Komparator mit niedriger Schaltschwelle im mV-Bereich

[Mister_X (Gast)]

Hallo an alle,

ich habe eine Schaltung mit einem Komparator. Das Bild zeigt meine 
Schaltung. Ich habe auch das LTSpice-Modell angehängt. Die 
Versorgungsspannung ist im Bereich -15V für VSS und 15V für VCC. Das 
Eingangssignal(Sinus) liegt zwischen -15V und 15V. Die Frequenz beträgt 
maximal 500HZ(wahrscheinlich niedriger).

Ich möchte, dass die Schaltschwelle auf 1mV genau einstellebar ist. Das 
Problem ist, dass ich nicht weiß, wie ich nun Komparatoren finde, welche 
diese Bedingung erfüllen.

Im Beispiel habe ich die Schaltschwelle u_ref auf 2mV eingestellt. Nach 
welcher Eigenschaft im Datenblatt muss ich schauen, um die Genauigkeit 
der Schaltschwelle abschätzen zu können?

Ein zusätzliche Verstärkung mit einem OPV ist nicht erwünscht, da die 
Signallaufzeit so gering wie möglich gehalten werden soll. Deswegen soll 
der Komparator auch schnell schalten(max 500ns, vielleicht noch 
weniger). Dies soll aber nur eine Randbedingung sein. Die Daten dazu 
habe ich in den Datenblättern gefunden.

Reichen Präzisionswiderstände als Spannungsteiler für u_ref aus? Oder 
sollte ich die Spannungsreferenz bei dieser Genauigkeit anders 
bvereitstellen?

Nebenfrage: Welche Genauigkeit ist überhaupt möglich?

Falls noch Angaben gewünscht sind, einfach Fragen. Ich hoffe, ich habe 
alles nötige angegeben.

Mit freundlichen Grüßen,
Mister_X

[Stefan F. (Gast)]

Das kann jeder Komparator, wobei sie immer einen gewissen Offset 
zwischen den beiden Eingängen haben. Den musst du durch äußere 
Beschaltung ausgleichen.

Wenn z.B. dein Komparator einen Offset von 10mV hat, und die 
Schaltschwelle soll 1mV sein, dann muss dein Spannunsgteiler -9mV 
liefern.

> Reichen Präzisionswiderstände als Spannungsteiler für u_ref aus?
Kommt drauf an, wie stabil und symmetrisch deine Spannungsversorgung 
ist. Wenn du keine Wunder-Bauteile hast, wird es so einfach nicht gehen. 
Alleine das Eigenrauschen der üblichen SPannungsregler liegt schon weit 
über 1mV, ebenso der Offset üblicher OP-Amps/Komparatoren sowie das 
Eigenrauschen normaler Widerstände. Hinzu kommt temperaturabhängiger 
Drift bei allen beteiligten Bauteilen.

Wenn es um ein AC-Signal geht, kannst du die Schaltung so auslegen, dass 
sie sich selbst stabilisiert (Stichwort: Gegenkoppelung).

[Dietrich L. (dietrichl)]

Mister_X schrieb:
> Reichen Präzisionswiderstände als Spannungsteiler für u_ref aus?

So geht das nicht. Vss und Vcc sind (sehr wahrscheinlich) nie so genau 
und stabil.
Du brauchst einen Spannungsteiler zwischen Vcc und GND.

Stefan U. schrieb:
> Wenn z.B. dein Komparator einen Offset von 10mV hat, und die
> Schaltschwelle soll 1mV sein, dann muss dein Spannunsgteiler -9mV
> liefern.

Das ist theoretisch möglich, aber dabei ist die Temperaturabhängigkeit 
der Offsetspannung nicht berücksichtigt. Also sollte man nach einem 
Komparator suchen, der deutlich weniger Offset als 2mV hat.
Wenn die Umschaltgeschwindigkeit am Ausgang nicht besonders hoch sein 
muss, kann man statt Komparator auch einen Operations-Verstärker nehmen. 
Da gibt es vielleicht mehr Auswahl mit kleiner Offsetspannung.

Gruß Dietrich

[Falk B. (falk)]

@Mister_X (Gast)

>Ich möchte, dass die Schaltschwelle auf 1mV genau einstellebar ist.

Wofür meinst du, soetwas zu brauchen?

> Das
>Problem ist, dass ich nicht weiß, wie ich nun Komparatoren finde, welche
>diese Bedingung erfüllen.

Wenn die Temperatur konstant bleibt, bleibt auch die Offsetspannung des 
Komparators stabil. Aber eine Spannung im Bereich -15 bis 15V auf 1mV 
GENAU einzustellen ist schon eine kleine Herausforderung.

>Im Beispiel habe ich die Schaltschwelle u_ref auf 2mV eingestellt. Nach
>welcher Eigenschaft im Datenblatt muss ich schauen, um die Genauigkeit
>der Schaltschwelle abschätzen zu können?

Offsetspannung. Genauer, deren Temperaturdrift.

>Ein zusätzliche Verstärkung mit einem OPV ist nicht erwünscht, da die
>Signallaufzeit so gering wie möglich gehalten werden soll. Deswegen soll
>der Komparator auch schnell schalten(max 500ns, vielleicht noch
>weniger).

Das schafft der olle LM393 gerade so.

>Reichen Präzisionswiderstände als Spannungsteiler für u_ref aus?

Nö. Du brauchst auch präzise und driftarme Referenzspannungen.

>Nebenfrage: Welche Genauigkeit ist überhaupt möglich?

Für viel Geld deutlich weniger als 1mV. Aber das ist die falsche Frage.
Die richtige lautet.

Was willst du INSGESAMT erreichen?

Siehe Netiquette

[MaWin (Gast)]

Mister_X schrieb:
> Ich möchte, dass die Schaltschwelle auf 1mV genau einstellebar ist. Das
> Problem ist, dass ich nicht weiß, wie ich nun Komparatoren finde, welche
> diese Bedingung erfüllen.

Sie sollten einen Fehler von weniger als 1mV besitzen.

> Im Beispiel habe ich die Schaltschwelle u_ref auf 2mV eingestellt. Nach
> welcher Eigenschaft im Datenblatt muss ich schauen, um die Genauigkeit
> der Schaltschwelle abschätzen zu können?
>
> Reichen Präzisionswiderstände als Spannungsteiler für u_ref aus?

Nein, die zu teilende Spannung muss auch genau genau geliefert werden.

> Oder sollte ich die Spannungsreferenz bei dieser Genauigkeit anders
> bvereitstellen?


> Nebenfrage: Welche Genauigkeit ist überhaupt möglich?

Die Verstärkung macht dir noch vor dem Rauschen ein Ende.

Dein LT1018 hat beispielsweise eine Verstärkung (bei 125 GradC) von 
mindestens 100dB, also 100000. Aus 1mV werden 100V, das reicht um ihn 
voll durchzusteuern.

Der LT1018 ist aber viel zu langsam.

Ein schnellere LT1016 hat nur eine small signal voltage gain von typisch 
3000 (minimal 1400). Das macht aus 1mV eventuell nur 1.4V, das reicht 
nicht um den Ausgang von 0V nach plus durchzusteuern, man müsste noch 
was nachschalten (oder vorverstärken).

Der LT1016 ist (schlechtestenfalls) 15ns schnell, also schnell genug, 
aber er ist nur so schnell, wenn der Eingang um 100mV springt. Er ist 
immer noch gut wenn der Eingang nur um 10mV oder 2mV springt, aber der 
LT1018 zeigt im Diagramm overdrive, daß er noch viel langsamer wird, bei 
2mA über 10us.

Finde also nicht nur einen Komparator, der schnelle Schaltzeiten angibt, 
sondern auch einen, der schnelle Schaltzeiten noch bei geringer 
Eingangsdifferenz hat, und diese geringe Differenz so weit verstärkt, 
daß der Ausgang klar über die Schaltschwelle des Digitaleingangs kommt.

[Dieter W. (dds5)]

MaWin schrieb:
> einen, der schnelle Schaltzeiten noch bei geringer
> Eingangsdifferenz hat, und diese geringe Differenz so weit verstärkt,
> daß der Ausgang klar über die Schaltschwelle des Digitaleingangs kommt.

Genau das ist der Knackpunkt.

[Christian L. (cyan)]

MaWin schrieb:
> ... (oder vorverstärken)

Ich denke, dass das der wohl sinnvollste Weg ist. Ein Vorverstärker mit 
Verstärkung 100 und antiseriellen Z-Dioden in der Rückkopplung. Die 
Dioden benötigt man, um den OPV immer im linearen Bereich arbeiten zu 
lassen. Somit geht er nie in Begrenzung. Das dürfte einfacher sein, als 
sich um genaue Spannungsreferenzen und Widerstände mit niedriger 
Temperaturkoeffizienten kümmern zu müssen. Auf die Weise kann die 
Schaltschwelle um Faktor 100 erhöht werden und ist somit einfacher 
stabil zu halten.

[Pandur S. (jetztnicht)]

Ein Komparator benoetigt in jedem Fall einen Hysterese, und die muss 
innerhalb der 1mV Platz haben, zusammen mit die Offset Spannungs Drift, 
und dem Rauschen.

Daher die erste Frage, was soll das Ganze?