| von Siegfried W. Best

Bob Dobkin: „Man sollte einen Komparator einsetzen, wenn Geschwindigkeit und die Verbindung zur Logik wichtige Faktoren sind. Man sollte einen OPV verwenden, wenn die Geschwindigkeit nicht so wichtig ist und weitere Randbedingungen beachtet werden.“

Bob Dobkin: „Man sollte einen Komparator einsetzen, wenn Geschwindigkeit und die Verbindung zur Logik wichtige Faktoren sind. Man sollte einen OPV verwenden, wenn die Geschwindigkeit nicht so wichtig ist und weitere Randbedingungen beachtet werden.“Linear Technology

elektronik industrie: Warum sollten Entwickler Komparatoren einsetzen anstatt Operationsverstärker?

Bob Dobkin: Komparatoren sind speziell dafür entwickelt, sowohl mit kleinen als auch großen differenziellen Eingangsspannungen zu arbeiten. Außerdem sind sie dafür ausgelegt, schnell zu sein, und aus Sicht eines Entwicklers ist es umso besser, je schneller man den Komparator machen kann. Üblicherweise hat ein Komparator einen Ausgang, der speziell dafür geeignet ist, direkt mit unterschiedlichen Logikschaltungen verbunden zu werden. Diese Funktionen und Architekturen sind jedoch nicht immer die besten für unterschiedliche Applikationen. Ein Operationsverstärker (OPV) dagegen ist langsam; er hat eine Frequenzkompensation, die eine Verzögerung im Komparator verursacht. OPVs können über dem Eingang Rückkoppeldioden (back-to-back diodes) haben, was es ausschließt, große differenzielle Spannungen zu verwenden.

Wenn man einen OPV verwendet, gibt es mehrere Dinge zu beachten. Während die Frequenzkompensation den OPV langsam machen kann, kann diese unerheblich sein, wenn man eine Funktion hat, die nicht schnell sein muss, wie z.B. die Stromversorgung oder Batteriespannungen. Der OPV, da frequenzkompensiert, wird beim Übergang nicht oszillieren. Im Gegensatz zum Komparator, der ein sehr hohes Verstärkungsbandbreitenprodukt hat, kann mit einigen zehn Picofarad, die vom Ausgang in den Eingang zurück gekoppelt werden, schwingen. Auch hat der OPV einen großen Ausgangshub, was besser sein kann, wenn der Ausgang bestimmte analoge Funktionen ansteuert.

Man sollte also einen Komparator einsetzen, wenn Geschwindigkeit und die Verbindung zur Logik wichtige Faktoren sind. Man sollte einen OPV verwenden, wenn die Geschwindigkeit nicht so wichtig ist und die Chance besteht, dass der Ausgang auf den Eingang des OPVs koppelt und die Schaltung schwingt. Bei einem OPV muss man jedoch sorgfältig darauf achten, sicher zu stellen, dass er mit einer großen differenziellen Spannung arbeitet, wenn er als Komparator verwendet wird.

elektronik industrie: Was sollte ein Entwickler bezüglich der Betriebsspannung (Nennspannung) beachten?

Bob Dobkin: Natürlich müssen die Betriebsspannungen des Komparators mit den Spannungen der Ein- und Ausgänge übereinstimmen. Viele Komparatortypen können Eingänge haben, die mit Funktionen verbunden sind, die außerhalb des Systems liegen. Wenn dies der Fall ist, sollte man einen Komparator wählen, der Eingänge besitzt, die gut gegen Überspannungen und ESD geschützt sind.

Einige Komparatoren haben Eingänge, die über der Versorgungsspannung oder unterhalb der Masse arbeiten. Wenn die Spannungen höher als die Komparator-Nennspannung ist, sollten geeignete Schutzmaßnahmen, wie ein den Strom begrenzender Widerstand und Klemmdioden benutzt werden, um eine Zerstörung zu verhindern. Der Ausgang des Komparators sollte an die Last angepasst sein, die er betreibt. Relais benötigen beispielsweise Spannungsunterdrückungsdioden, um große Spannungsspitzen beim Ausschalten zu unterdrücken. Diese Probleme sind zwar Extremfälle, aber sie treten ziemlich häufig auf und müssen berücksichtigt werden, wenn man den Komparator auswählt.

elektronik industrie: Was sollte ein Entwickler bezüglich Geschwindigkeit, Laufzeitverzögerung, Toggle-Rate und Verlustleistung beachten?

Bob Dobkin: Nach meiner Erfahrung ist die Geschwindigkeit eines Komparators die am häufigsten missverstandene Spezifikation. Komparatoren werden beispielsweise bezüglich der Geschwindigkeit mit einer 5 mV Überspannung bei einem 100-mV -Schritt spezifiziert. Dies ist ein guter Weg, die Grundgeschwindigkeit eines Komparators zu betrachten. Der 100-Millivolt-Eingang stellt sicher, dass jede Stufe im Komparator bis auf ihre interne Grenze getrieben wird, so dass es keinen Geschwindigkeitsunterschied zwischen 100, 200 oder 500 mV geben sollte. Dann wird das Eingangssignal mit den 100 mV abgestuft und treibt den Komparatoreingang 5 mV in die andere Richtung. Diese 5 mV sind verglichen mit den 100 Millivolt eine sehr kleine treibende Kraft. Damit der Komparator also schnell wird, muss er aus seiner Sättigung von 100 mV kommen und dann mit diesen 5 mV Überschwingen auf das andere Spannungsextrem übergehen. Diese Geschwindigkeitsangabe ist deshalb ein guter Indikator für Geschwindigkeit und Laufzeitverzögerung des Komparators.

Eine weitere Kenngröße eines Komparators ist die Toggle-Rate, die angibt, wie schnell der Komparatorausgang bei einem Rechtecksignal mit niedrigem Pegel am Eingang vor und zurück schaltet. Üblicherweise wird die Toggle-Rate bei 50 oder 100 mV am Eingang gemessen. Dies ist ein guter Indikator für die Geschwindigkeit bei Applikationen wie dem generieren einer Rechteckspannung aus einem Sinussignal. Bei jedem Komparator stehen die Geschwindigkeit und Verlustleistung in engem Zusammenhang. Unterschiedliche Designs wie auch unterschiedliche Herstellungsprozesse haben verschiedene Verlustleistung. Ein schneller Fertigungsprozess für kleine Spannungen benötigt bei der gleichen Reaktionszeit weniger Leistung, als ein langsamerer Hochspannungsprozess. Deshalb sollte man, wenn man die Verlustleistung gering halten will, den Komparator auswählen, der mit der kleinsten Spannung auf dem schnellsten Fertigungsprozess läuft.

elektronik industrie: Was muss ein Entwickler bezüglich des Rauschens beachten?

Bob Dobkin: Rauschen gibt es bei jedem Komparator. Grundsätzlich ist ein Komparator ein Breitbandverstärker mit Klemmung, um die Laufzeitverzögerungen minimal zu halten, wenn der Ausgang in die eine oder andere Richtung in Sättigung geht. Wenn der Komparator in der Mitte dieses Bereichs arbeitet, dann verstärkt er das Rauschen der Eingangsstufe und auch der anderen Stufen in einem Breitbandverstärker mit hoher Verstärkungsbandbreite. Angenommen, der Komparator oszilliert nicht, wenn der Ausgang von einem Zustand in den anderen übergeht, wird der Mittenbereich des Übergangs sehr verrauscht sein. Dieses Rauschen kann wie Mehrfach-Übergänge zu den Logikschaltungen wirken, die der Komparator treibt.

Wenn dies ein Problem darstellt, sollte man eine Hysterese einfügen, so dass das Schalten von einem zum anderen Zustand eine größere Änderung des Eingangspegels erfordert, als dies das Rauschen des Komparators hervorruft. Komparatoren mit bipolaren Transistoreingängen zeigen ein geringeres Frequenzrauschen als MOS-Bausteine. Wenn die Signalpegel nahe an den Rauschpegeln des Komparators liegen, ist es eine gute Idee, einen zusätzlichen Verstärker vor dem Komparator zu benutzen, um das Rauschen unter Kontrolle zu halten.

elektronik industrie: Was sind die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Komparatorausgänge (Offener Kollektor, Latched-Ausgang, ECL-Pegel, LVDS)?

Bob Dobkin: Differenzielle Ausgänge, ob nun LVDS oder ECL, besitzen eine gewisse Sperre für unerwünschte Rückkopplungen vom Ausgang zum Eingang und sind deswegen weniger anfällig für das Oszillieren. Differenzielle Ausgänge können auch ohne Abschwächung des Signals abgeschlossene Kabel treiben.

Ein offener Kollektorausgang eignet sich gut für analoge aber auch digitale Schnittstellen. Diese Ausgänge haben üblicherweise einen Pull-up-Widerstand oder eine Stromquelle und können hohe Spannungen treiben – manchmal weit über der Versorgungsspannung. Die meisten offenen Kollektorausgänge können auch hohe Ströme für Bausteine wir LEDs und Relais treiben. Ein unsymmetrischer Ausgang zeigt die Tendenz in den Eingang zurück zu koppeln und Schwingungen zu generieren. Ein „Strobe-latched-Ausgang“ kann die Rückkopplung in den Eingang minimieren.

Siegfried W. Best

: ist Chefredakteur der AUTOMOBIL ELEKTRONIK

(sb)

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