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Analog-ICs / Mixed-Signal-ICs
Komparatoren
Bild: National Semiconductor
Bild: Linear Technology Bild: Linear Technology
Bild 2: Komparatoren werden als Einfach-, Zweifach- und Mehrfachvarianten
angeboten. Der LMV7231 ist ein 6fach Komparator, der sich u.a. so gut in
Batteriemanagementsystemen zur Zellenüberwachung einsetzen lässt.
Die unterschiedlichen Eingänge haben unterschiedliche Limitierungen
des Eingangssignals. Die Emitter-basierte Sperrschicht eines
NPN bricht zwischen 5 und 7 Volt durch. Dies begrenzt das differenzielle
Eingangssignal für den Komparator auf diese Spannungen. Für
höhere differenzielle Eingangsspannungen gibt es Strukturen, die
PNP-Transistoren verwenden, die bis zu 30 Volt verkraften ohne beschädigt
zu werden. CMOS-Eingangsstufen haben die gleichen Einschränkungen
wo zu große Spannungen eines differenziellen Eingangs
einen Durchbruch des Gateoxids hervorrufen. Viele dieser
Bausteine haben einen gewissen Schutz vor Durchbruch an den Eingängen,
es ist jedoch besser, das Design innerhalb der Limitierungen
des Komparators zu entwickeln. Es wurden auch neue Komparatoren
entwickelt, um als Teil eines Niederspannungssystems mit einer
3- oder 5-Volt-Stromversorgung zu arbeiten. Diese Komparatoren
sind üblicherweise nicht für große differenzielle Spannungen ausgelegt,
da die Emitter-Basis oder der Gateoxid-Durchbruch ausreichend
für alles innerhalb der Versorgungsspannung sind.
Ein erweiterter Eingangsbereich wird erzielt, so Bob Dopkin
weiter, wenn man Rail-to-Rail-Komparatoren einsetzt. Diese Komparatoren
arbeiten von Masse bis zur positiven Versorgungsspannung
und können das Schaltungsdesign vereinfachen. Das einzige
Problem das auftritt, ist, dass verschiedene Transistoren auf unterschiedlichen
Pegeln fühlen. Die Übergangsregion zwischen dem
Niederspannungseingang und einem Eingang höherer Spannung
schaltet einem Satz von Eingangstransistoren aus und einen zweiten
ein, was in einer Änderung des Offsets abhängig vom Eingang
des Komparators resultiert. Diese Offset-Änderung ist ein zusätzlicher
Fehler, der am Eingang beachtet werden muss, wenn man den
Betriebsbereich des Komparators betrachtet.
Bild 3 oben: Applikation eines Komparators zur Überstromanzeige.
Bild 4 unten: Applikation eines Komparators zur Ladungs/Entladungskontrolle
an einem Akku für 3 bis 44V.
Jitter von Komparatoren
In einigen Applikationen werden schnelle Komparatoren verwendet,
um aus Sinussignalen Rechteck-Taktimpulse zu formen. Da
der Ausgangsjitter des Komparators den Taktjitter bestimmt, ist es
wichtig, dessen Jitterspezifikationen zu kennen, um den Taktjitter
zu berechnen. Generell beschreibt der Jitter die Zeitfehler eines
Systems, dabei unterscheidet man zwei Jittertypen: Dem deterministischen
Jitter und dem Random Jitter.
Deterministischer Jitter ist definiert als Jitter mit nicht Gausscher
Dichte-Verteilung, er ist zeitlich begrenzt und hat spezielle
Ursachen: Duty-cycle Distortion (durch Zeitdifferenz zwischen
ansteigender und fallender Flanke), EMI, Übersprechen sowie
Masseprobleme und solche durch den Einfluss der Spannungsversorgung.
Deterministischer Jitter wird durch den Spitze-zu-Spitze
Wert beschrieben. Random Jitter ist definiert als Jitter mit Gausscher
Dichte-Verteilung, die Amplitude ist zeitlich nicht begrenzt,
der Wert wird als Effektivwert angegeben. Hauptquelle für Random
Jitter ist thermisches Rauschen (weißes Rauschen) innerhalb
von System-Komponenten. In einem Komparator zum Beispiel,
hängt die Slewrate vom thermischen Rauschen ab und erzeugt
Zeitfehler am Ausgang. Die Summe aus deterministischem und
Random Jitter ist der Gesamt-Jitter, der durch einen Spitze-zu-
Spitze Wert ausgedrückt wird. Konvertiert man den Random Jitter
Effektivwert in einen Spitze-zu-Spitze Wert, kommt man zur Bit-
Error Rate (BER).
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Die Autoren: Bob Dobkin CTO und Vice President bei
Linear Technology und Siegfried W. Best, Redaktion
elektronik industrie.
26 elektronik industrie 07 / 2011
www.elektronik-industrie.de
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