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        模擬電壓比較器的基本要點及使用方法:從電平檢測到振蕩器
        文章來源:永阜康科技 更新時間:2022/3/24 12:00:00
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        作者:Art Pini

        當設計師希望在物聯網 (IoT)、工業物聯網 (IIoT)、人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 應用的邊緣收集更多數據時,就需要采用一種簡單的方法來檢測電壓、電流、溫度或壓力等測量值,以確定其是否高于或低于閾值。類似地,也通常需要知道所測的量在數值范圍之內或之外。存在噪聲和干擾信號時很難在邊緣進行這種判定,但是,如果能夠正確選擇并使用電壓比較器會有助于改善這種局面。

        電壓比較器是一種用于電壓比較的電子器件,能夠比較輸入電壓與已知參考電壓并根據輸入是高于還是低于參考值來更改其輸出狀態。該功能滿足了檢測閾值交叉、零位和信號幅值是否在幅值范圍之內或之外的要求。

        本文將介紹電壓比較器的使用、特性及其關鍵的選型標準。本文以 Texas Instruments 的器件為例,討論如何使用電壓比較器檢測閾值和過零,以及時鐘恢復和張弛振蕩器應用。

        什么是電壓比較器?

        電壓比較器是一種輸出邏輯狀態的電子器件,用于指示兩個輸入中電壓高的那個輸入(圖 1)。


        圖 1:TINA-TI 仿真說明了比較器的基本工作原理:在比較器的同相輸入端施加正弦波,而反相輸入端連接參考零伏(地)。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

        所用比較器采用 Texas Instruments 的 TLV3201AQDCKRQ1 單比較器,該器件具有推挽輸出。像所有比較器一樣,該器件有兩個輸入。帶負號 (-) 的反相輸入和帶正號 (+) 的同相輸入。比較器輸入非常類似于運算放大器輸入。主要區別在于比較器輸出是數字邏輯狀態而非模擬電壓。在圖 1 中,輸入是幅值為 200 毫伏 (mV) 的 1 兆赫茲 (MHz) 正弦波。當同相輸入端的電壓大于反相輸入端的電壓時,輸出將處于高電平狀態,此時為 2.5 伏。當同相輸入端的電壓低于反相輸入端的電壓時,輸出將變為低電平狀態,此時為 -2.5 伏。該比較器具有軌至軌輸出,因此輸出邏輯狀態可擴展到電源電平。本例中,使用對稱的 2.5 伏正負電源并且反映在輸出電壓擺幅中。

        一種考慮比較器的方法是,將其看作單位模數轉換器 (ADC) 。如果配置為在過零時改變狀態,則其輸出本質上是符號位。

        該比較器的響應時間為 40 納秒 (ns),規定為傳播速度或延遲。這是從輸入端發生閾值交叉直到輸出端改變狀態為止的時間。傳播速度會影響比較器的狀態轉換速度,而且實際中是帶寬相關的規范。TLV3201 還具有 1.2 mV 內置電壓遲滯,可用于抵消信號輸入端的噪聲。

        遲滯和噪聲

        如果比較器輸入端存在噪聲或雜散信號,則可能會發生多次閾值交叉且輸出可能會隨著閾值交叉進行多次轉換(圖 2)。


        圖 2:信號輸入端存在噪聲可能會導致比較器輸出發生多次轉換,因為噪聲反復驅動輸入,使其繞閾值上下擺動。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

        解決這種有害的輸出轉換的方法是在比較器電路中增加幅值遲滯。遲滯會使比較器在其輸出超過閾值后保持其狀態,直到輸入幅值的變化量固定為止。這是通過將正反饋從比較器的輸出施加到比較器的輸入端來實現的,該反饋可以小增量的形式實現閾值偏移(圖 3)。


        圖 3:遲滯將正反饋施加到參考輸入端,使閾值按照固定的增量進行偏移。這樣,由輸入信號決定的較小的幅值變化不會改變輸出。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

        電阻 R3 將輸出反饋到參考輸入端,使得參考電平偏移由電阻器 R1、R2 和 R3 的阻值確定的一個較小的值。給定電阻值時,這將導致 400 mV 的遲滯,從而改變閾值,以使輸出狀態直到輸入超過遲滯幅值才改變。這樣的結果就是輸出在閾值交叉處進行單轉換。

        關于用來與圖 1 所示電路進行比較的電路的一些注意事項。首先,反相和同相輸入已互換,導致輸出邏輯反相。當信號低于閾值時,輸出為邏輯高電平。該電路特征用在檢測某個數值何時在數值范圍內或范圍外的電路中。TLV3201 采用 5 伏單電源供電,而不是圖 1 所示的雙 2.5 伏供電。因此,參考電壓通過分壓電阻 R1 和 R2 獲得,具體為輸入端的 2.5 伏共模電壓。輸入信號也被偏置到該共模電壓。三角波的峰值電壓為 2 伏,偏置電壓為 2.5 伏。這種電路配置是一種常見的選擇。

        檢測位于窗口內或窗口外的值

        單電壓比較器可以檢測輸入電壓是高于還是低于參考閾值。確定輸入電壓是否在兩個極限之間時(稱為開窗),需要使用兩個比較器,每個極限值使用一個比較器(圖 4)。


        圖 4:比較器窗口電路配置使用雙電壓比較器來確定輸入是否在兩個電壓電平(VL 和 VH)之間。(圖片來源: Texas Instruments)

        所示窗口電路采用了 Texas Instruments 的 TLV6710DDCR 雙電壓比較器。TLV6710 包含兩個用于高電壓應用的高精度比較器。供電電壓可以在 1.8 至 36 伏之間。該器件包含一個 400 mV 內部 DC 參考源。如圖所示,比較器輸出采用開漏連接,可以通過一個公共上拉電阻將其輸出連接在一起,進行邏輯“或”運算。比較器已接線,以便將參考電壓施加到其中一個比較器(比較器 A)的反相輸入端,非反向輸入施加到另一個比較器(比較器 B)。通過由電阻 R1、R2 和 R3 組成的分壓器施加輸入電壓,分壓器將下限閾值電壓設置為 3.3 伏,上限閾值電壓設置為 4.1 伏。當輸入 VMON 在窗口內時,比較器輸出為高電平(3.3 伏)。比較器 A 指示輸入電壓低于 4.1 伏,比較器 B 指示輸入電壓超過 3.3 伏。TLV6710 的內部額定電壓遲滯為 5.5 mV,有助于抑制噪聲和小毛刺。

        對于從高向低轉換,該比較器的傳播延遲通常為 9.9 微秒 (μs),從低到高轉換時為 28.1 μs。這種差異是由于漏極開路輸出的配置引起的。從高到低轉換是通過輸出 FET 實現的有源下拉,而從低到高轉換則是通過電阻進行的無源上拉,這就需要更多時間。該比較器用于電壓監測應用,無需極低的傳播延遲。

        窗口應用

        窗口可用于機器人技術,通過光線和兩個 CDS 光電管來控制機器人的移動方向。例如,硫化鎘 (CDS) 光電池在燈光下會改變電阻,黑暗環境下電阻較高而燈光下則電阻較小。TINA-TI 仿真使用 Texas Instruments LM393BIPWR 雙比較器說明了這一原理(圖 5)。


        圖 5:使用標有“左”和“右”的雙電機控制的機器人轉向控制電路仿真。當向電機施加 5 伏特電壓時,電機向前移動;當施加 0 伏特時,反向移動。(圖片來源:Digi-Key Electronics)(圖片來源:Digi-Key Electronics)

        LM393B 比較器是一款雙比較器,具有集電極開路輸出,可以在 3 - 36 伏的電源電壓下運行。在該電路中,每個部分都向兩臺電機中規定為左或右驅動器的電機提供控制信號。

        電位計用于模擬兩個 CDS 光電池。電位計設置為 0% 到 40% 表示右側光電池受到光照,而左側光電池則處于黑暗中。從 60% 到 100% 的設置表示光線主要照在左側光電池上,而右側光電池處于黑暗中。從 40% 到 60%的兩個光電池都受到光照。當發送至任一電機的電機控制信號為 +5 伏時,電機正向旋轉。如果電動機控制信號為 0 伏,則電機反向轉動。

        當兩個光電池均受到光照時,兩個電機都向前運行,從而使機器人向前直線移動。當電位計在 0% 到 40% 之間時,左電機向前運行,右電機反向運行,從而將機器人向右驅動。在 60% 到 100% 的區域時,右電機向前轉動,左電機反向,則機器人向左移動。

        比較器的參考電平來自分壓器,右控制器的參考電壓設為 2 伏(電位計的 40%),左控制器的參考電壓設為 3 伏(電位計的 60%)。

        弛張振蕩器

        通過使用正負反饋,可以將比較器配置為弛張振蕩器(圖 6)。


        圖 6:通過在其中一個輸入端添加電容器并向其施加反饋,可以創建一個張弛振蕩器。(圖片來源:Digi-Key Electronics)(圖片來源:Digi-Key Electronics)

        可以使用圖 6 所示的電路創建具有方波輸出的齒張振蕩器(也稱為不穩定多諧振蕩器)。振蕩頻率由 R1 和 C1 的電阻電容時間常數確定。當 C1 最初放電(0 伏)時,反相輸入電壓低于同相輸入端的參考電壓。輸出被強制為 5 伏。電容器 C1 通過 R1 充電至參考電壓,此時輸出降至 0 伏。C1 通過 R1 放電直到其降至參考電壓以下,然后重復該循環。參考電壓已添加了遲滯(正)反饋。當輸出為 0 伏時,參考電壓為 2.5 伏。當輸出為 5 伏時,參考電壓將增加約 1.7 伏,從而使其達到 4.2 伏。如圖所示,瞬態響應顯示了輸出 (Vo) 和電容器 (Vc) 的電壓波形。

        最大振蕩頻率受比較器傳播延遲的限制。本例中,采用具有 40 ns 傳播延遲的 Texas Instruments TLV3201 用于構建 10 MHz 振蕩器。該頻率非常接近該比較器的最大值。

        時鐘的恢復與還原

        通過背板和電纜傳輸的時鐘信號會因帶寬限制、碼間干擾 (ISI)、噪聲、反射和串擾導致性能下降。比較器可用于恢復時鐘信號并將其恢復為更清晰定義的形式(圖 7)。


        圖 7:具有 7 ns 傳播延遲和內部遲滯的比較器用于恢復 20 MHz 時鐘。(圖片來源:Digi-Key Electronics)

        在這類型應用中,傳播延遲更為關鍵。比較器可以跟蹤的最大頻率是傳播延遲和輸出轉換時間的函數:

        公式 1

        其中:fMAX 是最大觸發頻率

        tRise 是輸出上升時間
        tFall 是輸出下降時間
        tPD LH 是從低到高的傳播延遲
        tPD HL 是從高到低的傳播延遲

        Texas Instruments LMV7219M5X-NOPB 使用 5 伏工作電源,上升時間為 1.3 ns,下降時間為 1.25 ns,兩個轉換方向的典型傳播延遲為 7 ns。這樣產生的最大觸發頻率為 60.4 MHz。即使采用 2.7 伏電源、更長的傳播延遲和轉換時間,該比較器速率的最大跳變約為 35 MHz,也足以滿足該 20 MHz 時鐘的需求。

        除了極低的傳播延遲外,LMV7219 還集成了一個軌至軌推挽輸出級,這意味著較短且均勻的上升和下降時間。該器件還具有 7.5 mV 內部遲滯,能最大程度地減少噪聲影響。

        結論

        比較器是連通模擬和數字世界的橋梁,無論用于邊緣 IIoT、AI 或 ML 信號電平和窗口化,還是用于零檢測、時鐘恢復,再或者用作振蕩器,電壓比較器都將是一種特別有用的工具。

         
         
         
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