che gli OpAmp sono normalmente offerti anche in configurazioni duali e quadruple, un utente potrebbe essere tentato di considerare l’uso di una sezione amplificatore in modalità comparatore. Come già menzionato, esistono diversi aspetti da tenere in considerazione. Dato che le temporizzazioni sono in genere importanti, i parametri di prodotto guadagno-banda (Gain Bandwidth Product, GBW), di ritardo di gruppo e di slew rate dell’OpAmp sono fuorvianti quando lo si usa in modalità comparatore, a causa degli effetti interni di compensazione in frequenza e di saturazione. I singoli dispositivi ottimizzati per un’applicazione potrebbero aggiungere più valore e costituirebbero ancora una soluzione competitiva nei costi considerando la disposizione dei componenti (layout) più complessa e potenzialmente di ostacolo alle prestazioni su un dispositivo quadruplo, l’ingombro generalmente superiore del package nel complesso e gli sforzi di ingegnerizzazione che occorre effettuare per assicurare l’adeguata caratterizzazione della sezione OpAmp.
Prima di prendere una decisione simile, sarebbe prassi standard:
- leggere con attenzione il datasheet per la topologia e i consigli d’uso;
- considerare l’impedenza di sorgente, l’intervallo di modo comune, e gli intervalli di tensione differenziale agli ingressi dell’applicazione;
- caratterizzare la velocità di commutazione dell’amplificatore quando è sovrapilotato e prevedere una grande dispersione di questo parametro;
- considerare gli effetti legati alla temperatura;
- assicurarsi che l’uscita possa interfacciarsi adeguatamente allo stadio successivo controllando l’impedenza in uscita, i livelli di alimentazione e la stabilità del circuito;
- effettuare la disposizione dei componenti e il progetto del circuito con cautela, dato che persino una piccola quantità di retroazione (i segnali che si accoppiano agli ingressi non invertenti) attraverso le capacità parassite o l’impedenza di ingresso elevata, può provocare oscillazioni.
Gli attuali comparatori ad alta velocità
Nelle industrie di oggi sono spesso necessari comparatori che siano ottimizzati per compiti specifici, e che possano aggiungere valore ai sistemi in uso. Un insieme di applicazioni molto comune per i comparatori era ed è nella traslazione di livello. I livelli logici Cmos e Ttl sono ampiamente applicati. Per velocità superiori esistono tuttavia anche le opzioni Ecl (Emitter Coupled Logic), Rspecl (Reduced Swing Positive Emitter Coupled Logic) o Lvds (Low Voltage Differential Signaling) e queste sono generalmente la prima scelta quando c’è necessità di interfacciare da cavi e linee verso i circuiti integrati e gli Fpga o all’interno delle schede madri con velocità di segnale superiori all’ordine delle centinaia di Mbit fino a diversi Gbit/sec. I componenti LMH7220 e LMH7322 sono dispositivi che potrebbero essere usati per la traslazione di livello.
La Fig. 2 mostra un comparatore duale ad alta velocità LMH7322 realizzato come un convertitore dai segnali Ecl a quelli Rspecl. La logica Ecl ad alta velocità è stata usata per anni, nelle apparecchiature di fascia alta per applicazioni militari, nella strumentazione da laboratorio, e in ambito industriale, ed è un segnale con livello di tensione negativo e di riferimento (- 5,2 V e massa). Questo rende difficile interfacciarlo ad altri sistemi con alimentazioni separate o persino in quelli con singola alimentazione. L’LMH7322 risolve questo problema fornendo più libertà al progettista rispetto ai normali traslatori di livello. Il display ha pin di alimentazione diversi per la circuiteria di ingresso e di uscita, e l’alimentazione varia da 2.7 a 12 V con alimentazione singola o con alimentazioni separate fra +-6 V fino a +-1.35 V. Il suo intervallo di modo comune all’ingresso supera il livello di alimentazione inferiore di 200 mV, consentendo di misurare piccoli segnali a tale livello basso di alimentazione in ingresso.
I tempi di salita e di discesa tipici di 160 psec e il ritardo di propagazione di 700 psec tipici, consentono al comparatore di memorizzare temporaneamente e di traslare di livello segnali fino a diversi Gbit/secondo, e rendono questo circuito adatto per la traslazione, la memorizzazione temporanea (buffering) o il recupero di dati ad alta velocità e del clock provenienti ad esempio da un cavo o da una scheda madre (backplane). Un’isteresi regolabile può essere applicata attraverso il pin HYST. Questo può essere utile per i segnali distorti o per le linee accoppiate in DC o persino per i segnali in lento movimento per evitare commutazioni/scatti indesiderati. Il circuito dell’applicazione mostra che il segnale di ingresso VCCI è a livello di massa del sistema, e il livello di VCCO è a + 5 V e il livello VEE a - 5,2 V, che è il livello di alimentazione negativo del circuito di pilotaggio ECL. La tensione di uscita sarà compatibile con i livelli Rspecl. Lo stesso dispositivo potrebbe essere usato per l’interfacciamento verso altri livelli logici regolando i livelli di tensione VCCI, VCCO e VEE. Questo è possibile aggiungendo un’opportuna terminazione di linea ad esempio di 50 Ohm, e un esempio sul principio di funzionamento è mostrato in fig. 3.
L’uscita differenziale è realizzata con circuiti inseguitori di emettitore che forniscono la corrente e assicurano una differenza di dinamica (swing) di 400 mV fra entrambi i pin in uscita. Questo avviene se è usata la terminazione attiva portare l’uscita 2V al di sotto del livello della VCCO, altrimenti si potrebbe calcolare un resistore di carico opportuno quando si effettua la terminazione verso l’alimentazione più negativa del chip.
I parametri come il tempo di salita/discesa, il ritardo di propagazione con dispersione devono essere considerati, e non tutti fra questi sono comunemente specificati. La dispersione può essere provocata da una modifica dei livelli di modo comune, di sovrapilotaggio (overdrive) e di slew rate e impatterà sul ritardo di propagazione, sul ciclo di funzionamento (duty cycle) e sulle fluttuazioni del segnale (jitter). A titolo di esempio, sul dispositivo LMH7322 la dispersione dell’overdrive o la variazione rispetto a tensioni di sovrapilotaggio da 20 mV fino a 1 V è tipicamente di 75 ps, che in questo caso è di circa il 10% del ritardo di propagazione tipico stesso.
Una nuova categoria, i comparatori di precisione
I comparatori tendono ad avere tensioni di offset nella regione dei 10 mV o persino peggiori. Il vantaggio di un comparatore di precisione è ovvio, dal momento che questo consentirebbe di confrontare segnali molto piccoli, il che sarebbe una ragione per cui l’uso di un OpAmp in modalità comparatore è stato fino ad ora considerato. Applicazioni quali il monitoraggio dell’alimentazione di una batteria, quando la pendenza della tensione di carica/discarica è piuttosto piatta, possono utilizzare questo parametro. Altre funzionalità chiave in tal caso sarebbero il ridotto consumo di corrente e delle soglie di rivelazione precise e magari variabili. Nella Fig. 4 è mostrato l’LMP7300, un comparatore micropower di precisione, con un riferimento di precisione integrato, usato per il monitoraggio delle batterie. Esso scarica la batteria in misura minima con una corrente a riposo tipica di 10uA, ha un intervallo di tensioni operative ampio, compreso fra 2.5 e 12 V, può misurare le correnti sul lato alto (linea di alimentazione) e presenta un riferimento di tensione di 2.048 V con una precisione di 55 ppm, come pure una funzione di isteresi regolabile fra 2 pin. L’uscita a drain aperto può pilotare un Led o azionare un pin di un ingresso logico di un microcontrollore.
