비교기

Comparator
비교기의 작동 방식 설명

전자제품에서 비교기는 두 전압 또는 전류를 비교하여 어떤 것이 더 큰지를 나타내는 디지털 신호를 출력하는 장치입니다.2개의 입력 단자 + {\ V_및 V - {\{-}}와 출력 Vo o가 있습니다.출력은 이상적입니다.

비교기는 특수 고이득 차동 증폭기로 구성됩니다.아날로그-디지털 변환기(ADC)와 같이 아날로그 신호를 측정 및 디지털화하는 장치 및 완화 오실레이터에서 일반적으로 사용됩니다.

차동 전압

차동 전압은 제조업체에서 지정한 한계 내에 있어야 합니다.LM111 패밀리와 같은 초기 통합 비교기 및 LM119 패밀리와 같은 특정 고속 비교기에서는 전원 공급 전압(±15 V 대 36 V)[1]보다 훨씬 낮은 차동 전압 범위가 필요합니다.레일 대 레일 비교기는 전원 범위 내의 모든 차전압을 허용합니다.바이폴라(듀얼 레일) 전원에서 전원을 공급받는 경우,

단극 TTL/CMOS 전원장치에서 전원을 공급받는 경우

V+ ,V - cc { 0 \V _ { + } , V _ { - } \V _ { \ {}} 。

LM139 패밀리와 같이 p-n-p 입력 트랜지스터를 사용하는 특정 레일 대 레일 비교기는 입력 전위가 음의 공급 레일 아래로 0.3V 떨어지는 것을 허용하지만 양의 [2]레일 위로 상승하는 것은 허용하지 않습니다.LMH7322와 같은 특정 초고속 비교기에서는 입력 신호가 음극 레일 아래 및 양극 레일 위로 흔들릴 수 있습니다. 그러나 0.2V의 [3]좁은 여백이 있습니다. 최신 레일 대 레일 비교기의 차동 입력 전압 (두 입력 사이의 전압)은 일반적으로 전원 공급 장치의 풀 스윙에 의해서만 제한됩니다.

Op-amp 전압 비교기

단순 op-amp 비교기

OP 앰프(op-amp)는 균형 잡힌 차분 입력과 매우 높은 게인을 가진다.이는 대조군의 특성과 유사하며 저성능 [4]요건이 있는 애플리케이션에서 대체될 수 있다.

비교기 회로는 두 전압을 비교하여 1(플러스 측 전압) 또는 0(부 측 전압) 중 하나를 출력하여 어느 쪽이 큰지 나타냅니다.예를 들어, 비교기는 입력이 미리 결정된 값에 도달했는지 확인하기 위해 자주 사용됩니다.대부분의 경우 전용 비교기 IC를 사용하여 비교기를 구현하지만, 대안으로 op-amp를 사용할 수 있습니다.비교기 다이어그램과 op-amp 다이어그램은 동일한 기호를 사용합니다.

위 그림 1은 컴퍼레이터 회로를 나타내고 있습니다.우선, 회선에서는 피드백을 사용하지 않는 것에 주의해 주세요.회로는 Vin과 VREF 사이의 전압 차이를 증폭하고 결과를 Vout에서 출력합니다.Vin이 VREF보다 크면 Vout의 전압이 양의 포화 수준, 즉 양의 측 전압으로 상승합니다.Vin이 VREF보다 낮으면 Vout은 음의 측 전압과 동일한 음의 포화 레벨로 떨어집니다.

실제로 이 회로는 노이즈에 대한 민감도를 낮추기 위해 히스테리시스 전압 범위를 포함시킴으로써 개선할 수 있다.예를 들어 그림 1에 표시된 회로는 Vin 신호가 다소 노이즈가 있는 경우에도 안정적인 작동을 제공합니다.

이는 OP 앰프와 비교기의 특성이 다르기 때문에 OP 앰프를 비교기로 사용할 경우 전용 [5]비교기를 사용할 때보다 몇 가지 단점이 있습니다.

  1. Op-amp는 음의 피드백이 있는 선형 모드에서 작동하도록 설계되었습니다.따라서 op-amp는 일반적으로 포화상태에서 회복하는 데 시간이 오래 걸립니다.거의 모든 op-amp에는 고주파 신호에 대해 슬루 레이트 제한을 가하는 내부 보상 캐패시터가 있습니다.따라서 op-amp는 전파 지연이 수십 마이크로초인 엉성한 비교기를 만듭니다.
  2. op-amp에는 내부 히스테리시스가 없기 때문에 입력 신호가 느리게 이동하려면 외부 히스테리시스 네트워크가 항상 필요합니다.
  3. op-amp의 대기 전류 사양은 피드백이 활성 상태일 때만 유효합니다.일부 op-amp는 입력이 동일하지 않을 때 증가된 대기 전류를 나타냅니다.
  4. 비교기는 디지털 로직과 쉽게 인터페이스할 수 있는 제한된 출력 전압을 생성하도록 설계되었습니다.op-amp를 비교기로 사용하는 동안 디지털 로직과의 호환성을 확인해야 합니다.
  5. 일부 다중 섹션 op-amp는 비교기로 사용할 때 극단적인 채널 채널 상호 작용을 나타낼 수 있습니다.
  6. 많은 op-amp는 입력 사이에 백투백 다이오드가 있습니다.op-amp 입력은 보통 서로 따르기 때문에 괜찮습니다.그러나 비교기 입력은 일반적으로 동일하지 않습니다.다이오드는 입력을 통해 예기치 않은 전류를 발생시킬 수 있습니다.

설계.

비교기는 디지털 회로에서 사용되는 논리 게이트와 출력이 호환되는 고이득 차동 증폭기로 구성된다.게인은 입력 전압 간의 아주 작은 차이가 출력을 포화시킬 정도로 충분히 높습니다. 출력 전압은 게이트 입력의 낮은 로직 전압 대역 또는 높은 로직 전압 대역에 속합니다.아날로그 op암페어는 비교기로 사용되었지만 일반적으로 전용 비교기 칩은 비교기로 사용되는 범용 연산 증폭기보다 빠르며 정확한 내부 기준 전압, 조정 가능한 이력 및 클럭 게이트 입력과 같은 추가 기능을 포함할 수 있습니다.

LM339와 같은 전용 전압 비교 칩은 디지털 로직 인터페이스(TTL 또는 CMOS)와 인터페이스하도록 설계되어 있습니다.출력은 실제 신호를 디지털 회로에 연결하는 데 자주 사용되는 바이너리 상태입니다(아날로그-디지털 변환기 참조).예를 들어 신호 경로 내에 DC 조정 가능 장치로부터의 고정 전압원이 있는 경우 비교기는 증폭기의 캐스케이드에 해당합니다.전압이 거의 같으면 출력 전압이 로직 레벨 중 하나로 떨어지지 않으므로 아날로그 신호가 디지털 도메인에 진입하여 예측할 수 없는 결과를 가져옵니다.이 범위를 가능한 한 작게 하기 위해 앰프 캐스케이드는 고이득입니다.회로는 주로 바이폴라 트랜지스터로 구성됩니다.매우 높은 주파수의 경우 스테이지의 입력 임피던스가 낮습니다.이렇게 하면 회복 시간이 길어질 수 있는 느린 대형 p-n 접합 양극성 트랜지스터의 포화를 줄일 수 있습니다.바이너리 로직 설계에서 볼 수 있는 것과 같은 고속 소형 숏키 다이오드는 아날로그 신호를 사용하는 증폭기가 있는 회로보다 성능이 뒤떨어지지만 성능을 크게 향상시킵니다.슬루 레이트는 이러한 디바이스에는 의미가 없습니다.플래시 ADC의 애플리케이션의 경우 8개의 포트에 분산된 신호가 각 앰프 이후의 전압 및 전류 게인과 일치하고 저항기가 레벨 시프트로 동작합니다.

LM339는 오픈콜렉터 출력을 사용하여 이를 실현합니다.반전 입력이 비반전 입력보다 높은 전압일 경우 비교기의 출력이 음극 전원 공급기에 연결됩니다.비반전 입력이 반전 입력보다 높으면 출력이 '플로팅'됩니다(접지에 대한 임피던스가 매우 높음).비교기로서의 opamp의 이득은 이 방정식 V(out)=V(in)에 의해 주어진다.

주요 사양

비교기의 기본 작업을 이해하기 쉽지만, 즉 두 전압 또는 전류를 비교할 때 적절한 비교기를 선택할 때 다음과 같은 몇 가지 매개변수를 고려해야 합니다.

속도와 전력

일반적으로 비교기는 "빠른" 반면, 그 회로는 전형적인 속도-전력 트레이드오프의 영향을 받지 않는다.고속 비교기는 애스펙트비가 큰 트랜지스터를 사용하기 때문에 소비 [6]전력도 커집니다.응용 프로그램에 따라 고속 비교기 또는 절전 비교기를 선택합니다.예를 들어 공간 절약형 칩스케일 패키지(UCSP), DFN 또는 SC70 패키지(MAX9027, LTC1540, LPV7215, MAX9060, MCP6541 등)의 나노 파워 비교기는 초저전력 휴대용 애플리케이션에 이상적입니다.마찬가지로 고속 클럭 신호를 생성하기 위해 완화 발진기 회로를 구현하기 위해 비교기가 필요한 경우에는 전파 지연이 나노초 미만인 비교기가 적합할 수 있다.ADCMP572(CML 출력), LMH7220(LVDS 출력), MAX999(CMOS 출력/TTL 출력), LT1719(CMOS 출력/TTL 출력), MAX9010(TTL 출력) 및 MAX9601(PECL 출력)은 고속 비교기의 예입니다.

히스테리시스

비교기는 일반적으로 입력 사이의 전압이 약 0V를 통과할 때 출력 상태를 변경합니다.입력 전압 차이가 0V에 가까울 때 입력에 항상 존재하는 노이즈로 인한 작은 전압 변동으로 인해 두 출력 상태 간에 바람직하지 않은 급격한 변화가 발생할 수 있습니다.이러한 출력 발진을 방지하기 위해 몇 밀리볼트의 작은 이력들이 많은 최신 [7]비교기에 통합되어 있습니다.예를 들어 LTC6702, MAX9021MAX9031은 내부 히스테리시스를 통해 입력 노이즈로부터 감도를 낮춥니다.하나의 전환점 대신 히스테리시스는 상승 전압용과 하강 전압용 두 가지를 도입합니다.상위 레벨 트립 값(VTRIP+)과 하위 레벨 트립 값(VTRIP-)의 차이는 이력 전압(VHYST)과 같습니다.

비교기에 내부 이력서가 없거나 입력 노이즈가 내부 이력보다 클 경우 비교기의 출력에서 비반전 입력으로의 양의 피드백을 사용하여 외부 이력 네트워크를 구축할 수 있다.결과적으로 발생하는 슈미트 트리거 회로는 추가적인 노이즈 내성 및 깨끗한 출력 신호를 제공합니다.LMP7300, LTC1540, MAX931, MAX971ADCMP341과 같은 일부 컴퍼레이터는 별도의 이력 핀을 통해 이력 제어를 제공합니다.이러한 비교기를 사용하면 피드백이나 복잡한 방정식 없이 프로그래밍 가능한 이력서를 추가할 수 있습니다.입력이 이력 네트워크로부터 격리되어 [8]있기 때문에 소스 임피던스가 높은 경우에도 전용 이력 핀을 사용하는 것이 편리합니다.히스테리시스가 추가되면 비교기는 히스테리시스 대역 내의 신호를 분해할 수 없습니다.

출력 타입

저전력 CMOS 클럭 비교기

비교기의 출력 상태는 2개뿐이므로 출력은 0에 가깝거나 공급 전압에 가깝습니다.바이폴라 레일 대 레일 비교기에는 공통 이미터 출력이 있어 출력과 각 레일 사이에 약간의 전압 강하가 발생합니다.이 강하는 포화 트랜지스터의 콜렉터 대 이미터 전압과 동일합니다.출력 전류가 가벼운 경우 포화 MOSFET에 의존하는 CMOS 레일 대 레일 비교기의 출력 전압은 바이폴라 [9]전압보다 레일 전압에 가깝습니다.

출력에 기초하여 대조군은 개방 배수 또는 푸시 풀로 분류될 수 있다.개방 드레인 출력 스테이지가 있는 비교기는 로직 하이 레벨을 정의하는 양의 공급 장치에 대한 외부 풀업 저항을 사용합니다.개방 드레인 비교기는 혼합 전압 시스템 설계에 더 적합합니다.출력은 로직 하이레벨에 대해 높은 임피던스를 가지므로 오픈 드레인 비교기를 사용하여 여러 비교기를 단일 버스에 연결할 수도 있습니다.푸시-풀 출력에는 풀업 저항이 필요하지 않으며 오픈 드레인 출력과 달리 전류를 소싱할 수도 있습니다.

내부 참조

비교기의 가장 빈번한 적용은 전압과 안정적인 기준 간의 비교입니다.TL431은 이 목적으로 널리 사용되고 있습니다.대부분의 비교기 제조업체는 기준 전압이 칩에 통합되어 있는 비교기도 제공합니다.기준과 비교기를 하나의 칩에 결합하면 공간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 외부 [9]기준의 비교기보다 적은 공급 전류를 소비할 수 있습니다.MAX9062 (200 mV 기준), LT6700 (400 mV 기준), ADCMP350 (600 mV 기준), MAX9025 (1.236 V 기준), MAX9040 (2.048 V 기준), TLV3012 (1.24 V 기준) 및 TSM9102와 같은 광범위한 기준 IC를 사용할 수 있습니다.

연속과 클럭

연속 비교기는 입력에 하이 또는 로우 신호가 적용될 때마다 "1" 또는 "0"을 출력하며 입력이 업데이트되면 빠르게 변경됩니다.그러나 대부분의 응용 프로그램은 A/D 변환기나 메모리 등 특정 상황에서만 비교기 출력을 필요로 합니다.특정 간격의 비교기만을 스트로핑함으로써 래치된 비교기라고도 하는 클럭(또는 동적) 비교기 구조를 통해 더 높은 정확도와 낮은 전력을 달성할 수 있습니다.많은 경우 래치된 비교기는 클럭이 높을 때는 "재생 단계"에 대해 강한 양의 피드백을 사용하고 [10]클럭이 낮을 때는 "리셋 단계"를 가집니다.이것은 재설정 기간이 없기 때문에 약한 양성 피드백만 사용할 수 있는 연속 대조군과는 대조적이다.

적용들

특수 디텍터

늘 디텍터는 지정된 값이 0일 때를 식별합니다.비교기는 입력 밸런스가 양호하고 출력 한계가 제어된 매우 높은 게인 앰프에 해당하므로 null 검출 비교 측정에 이상적입니다.Null 검출기 회로는 알 수 없는 전압과 기준 전압(일반적으로 v 및r v라고u 함)의 두 입력 전압을 비교합니다.기준 전압은 보통 비반전 입력(+)에 있는 반면, 알 수 없는 전압은 보통 반전 입력(-)에 있습니다(회로 다이어그램은 특정 입력이 다른 입력보다 클 때 출력에 대한 부호에 따라 입력을 표시합니다).입력이 거의 동일하지 않으면(아래 참조), 출력은 ±12V와 같이 양 또는 음이 됩니다.Null 검출기의 경우 입력 전압이 거의 동일한 경우를 검출하는 것이 목적이며, 기준 전압이 알려진 이후 알 수 없는 전압의 값을 제공합니다.

비교기를 null 검출기로 사용할 경우 정확도가 제한됩니다. 전압 차이에 증폭기의 게인을 곱한 값이 전압 한계 내에 있을 때마다 0의 출력이 제공됩니다.예를 들어 게인이 10이고6 전압 한계가 ±6V이면 전압 차이가 6μV 미만이면 출력이 0이 됩니다.이를 [11]측정의 근본적인 불확실성이라고 할 수 있다.

제로 크로스 검출기

이 유형의 검출기에서는 AC 펄스가 극성을 변경할 때마다 비교기가 검출합니다.비교기의 출력은 펄스가 극성을 변경할 때마다 상태가 바뀝니다. 즉, 출력은 양의 펄스의 경우 HI(높음), 음의 펄스의 경우 LO(낮음)가 입력 신호를 [12]제곱합니다.

완화 발진기

비교기를 사용하여 완화 발진기를 구축할 수 있습니다.긍정적인 피드백과 부정적인 피드백을 모두 사용합니다.긍정적인 피드백은 슈미트 트리거 구성입니다.트리거는 단독으로 쌍안정 멀티바이버레이터입니다.그러나 RC 회로가 트리거에 추가한 느린 음의 피드백으로 인해 회로가 자동으로 발진합니다.즉, RC 회선을 추가하면 이력 쌍안정 멀티바이브레이터비안정 [13]멀티바이브레이터로 바뀝니다.

레벨 시프터

내셔널 세미컨덕터 LM393

이 회로에는 LM393, TLV3011 또는 MAX9028과 같이 개방 드레인 출력을 가진 단일 비교기만 필요합니다.이 회로는 적절한 풀업 전압을 사용하여 변환할 전압을 선택하는 데 큰 유연성을 제공합니다.또한 MAX972[9]같은 비교기를 사용하여 양극 ±5V 로직을 단극 3V 로직으로 변환할 수 있습니다.

아날로그-디지털 변환기

비교기가 입력 전압이 지정된 임계값보다 높거나 낮은지 여부를 알려주는 기능을 수행하는 경우 기본적으로 1비트 양자화를 수행하는 것입니다.이 함수는 거의 모든 아날로그-디지털 변환기(플래시, 파이프라인, 연속 근사치, 델타-시그마 변조, 폴딩, 보간, 듀얼 슬로프 등)에서 다른 장치와 함께 사용되어 멀티비트 [14]양자화를 실현합니다.

윈도 디텍터

비교기를 창 디텍터로 사용할 수도 있습니다.윈도 검출기에서 비교기는 2개의 전압을 비교하여 소정의 입력전압이 저전압인지 과전압인지를 판단하기 위해 사용된다.

절대값 검출기

비교기를 사용하여 절대값 디텍터를 만들 수 있습니다.절대치 검출기에서 2개의 컴퍼레이터와 디지털 로직 게이트를 사용하여 2개의 [15]전압의 절대치를 비교한다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ LM111/LM211/LM311 데이터 시트텍사스 인스트루먼트2003년 8월2014-07-02를 취득했습니다.
  2. ^ LM139/LM239/LM339/LM2901/LM3302 데이터 시트텍사스 인스트루먼트2012년 8월2014-07-02를 취득했습니다.
  3. ^ LMH7322 데이터 시트텍사스 인스트루먼트2013년 3월2014-07-02를 취득했습니다.
  4. ^ Malmstadt, Enke and Croouch, Electronics and Instrumentation for Scientists, The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc, 1981년 ISBN0-8053-6917-1, 제5장
  5. ^ Ron Mancini, EDN, 2001년 3월 29일, "비교기를 사용한 설계"
  6. ^ Rogenmoser, R.; Kaeslin, H, "서브마이크론 CMOS 회로의 전력 효율에 대한 트랜지스터 사이징의 영향", 솔리드 스테이트 회로, IEEE Journal of Volume 32, 제7호, 1997년 7월 페이지:1142–1145.
  7. ^ Ron Mancini, "Wayback Machine에서 2005-02-21 아카이브된 대조군이력 추가", EDN, 2001년 5월 3일
  8. ^ AN3616, Maxim Integrated Products, 비교기에 이력 추가.
  9. ^ a b c AN886, Maxim Integrated Products, 적절한 비교 제품 선택.
  10. ^ Pedro M. Figueiredo, João C. Vital (2009). Offset Reduction Techniques in High-Speed Analog-to-Digital Converters: Analysis, Design and Tradeoffs. Springer. pp. 54–62. ISBN 978-1-4020-9715-7.
  11. ^ Malmstadt, Howard V.; Enke, Christie G.; Crouch, Stanley R. (January 1981), Electronics and Instrumentation for Scientists, The Benjamin/Cummings Publishing Co, pp. 108–110, ISBN 978-0-8053-6917-5
  12. ^ 과학자를 위한 일렉트로닉스와 인스트루먼테이션.말름슈타트, 엔케, 크라우치, 벤자민/커밍스 출판사, 1981년, 페이지 230.
  13. ^ Paul Horowitz와 Winfield Hill:The Art of Electronics, Cambridge University Press, 제2판, Cambridge 1989, 페이지 284–285.
  14. ^ Phillip Allen과 Douglas Holberg: CMOS 아날로그 회로 설계, 옥스퍼드 대학 출판부, 제2판, 옥스퍼드 2002.
  15. ^ Iranmanesh, S., Rodriguez-Villegas, E. (June 2016). "CMOS implementation of a low power absolute value comparator circuit". IEEE Newcas: 1–4. doi:10.1109/NEWCAS.2016.7604807. ISBN 978-1-4673-8900-6. S2CID 10810576.{{cite journal}}: CS1 maint: 작성자 파라미터 사용(링크)
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외부 링크