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Analog-ICs / Mixed-Signal-ICs
Komparatoren
Bild 1: Vereinfachtes
Schaltbild eines Micropower-Komparators.
Bild: Linear Technology
Der Komparator
Einfaches Bauteil - trotzdem viel zu beachten!
Obgleich sie einfache Bauteile darstellen, erfüllen Komparatoren eine fundamentale
Funktion: Zwischen zwei Spannungen (oder Strömen) bestimmen sie, welche die
(der) größere ist. Beim Einsatz sind zahlreiche Spezifikationen zu beachten, auf die hier
näher eingegangen wird.
Autoren: Siegfried W. Best, Bob Dobkin
Komparatoren sind vielseitige Bauelemente,
deren Funktion in unzähligen Geräten
oder Systemen benötigt werden. Die
Grundfunktion ist der Vergleich einer
Spannung mit einer stabilen Referenzspannung
oder einfach der Vergleich zweier Spannungen.
Verwendet wird diese Funktion als Spannungsumsetzer
(Level Shifter), als Fensterdiskriminator, zur
Taktrückgewinnung, zur Sinus-Rechteckwandlung,
zur Kopfhörererkennung in tragbaren Geräten, als
Radsensor in der Kfz-Elektronik im ABS, in Radarsystemen
und so weiter. Manch ein Entwickler ist
geneigt, einen Operationsverstärker als Komparator
zu verwenden. Das ist grundsätzlich möglich, es
gibt aber Unterschiede, die zu beachten sind.
Vergleich von OpAmp und Komparator
Beide haben von außen gesehen neben den beiden
Stromversorgungspins einen invertierenden Eingang,
einen nicht-invertierenden Eingang und ein
Ausgang. Im Inneren hören aber die Gemeinsamkeiten
auf. Zwar sehen die Eingangsstufen beider
Bauteile sehr identisch aus, am Ausgang wird es
aber komplexer. Einige OpAmps können die Funktion
eines Komparators übernehmen, haben sie
doch eine sehr hohe Verstärkung und gut balancierte
differentielle Eingänge. In der Praxis sind
aber bestimmte Spannungskomparatoren schneller
als Allzweck OpAmps, außerdem haben Komparatoren
zusätzliche Merkmale wie z.B. eine interne
präzise Spannungsreferenz, eine einstellbare Hysterese
und getaktete Eingänge. Warum man anstelle
eines OpAmps besser einen Komparator einsetzt,
darauf geht Bob Dobkin, CTO von Linear Technology,
am Ende dieses Beitrags ein.
Grundfunktionen von Komparator
Der Komparator ist ein 1-Bit-Analog-Digital-Wandler.
Wie bereits beschrieben hat er einen positiven
und einen negativen Eingang. Ist die Spannung am
positiven Eingang höher, geht der Ausgang in einen
bestimmten Zustand oder gibt ein entsprechendes
Signal aus. Je nach Ausgangskonfiguration (open
collector oder push-pull) entspricht die Spannung
am Ausgangspin dann der Kollektorspannung des
Bipolartransistor oder der Drainspannung eines
FETs, d.h. der Ausgangs wird niederohmig. Bei einer
push-pull Konfiguration d.h. Gegentaktstufe (komplementäre
NPN/PNP-Stufe), auch Totem-Pole genannt,
geht er in den hochohmigen Zustand.
Komparatorausgänge im Detail
Der Ausgang eines Komparators kennt nur zwei
Zustände, er beträgt etwa Null Volt oder ist in der
Höhe der Betriebsspannung. Bipolare Rail-to-Rail
Komparators haben einen gemeinsamen Emitterausgang
mit einem kleinen Spannungsabfall zwischen
der Ausgangsspannung und jeder Railspannung,
dieser entspricht der Emitter-Kollektorspannung
eines Transistors in Sättigung. Bei kleinen
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Bild: Falko Matte - Fotolia
22 elektronik industrie 07/2011
www.elektronik-industrie.de
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