아날로그 전압 비교기에 대한 요약 정보와 레벨 감지에서 발진기에 이르는 사용 방법

설계자가 사물 인터넷(IoT), 산업용 IoT(IIoT), 인공 지능(AI) 및 머신 러닝(ML) 응용 제품을 위해 에지에서 더 많은 데이터를 수집하려고 함에 따라, 설계자는 측정된 값 - 전압, 전류, 온도 또는 압력이 임계값보다 높은지 또는 낮은지 감지하는 간단한 방법을 필요로 합니다. 마찬가지로, 측정된 크기가 값 범위 내에 있는지 또는 해당 범위를 벗어나는지를 알아야 하는 경우가 많습니다. 잡음 및 방해 신호가 있는 에지에서 이러한 결정을 내리는 것은 어려운 경우가 많지만 전압 비교기를 적절하게 선택하고 적용하면 도움이 될 수 있습니다.

전압 비교기는 입력 전압을 알려진 레퍼런스 전압과 비교하고 입력이 레퍼런스보다 높은지 또는 낮은지에 따라 출력 상태를 변경하는 전기 장치입니다. 이러한 기능은 진폭 범위 이내 또는 외부에서 임계값 교차 지점, 널, 신호 진폭을 감지해야 하는 요구 사항을 충족합니다.

이 기사에서는 전압 비교기의 사용과 특성 및 주요 선택 기준을 설명합니다. Texas Instruments의 예시 장치를 사용하여, 클록 회복 및 이완 발진기 응용 제품과 함께 임계값 및 영점 교차 감지기를 위한 전압 비교기의 사용을 설명합니다.

전압 비교기란?

전압 비교기란 논리 상태를 출력하는 전기 장치로서 두 개 입력 중 전압이 더 높은 입력을 나타냅니다(그림 1).

그림 1: 비교기의 비반전 입력에 사인파를 인가하여(반전 입력은 0볼트(접지)를 기준으로 함) TINA-TI 시뮬레이션에 표시된 비교기의 기본 작동. (이미지 출처: DigiKey)

이 비교기는 푸시-풀 출력을 제공하는 Texas Instruments TLV3201AQDCKRQ1 단일 비교기입니다. 모든 비교기처럼 이 비교기도 두 개 입력을 가집니다. 반전 입력은 마이너스 기호(-)로 표시되고 비반전 입력은 플러스 기호(+)로 표시됩니다. 비교기 입력은 연산 증폭기에 대한 입력과 매우 유사합니다. 가장 큰 차이점은 비교기 출력이 아날로그 전압이 아니라 디지털 논리 상태이라는 것입니다. 그림 1에서 입력은 200밀리볼트(mV) 피크 진폭의 1메가헤르츠(MHz) 사인파입니다. 비반전 입력의 전압이 반전 입력의 전압보다 클 경우 출력은 High 상태, 2.5V(이 경우)가 됩니다. 비반전 입력의 전압이 반전 입력의 전압보다 낮으면 출력은 Low 상태, -2.5V(이 경우)가 됩니다. 이 비교기는 레일 투 레일 출력을 제공하므로 출력 논리 상태가 전원 공급 레벨까지 확장됩니다. 이 예에서는 대칭 포지티브 및 네거티브 2.5V 공급 장치가 사용되며 출력 전압 스윙에 반영됩니다.

비교기에 대해 생각하는 한 가지 방법은 비교기가 1비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC)라는 것입니다. 영점 교차에서 상태가 변경되도록 구성된 경우 해당 출력은 기본적으로 기호 비트입니다.

이 비교기는 40나노초(ns) 응답 시간을 가지며 전파 속도 또는 지연으로 지정됩니다. 이는 입력의 임계값 교차부터 출력의 상태가 변경될 때까지의 시간입니다. 전파 속도는 비교기가 얼마나 빠르게 상태를 전환할 수 있는지에 영향을 미치며 사실상 대역폭과 연관된 사양입니다. TLV3201은 또한 신호 입력의 잡음에(있는 경우) 대응하기 위해 1.2mV의 내장된 전압 히스테리시스를 갖습니다.

히스테리시스 및 잡음

비교기 입력에 잡음 또는 스퓨어리스 신호가 있는 경우 임계값이 여러 번 교차될 수 있으며 출력에 임계값 교차가 나타나고 출력이 여러 번 전환될 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 신호 입력에 잡음이 있는 경우 잡음이 입력을 임계값 위 아래로 반복적으로 구동하므로 비교기 출력이 여러 번 전환될 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

이 원치 않는 출력 전환에 대한 해결책은 비교기 출력에 진폭 히스테리시스를 추가하는 것입니다. 히스테리시스는 임계값 교차 이후 입력 진폭이 고정 크기만큼 변경될 때까지 비교기 출력이 해당 상태를 유지하도록 합니다. 이는 비교기의 출력에서 입력으로 포지티브 피드백을 적용하여 임계값을 점진적으로 이동함으로써 달성됩니다(그림 3).

그림 3: 히스테리시스가 레퍼런스 입력에 포지티브 피드백을 적용하여 임계값을 고정 증분만큼 이동합니다. 따라서 입력 신호에 작은 진폭 변화가 있어도 출력이 변경되지 않습니다. (이미지 출처: DigiKey)

저항기 R3은 레퍼런스 입력에 출력 피드백을 적용하여 레퍼런스 레벨을 저항기 R1, R2, R3의 값에 의해 결정된 작은 크기만큼 이동합니다. 주어진 저항기 값에 대해 이는 400mV 히스테리시스를 제공하므로 입력이 히스테리시스 진폭을 초과할 때까지 출력 상태가 변경되지 않도록 임계값을 변경합니다. 결과적으로 출력이 임계값 교차에서 한 번 전이됩니다.

그림 1의 회로와 비교하여 사용된 회로에 대한 몇 가지 참고 사항이 있습니다. 먼저, 반전 입력 및 비반전 입력이 스왑되어 출력 논리가 반전되었습니다. 신호가 임계값보다 낮을 경우 논리 High가 출력됩니다. 이 회로 특성은 한 값이 값 범위의 내부 또는 외부에 있는 경우를 감지하는 회로에 사용됩니다. TLV3201은 그림 1에서 사용된 이중 2.5V 공급 장치가 아니라 단일 5V 전원 공급 장치로 작동됩니다. 이로 인해 레퍼런스 전압이 전압 배분기 R1 및 R2 에 의해 2.5V(입력에 대한 공통 모드 전압)로 파생됩니다. 입력 신호도 이 공통 모드 전압으로 편향됩니다. 삼각파는 2.5V 바이어스 레벨에서 2V 피크 진폭을 갖습니다. 이 회로 구성은 일반적인 대안입니다.

윈도우 내부 또는 외부의 값 감지

단일 전압 비교기는 입력 전압이 레퍼런스 임계값의 위 또는 아래에 있는지 여부를 감지할 수 있습니다. 입력 전압이 두 제한 사이에 있는지(윈도잉이라고 함) 여부를 확인하려면 각 제한에 대해 하나씩 두 개의 비교기가 필요합니다(그림 4).

그림 4: 비교기 윈도우 회로 구성에서는 이중 전압 비교기를 사용하여 입력이 두 전압 레벨인 V_L과 V_H 사이에 있는지 여부를 확인합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

위에 표시된 윈도우 회로에서는 Texas Instruments TLV6710DDCR 이중 전압 비교기를 사용합니다. TLV6710은 고전압 응용 분야를 위해 고안된 두 개의 고정확도 비교기로 구성되어 있습니다. 공급 전압은 1.8V ~ 36V일 수 있습니다. 여기에는 400mV 내부 DC 레퍼런스 소스가 포함됩니다. 비교기는 위에 표시된 바와 같이 공통 풀업 저항기를 통해 함께 연결하여 논리적으로 “OR"일 수 있는 개방 드레인 연결을 출력합니다. 비교기는 레퍼런스 전압이 한 쪽(비교기 A)의 반전 입력과 다른 쪽(비교기 B)의 비반전 입력에 인가되도록 배선되어 있습니다. 저항기 R1, R2, R3으로 구성된 전압 배분기를 통해 입력이 적용되며 하한의 경우 3.3V의 임계 전압이, 상한의 경우 4.1V 임계 전압이 설정됩니다. 비교기 출력은 입력 V_MON이 윈도우 내에 있는 경우 High 상태(3.3V)입니다. 비교기 A는 입력 전압이 4.1V보다 낮은 경우를 나타내고 비교기 B는 3.3V보다 높은 경우를 보여줍니다. TLV6710의 두 비교기는 모두 공칭 5.5mV의 내부 전압 히스테리리스를 가지므로 잡음 및 작은 결함을 제거하는 데 도움이 됩니다.

이 비교기의 전파 지연은 일반적으로 High-Low 전이의 경우 9.9마이크로초(µs)이고 Low-High 전이의 경우 28.1µs입니다. 이 차이는 개방 드레인 출력 구성으로 인한 것입니다. High-Low 전이는 출력 FET에 의핸 능동 풀다운이고 Low-High 전이는 저항기를 통한 수동 풀업으로 시간이 더 많이 걸립니다. 이 비교기는 극도로 낮은 전파 지연을 요구하지 않는 전압 모니터링 응용 제품을 위해 고안되었습니다.

윈도잉 응용 분야

윈도잉은 로봇 공학에서 빛과 두 개의 CDS 광전지를 사용하여 로봇의 이동 방향을 제어하는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 황화 카드뮴(CDS) 광전지는 조도에 따라 해당 저항을 변경합니다. 어두우면 저항을 높이고 밝으면 저항을 낮추는 식입니다. TINA-TI 시뮬레이션은 Texas Instruments LM393BIPWR 이중 비교기를 사용하여 이러한 원리를 보여줍니다(그림 5).

그림 5: Left 및 Right 레이블이 지정된 두 개의 제어 모터를 사용하는 로봇 스티어링 제어를 위한 회로 시뮬레이션. 모터에 5V가 인가될 경우 앞으로 이동하고 0V가 인가될 경우 반대로 이동합니다. (이미지 출처: DigiKey)

LM393B 비교기는 개방-콜렉터 출력을 제공하는 이중 비교기로 3V ~ 36V의 공급 전압에서 작동할 수 있습니다. 이 회로에서 각 섹션은 왼쪽 구동기 또는 오른쪽 구동기로 지정된 두 개의 모터 각각에 대해 모터 제어 신호를 제공합니다.

두 개의 CDS 광전지를 모델링하기 위해 전위차계가 사용됩니다. 0% ~ 40%의 전위차계 설정은 오른쪽 광전지가 밝게 켜지고, 왼쪽 광전지가 어둡게 표시됨을 나타냅니다. 60% ~ 100%의 설정은 왼쪽 광전지가 밝게 켜지고, 오른쪽 광전지가 어둡게 표시됨을 나타냅니다. 40% ~ 60%의 설정은 두 광전지가 모두 켜짐을 나타냅니다. 두 모터 중 하나에 대한 모터 제어 신호가 +5V이면 모터가 순방향으로 회전합니다. 모터 제어 신호가 0V이면 모터가 반대 방향으로 작동합니다.

두 광전지가 동일하게 켜지면 두 모터가 모두 순방향으로 작동하고 로봇이 곧장 앞으로 이동합니다. 전위차계가 0% ~ 40%인 경우 왼쪽 모터는 순방향으로 작동하고 오른쪽 모터는 반대 방향으로 작동하므로 로봇이 오른쪽으로 구동됩니다. 60% ~ 100%의 영역의 경우 오른쪽 모터는 순방향으로 회전하고 왼쪽 모터는 반대 방향으로 회전하므로 로봇이 왼쪽으로 회전합니다.

전압 배분기에서 비교기 레퍼런스 레벨이 파생되며 오른쪽 컨트롤러의 경우 2V(전위차계 40%) 및 왼쪽 컨트롤러의 경우 3V(전위차계 60%)로 설정됩니다.

완화 발진기

포지티브 피드백과 네거티브 피드백을 모두 사용하여 비교기를 완화 발진기로 구성할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: 입력 중 하나에 커패시터를 추가하고 해당 커패시터에 피드백을 적용하여 완화 발진기를 생성할 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

그림 6에 표시된 회로를 사용하여, 네모파 출력을 제공하는 완화 발진기(비안정 다중 진동기)를 만들 수 있습니다. 발진 주파수는 저항기-커패시터 시간 상수 R1 및 C1에 의해 결정됩니다. C1이 초기 방전되면(0V) 반전 입력 전압이 비반전 입력의 레퍼런스 전압보다 낮습니다. 출력이 5V로 강제됩니다. 커패시터 C1은 출력이 0V로 떨어지는 레퍼런스 전압까지 R1을 통해 충전됩니다. C1은 레퍼런스 전압 아래로 떨어질 때까지 R1을 통해 방전되며, 이 주기가 반복됩니다. 레퍼런스 전압에는 히스테리시스(포지티브) 피드백이 추가되어 있습니다. 출력이 0V이면 레퍼런스는 2.5V입니다. 출력이 5V이면 레퍼런스 전압은 약 1.7V 증가하여 최대 4.2V를 제공합니다. 그래프에 표시된 과도 응답은 출력(Vo) 및 커패시터(Vc) 전압 파형을 모두 나타냅니다.

최대 발진 주파수는 비교기의 전파 지연으로 제한됩니다. 이 경우에는, 40ns의 전파 지연을 갖는 Texas Instruments TLV3201를 사용하여 10MHz 발진기를 만들었습니다. 이 주파수는 이 비교기의 최대값에 매우 가깝습니다.

클록 복구 및 복원

후면판 및 케이블을 통해 전송된 클록 신호는 대역폭 제한, 기호 간 간섭(ISI), 잡음, 반사, 누화로 인해 저하가 발생합니다. 비교기를 사용하여 클록 신호를 복구하고 더욱 명확하게 정의된 형태로 복원할 수 있습니다(그림 7).

그림 7: 내부 히스테리시스와 함께 7ns 전파 지연을 갖는 비교기를 사용하여 20MHz 클록을 복원할 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

이러한 유형의 응용 제품에서 전파 지연은 더욱 중요합니다. 비교기가 추적할 수 있는 최대 주파수는 전파 지연과 출력 전이 시간에 대한 함수입니다.

방정식 1

여기서, f_MAX는 최대 토글 주파수입니다.

t_Rise는 출력 상승 시간입니다.

t_Fall은 출력 하강 시간입니다.

t_{PD LH}는 Low에서 High로의 전파 지연입니다.

t_{PD HL}는 High에서 Low로의 전파 지연입니다.

5V 공급 장치로 작동하는 Texas Instruments LMV7219M5X-NOPB는 상승 시간 1.3ns, 하강 시간 1.25ns, 두 전이 방향 모두에 대해 통상 7ns의 전파 지연을 제공합니다. 이로 인해 60.4MHz의 최대 토글 주파수가 제공됩니다. 2.7V 공급 장치와 더 긴 전파 지연 및 전이 시간에서도, 이 비교기 레이트의 최대 토글은 약 35MHz이므로 이 20MHz 클록에 매우 적합합니다.

현저하게 낮은 전파 지연 이외에도, LMV7219는 레일 투 레일 푸시-풀 출력 스테이지를 포함합니다.즉 상승 시간과 하강 시간이 짧고 균일합니다. 또한 7.5mV의 내부 히스테리시스를 가지므로 잡음의 영향을 최소화할 수 있습니다.

결론

아날로그 세계와 디지털 세계를 연결하는 전압 비교기는 에지에서의 IIoT, AI, 또는 ML을 위한 신호 레벨 및 윈도잉, 영위 검출, 클록 회복, 발진기에 특별히 유용한 도구입니다.