Principes fondamentaux des comparateurs de tensions analogiques et leur utilisation : de la détection de niveau aux oscillateurs

Alors que les concepteurs cherchent à rassembler davantage de données en périphérie pour les applications Internet des objets (IoT), Internet industriel des objets (IIoT), d'intelligence artificielle (IA) et d'apprentissage automatique (Machine Learning, ML), ils ont besoin d'un moyen simple pour détecter si une valeur mesurée, qu'il s'agisse de tension, courant, température ou pression, est supérieure ou inférieure à un seuil. De même, il est souvent nécessaire de savoir si une quantité mesurée se situe dans ou hors d'une plage de valeurs. Il est souvent difficile de faire cette détermination en périphérie en présence de bruit et de signaux parasites, mais des comparateurs de tension correctement sélectionnés et appliqués peuvent aider.

Un comparateur de tension est un dispositif électronique qui compare une tension d'entrée à une tension de référence connue et modifie son état de sortie selon que l'entrée est supérieure ou inférieure à la référence. Cette capacité répond au besoin de détecter les dépassements de seuil, les valeurs nulles et les amplitudes de signaux à l'intérieur ou à l'extérieur d'une plage d'amplitudes.

Cet article décrit l'utilisation des comparateurs de tension, leurs caractéristiques et les principaux critères de sélection. À l'aide d'exemples de dispositifs de Texas Instruments, il sera question de l'utilisation de comparateurs de tension pour les détecteurs de seuil et de passage par zéro, et des applications d'extraction du signal d'horloge et d'oscillateur à relaxation.

Qu'est-ce qu'un comparateur de tension ?

Un comparateur de tension est un dispositif électronique dont la sortie est un état logique qui indique laquelle de ses deux entrées est à une tension plus élevée que l'autre (Figure 1).

Figure 1 : Fonctionnement de base d'un comparateur illustré dans une simulation TINA-TI en appliquant une onde sinusoïdale à l'entrée non inverseuse d'un comparateur tandis que l'entrée inverseuse est référencée à zéro volt (masse). (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le comparateur est un comparateur simple à sorties push-pull TLV3201AQDCKRQ1 de Texas Instruments. Comme tous les comparateurs, il a deux entrées. Une entrée inverseuse marquée par un signe moins (-), et une entrée non inverseuse marquée par un signe plus (+). Les entrées du comparateur sont très similaires à celles d'un amplificateur opérationnel. La principale différence est que la sortie du comparateur est un état logique numérique plutôt qu'une tension analogique. Dans la Figure 1, l'entrée est une onde sinusoïdale de 1 mégahertz (MHz) avec une amplitude de crête de 200 millivolts (mV). Lorsque la tension à l'entrée non inverseuse est supérieure à celle à l'entrée inverseuse, la sortie est à l'état haut, 2,5 volts (V) dans ce cas. Lorsque la tension à l'entrée non inverseuse est inférieure à celle de l'entrée inverseuse, la sortie passe à l'état bas, -2,5 V dans ce cas. Ce comparateur a des sorties rail-à-rail, de sorte que les états logiques de sortie s'étendent aux niveaux d'alimentation. Dans cet exemple, des alimentations de 2,5 V positives et négatives symétriques sont utilisées et se reflètent dans l'excursion de tension de sortie.

On peut voir un comparateur comme un convertisseur analogique-numérique (CAN) 1 bit. S'il est configuré pour changer d'état lors d'un passage par zéro, sa sortie est essentiellement un bit de signe.

Ce comparateur a un temps de réponse de 40 nanosecondes (ns), qui est spécifié comme étant le temps ou la vitesse de propagation. C'est le temps qui s'écoule entre le dépassement de seuil à l'entrée et le changement d'état de la sortie. La vitesse de propagation affecte la vitesse à laquelle le comparateur peut changer d'état, et est en fait une spécification liée à la largeur de bande. Le TLV3201 intègre également une hystérésis de tension de 1,2 mV pour contrer la présence de bruit sur l'entrée du signal.

Hystérésis et bruit

S'il y a du bruit ou des signaux parasites sur l'entrée du comparateur, le seuil peut être dépassé plusieurs fois et la sortie peut suivre les dépassements de seuil et commuter plusieurs fois (Figure 2).

Figure 2 : Le bruit à l'entrée du signal peut faire commuter la sortie du comparateur plusieurs fois car le bruit fait passer l'entrée au-dessus et au-dessous du seuil de manière répétée. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Une solution à cette commutation de sortie indésirable consiste à ajouter une hystérésis d'amplitude au circuit du comparateur. L'hystérésis fait que la sortie du comparateur maintient son état après le dépassement d'un seuil jusqu'à ce que l'amplitude d'entrée change par une quantité fixe. Pour ce faire, on applique une rétroaction positive de la sortie à l'entrée du comparateur qui décale la valeur du seuil d'un petit incrément (Figure 3).

Figure 3 : L'hystérésis applique une rétroaction positive à l'entrée de référence pour décaler le seuil d'un incrément fixe. Ainsi, les petites variations d'amplitude sur le signal d'entrée ne peuvent pas modifier la sortie. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

La résistance R3 renvoie la sortie à l'entrée de référence, en décalant le niveau de référence d'une petite quantité déterminée par les valeurs des résistances R1, R2 et R3. Pour les valeurs de résistance données, il en résulte une hystérésis de 400 mV, modifiant le seuil de sorte que l'état de sortie ne change pas tant que l'entrée ne dépasse pas l'amplitude d'hystérésis. En conséquence, la sortie effectue une seule transition lorsque le seuil est dépassé.

Quelques remarques sur le circuit utilisé par rapport au circuit de la Figure 1. Tout d'abord, les entrées inverseuses et non inverseuses ont été permutées, inversant la logique de sortie. La sortie est logique haute lorsque le signal est en dessous du seuil. Cette caractéristique de circuit est utilisée dans les circuits qui détectent si une valeur se trouve dans ou hors d'une plage de valeurs. Le TLV3201 fonctionne avec une seule alimentation de 5 V, et non avec l'alimentation double de 2,5 V utilisée dans la Figure 1. De ce fait, la tension de référence est dérivée par un diviseur de tension R1 et R2 pour être à 2,5 V, la tension de mode commun pour l'entrée. Le signal d'entrée est également polarisé à cette tension de mode commun. L'onde triangulaire a une amplitude de crête de 2 V sur un niveau de polarisation de 2,5 V. Cette configuration de circuit est une alternative courante.

Détection d'une valeur dans ou en dehors d'une fenêtre

Un comparateur de tension unique peut détecter si une tension d'entrée est supérieure ou inférieure à une valeur seuil de référence. Pour déterminer si une tension d'entrée se situe entre deux limites, deux comparateurs sont requis, un pour chaque limite (Figure 4).

Figure 4 : Une configuration de circuit de fenêtre pour un comparateur utilise un comparateur de tension double pour déterminer si l'entrée se trouve entre deux niveaux de tension, V_L et V_H. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le circuit de fenêtre illustré utilise un comparateur de tension double TLV6710DDCR de Texas Instruments. Le TLV6710 contient deux comparateurs de haute précision destinés aux applications haute tension. Les tensions d'alimentation peuvent être comprises entre 1,8 V et 36 V. Le dispositif inclut une source de référence CC interne de 400 mV. Les sorties du comparateur sont des connexions à drain ouvert avec la possibilité d'un « OU » logique lorsqu'elles sont connectées entre elles par une résistance d'excursion haute standard, comme illustré. Les comparateurs sont câblés de manière à ce que la tension de référence soit appliquée à l'entrée inverseuse sur l'un (comparateur A) et à l'entrée non inverseuse sur l'autre (comparateur B). L'entrée est appliquée par l'intermédiaire du diviseur de tension composé des résistances R1, R2 et R3, fixant les tensions de seuil de 3,3 V pour la limite inférieure et de 4,1 V pour la limite supérieure. La sortie du comparateur est à l'état haut (3,3 V) lorsque l'entrée, V_MON, se trouve dans la fenêtre. Le comparateur A indique lorsque la tension d'entrée est inférieure à 4,1 V et le comparateur B indique lorsque l'entrée est supérieure à 3,3 V. Notez que les deux comparateurs dans le TLV6710 ont une hystérésis de tension interne nominale de 5,5 mV pour aider à rejeter le bruit et les parasites.

Le temps de propagation de ce comparateur est typiquement de 9,9 microsecondes (µs) pour une transition haut-bas et de 28,1 µs pour une transition bas-haut. Cette différence est due à la configuration de sortie à drain ouvert. La transition haut-bas est une excursion basse active par le FET de sortie, tandis que la transition bas-haut est une excursion haute passive via une résistance prenant plus de temps. Ce comparateur est destiné aux applications de surveillance de la tension n'exigeant pas un temps de propagation extrêmement faible.

Application de fenêtrage

Le fenêtrage peut être utilisé dans la robotique pour contrôler la direction de déplacement d'un robot à l'aide de la lumière et de deux cellules photoélectriques CDS. Par exemple, les cellules photoélectriques au sulfure de cadmium (CDS) modifient leur résistance en fonction de l'éclairage, avec une résistance plus élevée dans l'obscurité et une résistance beaucoup plus faible en conditions de lumière. Une simulation TINA-TI illustre ce principe en utilisant un comparateur double LM393BIPWR de Texas Instruments (Figure 5).

Figure 5 : Simulation de circuit pour la commande de direction d'un robot avec deux moteurs de commande gauche et droit. On applique 5 V aux moteurs pour la marche avant, et 0 V pour la marche arrière. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Le comparateur LM393B est un comparateur double à sorties à collecteur ouvert, qui peut fonctionner avec des tensions d'alimentation de 3 V à 36 V. Dans ce circuit, chaque section fournit un signal de commande de moteur pour chacun des deux moteurs désignés comme commande gauche ou commande droite.

Un potentiomètre est utilisé pour modéliser les deux cellules photoélectriques CDS. Un paramètre du potentiomètre de 0 % à 40 % représente la cellule photoélectrique droite éclairée, et la cellule photoélectrique gauche dans l'obscurité. Les paramètres de 60 % à 100 % signifient que la lumière se trouve principalement sur la cellule photoélectrique gauche, avec la cellule photoélectrique droite dans l'obscurité. De 40 % à 60 %, les deux cellules photoélectriques sont éclairées. Lorsque le signal de commande de l'un ou l'autre des moteurs est à +5 V, le moteur tourne dans le sens de la marche. Si le signal de commande du moteur est à 0 V, le moteur tourne en marche arrière.

Lorsque les deux cellules photoélectriques sont éclairées de la même manière, les deux moteurs tournent en marche avant, ce qui déplace le robot droit en avant. Lorsque le potentiomètre se situe entre 0 % et 40 %, le moteur gauche tourne en marche avant et le moteur droit en marche arrière, ce qui entraîne le robot vers la droite. Dans la région de 60 % à 100 %, le moteur droit tourne en marche avant, le moteur gauche en marche arrière, et le robot tourne à gauche.

Les niveaux de référence du comparateur sont dérivés d'un diviseur de tension et sont fixés à 2 V (40 % sur le potentiomètre) pour le contrôleur droit et à 3 V (60 % sur le potentiomètre) pour le contrôleur gauche.

Oscillateur à relaxation

En utilisant à la fois la rétroaction positive et négative, un comparateur peut être configuré en tant qu'oscillateur à relaxation (Figure 6).

Figure 6 : En ajoutant un condensateur à l'une des entrées et en appliquant une rétroaction à ce condensateur, un oscillateur à relaxation est créé. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Un oscillateur à relaxation (également appelé multivibrateur astable) avec une sortie en onde carrée peut être créé en utilisant le circuit illustré à la Figure 6. La fréquence d'oscillation est déterminée par la constante de temps résistance-condensateur de R1 et C1. Avec C1 initialement déchargé (0 V), la tension d'entrée inverseuse est inférieure à la tension de référence sur l'entrée non inverseuse. La sortie est forcée à 5 V. Le condensateur C1 est chargé via R1 jusqu'à la tension de référence, moment auquel la sortie tombe à 0 V. C1 est déchargé via R1 jusqu'à ce qu'il tombe en dessous de la tension de référence et le cycle se répète. Une rétroaction (positive) d'hystérésis est ajoutée à la tension de référence. Lorsque la sortie est de 0 V, la référence est de 2,5 V. Lorsque la sortie est de 5 V, la tension de référence augmente d'environ 1,7 V, ce qui l'amène à 4,2 V. La réponse transitoire, illustrée dans le graphique, montre les formes d'ondes de la tension de sortie (Vo) et de la tension du condensateur (Vc).

La fréquence d'oscillation maximum est limitée par le temps de propagation du comparateur. Dans ce cas, le TLV3201 de Texas Instruments avec un temps de propagation de 40 ns est utilisé pour créer un oscillateur de 10 MHz. Cette fréquence est assez proche de la valeur maximum pour ce comparateur.

Extraction du signal d'horloge et restauration

Les signaux d'horloge transmis via des fonds de panier et des câbles subissent une dégradation causée par les limitations de bande passante, les interférences intersymboles (ISI), le bruit, les réflexions et la diaphonie. Les comparateurs peuvent être utilisés pour récupérer les signaux d'horloge et les restituer sous une forme plus clairement définie (Figure 7).

Figure 7 : Un comparateur avec un temps de propagation de 7 ns avec hystérésis interne est utilisé pour restaurer une horloge de 20 MHz. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Dans ce type d'application, le temps de propagation est plus critique. La fréquence maximum qu'un comparateur peut suivre est fonction des temps de propagation et des temps de transition de sortie :

Équation 1

Où : f_MAX est la fréquence de basculement maximum

t_Rise est le temps de montée de la sortie

t_Fall est le temps de descente de la sortie

t_{PD LH} est le temps de propagation bas-haut

t_{PD HL} est le temps de propagation haut-bas

Le LMV7219M5X-NOPB de Texas Instruments, fonctionnant avec une alimentation de 5 V, a un temps de montée de 1,3 ns, un temps de descente de 1,25 ns, et un temps de propagation typique de 7 ns pour les deux directions de transition. Cela donne une fréquence de basculement maximum de 60,4 MHz. Même avec une alimentation de 2,7 V et des temps de propagation et de transition plus longs, le basculement maximum pour ce comparateur est d'environ 35 MHz, ce qui est plus que suffisant pour cette horloge de 20 MHz.

En plus du temps de propagation remarquablement faible, le LMV7219 intègre un étage de sortie push-pull rail-à-rail, ce qui permet des temps de montée et de descente courts et réguliers. Il a également une hystérésis interne de 7,5 mV pour minimiser les effets du bruit.

Conclusion

Reliant les mondes analogique et numérique, le comparateur de tension est un outil particulièrement utile, que ce soit pour les niveaux de signaux et le fenêtrage pour l'IIoT, l'IA ou le ML en périphérie, ou pour la détection de valeur nulle, l'extraction du signal d'horloge ou en tant qu'oscillateur.