Lo esencial de los comparadores de voltaje analógicos y cómo usarlos: Detección de nivel a los osciladores

A medida que los diseñadores buscan reunir más datos en el borde para las aplicaciones de Internet de las Cosas (IoT), IoT Industrial (IIoT), inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (ML), los diseñadores necesitan una forma sencilla de detectar que un valor medido, ya sea el voltaje, la corriente, la temperatura o la presión, está por encima o por debajo de un umbral. Análogamente, a menudo es necesario saber que una cantidad medida está dentro o fuera del rango de valores. Hacer esta determinación en el borde en presencia de ruido y señales de interferencia es a menudo difícil, pero los comparadores de voltaje correctamente seleccionados y aplicados pueden ayudar.

Un comparador de voltaje es un dispositivo electrónico que compara un voltaje de entrada con un voltaje de referencia conocido y cambia su estado de salida dependiendo de si la entrada estaba por encima o por debajo de la referencia. Esta capacidad satisface la necesidad de detectar cruces de umbral, nulos y amplitudes de señal dentro o fuera de un rango de amplitud.

Este artículo describirá el uso de los comparadores de voltaje, sus características y los criterios clave para su selección. Al usar como ejemplo los dispositivos de Texas Instruments, se discutirá el uso de comparadores de voltaje para los detectores de umbral y de paso cero, junto con aplicaciones de osciladores de recuperación y relajación del reloj.

¿Qué es un comparador de voltaje?

Un comparador de voltaje es un dispositivo electrónico cuya salida es un estado lógico que indica cuál de sus dos entradas está a un voltaje mayor que la otra (Figura 1).

Figura 1: El funcionamiento básico de un comparador ilustrado en una simulación TINA-TI aplicando una onda sinusoidal a la entrada no inversora de un comparador mientras que la entrada inversora está referida a cero voltios (tierra). (Fuente de la imagen: DigiKey)

El comparador es un comparador único con salidas push-pull TLV3201AQDCKRQ1 de Texas Instruments. Como todos los comparadores, tiene dos entradas. Una entrada invertida marcada por un signo menos (-), y una entrada no invertida marcada por un signo más (+). Las entradas del comparador son muy parecidas a las de un amplificador operacional. La principal diferencia es que la salida del comparador es un estado lógico digital en lugar de un voltaje analógico. En la figura 1 la entrada es una onda sinusoidal de 1 megahercio (MHz) con una amplitud máxima de 200 milivoltios (mV). Cuando el voltaje en la entrada no inversora es mayor que el de la entrada inversora, la salida estará en el estado alto, 2.5 voltios en este caso. Cuando el voltaje en la entrada no inversora es menor que el de la entrada inversora, la salida pasa al estado bajo, -2.5 voltios en este caso. Este comparador tiene salidas de carril a carril, así que los estados lógicos de salida se extienden a los niveles de suministro de energía. En este ejemplo, se utilizan suministros simétricos positivos y negativos de 2.5 voltios, que se reflejan en la oscilación del voltaje de salida.

Una forma de pensar en un comparador es que es un convertidor análogo-digital (ADC) de un bit. Si se configura para cambiar de estado en un cruce de cero, su salida es esencialmente un bit de señal.

Este comparador tiene un tiempo de respuesta de 40 nanosegundos (ns), que se especifica como la velocidad o el retardo de propagación. Este es el tiempo desde que se cruza el umbral en la entrada hasta que la salida cambia de estado. La velocidad de propagación afecta a la rapidez con la que el comparador puede cambiar de estado, y es, en efecto, una especificación relacionada con el ancho de banda. El TLV3201 también tiene una histéresis de voltaje incorporada de 1.2 mV para contrarrestar la presencia de ruido en la entrada de la señal.

Histéresis y ruido

Si hay ruido o señales espurias en la entrada del comparador, el umbral puede ser cruzado varias veces y la salida puede seguir los cruces de umbral y conmutar varias veces (Figura 2).

Figura 2: El hecho de tener ruido en la entrada de la señal puede hacer que la salida del comparador cambie varias veces, ya que el ruido impulsa repetidamente la entrada por encima y por debajo del umbral. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Una solución a esta conmutación de salida no deseada es añadir histéresis de amplitud al circuito comparador. La histéresis hace que la salida del comparador mantenga su estado después de un cruce de umbral hasta que la amplitud de la entrada cambie en una cantidad fija. Esto se logra aplicando una retroalimentación positiva de la salida a la entrada del comparador que desplaza el valor umbral en un pequeño incremento (Figura 3).

Figura 3: La histéresis aplica una retroalimentación positiva a la entrada de referencia para desplazar el umbral en un incremento fijo. Como tal, los pequeños cambios de amplitud que se producen en la señal de entrada no pueden cambiar la salida. (Fuente de la imagen: DigiKey)

La resistencia R3 retroalimenta la salida a la entrada de referencia, desplazando el nivel de referencia una pequeña cantidad determinada por los valores de las resistencias R1, R2 y R3. Para los valores de resistencia dados, esto resulta en una histéresis de 400 mV, cambiando el umbral para que el estado de salida no cambie hasta que la entrada exceda la amplitud de la histéresis. El resultado es que la salida hace una sola transición en el cruce del umbral.

Algunas notas sobre el circuito utilizado comparado con el de la figura 1. Primero, las entradas inversas y no inversas se han intercambiado, invirtiendo la lógica de salida. La salida es una lógica alta cuando la señal está por debajo del umbral. Esta característica del circuito se utiliza en los circuitos que perciben cuando un valor está dentro o fuera de un rango de valores. El TLV3201 funciona con una sola fuente de alimentación de cinco voltios, no con la doble fuente de 2.5 voltios que se utiliza en la figura 1. Debido a esto, el voltaje de referencia se deriva por un divisor de voltaje R1 y R2 para estar a 2.5 voltios, el voltaje de modo común para la entrada. La señal de entrada también está sesgada a este voltaje de modo común. La onda triangular tiene una amplitud máxima de 2 voltios que se mueve en un nivel de sesgo de 2.5 voltios. Esta configuración de circuito es una alternativa común.

Percepción del valor dentro o fuera de una ventana

Un solo comparador de voltaje puede detectar si un voltaje de entrada está por encima o por debajo de un valor de umbral de referencia. Determinar si un voltaje de entrada está entre dos límites, llamado windowing, requiere dos comparadores, uno para cada límite (Figura 4).

Figura 4: Una configuración de circuito de ventana de comparador utiliza un comparador de doble voltaje para determinar si la entrada está dentro de dos niveles de voltaje, V_L y V_H. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El circuito de la ventana que se muestra utiliza un comparador de doble voltaje TLV6710DDCR de Texas Instruments. El TLV6710 comprende dos comparadores de alta precisión destinados a aplicaciones de alto voltaje. Los voltajes de suministro pueden estar entre 1.8 y 36 voltios. Incluye una fuente de referencia interna de 400 mV CC. Las salidas del comparador son conexiones de drenaje abiertas que pueden ser lógicamente "OR" atadas juntas a través de una resistencia común, como se muestra. Los comparadores están cableados de manera que el voltaje de referencia se aplica a la entrada inversora en uno (comparador A) y a la entrada no inversora en el otro (comparador B). La entrada se aplica a través del divisor de voltaje que consiste en las resistencias R1, R2 y R3 que establece los voltajes de umbral de 3.3 voltios para el límite inferior y 4.1 voltios para el límite superior. La salida del comparador está en el estado alto (3.3 voltios) cuando la entrada, V_MON, está dentro de la ventana. El comparador A indica cuando el voltaje de entrada es inferior a 4.1 voltios y el comparador B muestra cuando la entrada es superior a 3.3 voltios. Observe que ambos comparadores en el TLV6710 tienen una histéresis de voltaje interno nominal de 5.5 mV para ayudar a rechazar el ruido y los pequeños fallos.

El retardo de propagación de este comparador es típicamente de 9.9 microsegundos (µs) para una transición de alta a baja y de 28.1 µs para una transición de baja a alta. Esta diferencia se debe a la configuración de salida del drenaje abierto. La transición de alto a bajo es un pulldown activo por la salida FET, mientras que la transición de bajo a alto es un pullup pasivo a través de una resistencia que lleva más tiempo. Este comparador está destinado a aplicaciones de vigilancia de voltaje que no requieren un retardo de propagación extremadamente bajo.

Aplicación de ventanas

La ventana puede ser usada en la robótica para controlar la dirección del viaje de un robot usando luz y dos fotocélulas CDS. Por ejemplo, las fotocélulas de sulfuro de cadmio (CDS) cambian su resistencia en respuesta a la iluminación, teniendo una mayor resistencia cuando están oscuras y una resistencia mucho menor cuando están iluminadas. Una simulación TINA-TI ilustra este principio utilizando un comparador dual LM393BIPWR de Texas Instruments (Figura 5).

Figura 5: Una simulación de circuito para el control de la dirección de un robot usando dos motores de control etiquetados como Izquierda y Derecha. Cuando se aplican 5 voltios a los motores se mueven hacia adelante, cuando se aplican 0 voltios, se mueven en reversa. (Fuente de la imagen: DigiKey)

El comparador LM393B es un comparador doble con salidas de colector abierto que puede funcionar con tensiones de suministro de 3 a 36 voltios. En este circuito cada sección proporciona una señal de control de motor para cada uno de los dos motores designados como accionamiento izquierdo o accionamiento derecho.

Se utiliza un potenciómetro para modelar las dos fotocélulas de CDS. Un ajuste de potenciómetro de 0% a 40% representa la fotocélula derecha siendo iluminada con la fotocélula izquierda en la oscuridad. Los ajustes del 60% al 100% significan que la luz está principalmente en la fotocélula izquierda, con la fotocélula derecha oscura. Del 40% al 60% ambas fotocélulas están iluminadas. Cuando la señal de control del motor a cualquiera de los dos motores está a +5 voltios, el motor gira en dirección hacia adelante. Si la señal de control del motor está a 0 voltios, el motor funciona en reversa.

Cuando ambas fotocélulas están iluminadas por igual, ambos motores funcionan en dirección hacia adelante, moviendo el robot en línea recta. Cuando el potenciómetro está entre el 0% y el 40%, el motor izquierdo va en dirección de avance y el derecho en reversa, conduciendo al robot hacia la derecha. En la región del 60% al 100% el motor derecho gira en dirección hacia adelante, el motor izquierdo se invierte y el robot gira a la izquierda.

Los niveles de referencia del comparador se derivan de un divisor de voltaje y se fijan en 2 voltios (40% en el potenciómetro) para el controlador derecho y 3 voltios (60% en el potenciómetro) para el controlador izquierdo.

Oscilador de relajación

Al usar tanto la retroalimentación positiva como la negativa, un comparador puede ser configurado como un oscilador de relajación (Figura 6).

Figura 6: Al añadir un condensador a una de las entradas y aplicar retroalimentación a ese condensador se crea un oscilador de relajación. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Se puede crear un oscilador de relajación (también llamado multivibrador astable) con una salida de onda cuadrada usando el circuito que se muestra en la Figura 6. La frecuencia de la oscilación está determinada por la constante de tiempo de la resistencia-condensador de R1 y C1. Con C1 inicialmente descargado (0 voltios), el voltaje de entrada de inversión está por debajo del voltaje de referencia en la entrada no de inversión. La salida es forzada a 5 voltios. El condensador C1 se carga a través de R1 hasta el voltaje de referencia, momento en el cual la salida cae a 0 voltios. C1 se descarga a través de R1 hasta que cae por debajo del voltaje de referencia y el ciclo se repite. Al voltaje de referencia se le ha añadido la retroalimentación de histéresis (positiva). Cuando la salida es de 0 voltios la referencia es de 2.5 voltios. Cuando la salida es de 5 voltios, el voltaje de referencia aumenta en unos 1.7 voltios, llevándolo a 4.2 voltios. La respuesta transitoria, que se muestra en el gráfico, muestra las formas de onda de voltaje de salida (Vo) y del condensador (Vc).

La máxima frecuencia de oscilación está limitada por el retardo de propagación del comparador. En este caso, el TLV3201 de Texas Instruments con un retardo de propagación de 40 ns se utiliza para crear un oscilador de 10 MHz. Esta frecuencia está bastante cerca del máximo para este comparador.

Recuperación y restauración del reloj

Las señales de reloj transmitidas a través de placas base y cables sufren una degradación causada por las limitaciones de ancho de banda, interferencia entre símbolos (ISI), ruido, reflejos y diafonía. Los comparadores pueden utilizarse para recuperar las señales de los relojes y devolverlas a una forma más claramente definida (Figura 7).

Figura 7: Un comparador con un retardo de propagación de 7 ns con histéresis interna se utiliza para restaurar un reloj de 20 MHz. (Fuente de la imagen: DigiKey)

En este tipo de aplicación, el retardo de propagación es más crítico. La frecuencia máxima que un comparador puede rastrear es una función de los retardos de propagación y los tiempos de transición de salida:

 Ecuación 1

Donde: f_MAX es la máxima frecuencia de conmutación

t_Rise es el tiempo de subida de la salida

t_Fall es el tiempo de caída de la salida

t_{PD LH} es el retardo de propagación de bajo a alto

t_{PD HL} es el retardo de propagación de alto a bajo

El LMV7219M5X-NOPB de Texas Instruments funciona con un suministro de 5 voltios y tiene un tiempo de subida de 1.3 ns, un tiempo de bajada de 1.25 ns y un retardo de propagación típico de 7 ns para ambas direcciones de transición. Esto produce una frecuencia de conmutación máxima de 60.4 MHz. Incluso con un suministro de 2.7 voltios y un mayor retardo de propagación y tiempos de transición, la máxima conmutación para esta tasa de comparación es de unos 35 MHz, más que adecuada para este reloj de 20 MHz.

Además del notablemente bajo retardo de propagación, el LMV7219 incorpora una etapa de salida de empuje y tracción de riel a riel, lo que significa tiempos de subida y bajada cortos y uniformes. También tiene una histéresis interna de 7.5 mV para minimizar los efectos del ruido.

Conclusión:

El comparador de voltaje es una herramienta particularmente útil, ya sea para niveles de señal y ventanas para el IIoT, AI o ML en el borde, o para detección de nulos, recuperación de relojes o como oscilador.