مقایسه کننده تک کاناله AD8561ARZ

معرفی مقایسه‌گر تک‌کاناله AD8561ARZ

مقایسه‌گر تک‌کاناله AD8561ARZ یک آی‌سی Comparator فوق‌سریع از شرکت Analog Devices است که برای مقایسه دقیق و سریع دو سیگنال آنالوگ و تولید خروجی دیجیتال طراحی شده است. این قطعه با تأخیر انتشار حدود 7 نانوثانیه، برای مدارهایی مناسب است که سرعت پاسخ، هماهنگی لبه‌های صعودی و نزولی و حفظ شکل زمانی سیگنال اهمیت زیادی دارد.

AD8561ARZ در پکیج هشت‌پایه SOIC عرضه می‌شود و علاوه بر ورودی‌های مقایسه، دارای ورودی Latch و خروجی‌های مکمل است. این قابلیت‌ها امکان استفاده از قطعه را در مدارهای بازیابی کلاک، گیرنده‌های پرسرعت، آشکارسازهای عبور از سطح، ارتباطات دیجیتال و مدارهای زمان‌بندی فراهم می‌کنند.

نحوه عملکرد آی‌سی AD8561ARZ

مقایسه‌گر ولتاژ، اختلاف میان دو ورودی خود را بررسی می‌کند. هنگامی که ولتاژ ورودی غیرمعکوس از ورودی معکوس بیشتر شود، وضعیت خروجی تغییر می‌کند. با معکوس شدن این شرایط، خروجی نیز به وضعیت مقابل منتقل می‌شود.

برخلاف تقویت‌کننده عملیاتی، Comparator برای کار در حالت خطی و تقویت پیوسته سیگنال طراحی نشده است. وظیفه اصلی آن تشخیص سریع عبور ولتاژ از یک آستانه مشخص و تبدیل نتیجه مقایسه به یک سطح منطقی است.

از AD8561ARZ می‌توان برای تبدیل سیگنال سینوسی یا آنالوگ به سیگنال مربعی، تشخیص عبور از صفر، آشکارسازی سطح ولتاژ و تولید پالس‌های دقیق استفاده کرد.

تأخیر انتشار حدود 7 نانوثانیه

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های AD8561ARZ، تأخیر انتشار بسیار کم آن است. تأخیر انتشار معمول این قطعه در تغذیه 5 ولت حدود 7 نانوثانیه اعلام شده است.

در شرایط آزمون مشخص‌شده با پله ورودی 200 میلی‌ولت و Overdrive برابر 100 میلی‌ولت، تأخیر معمول حدود 6.75 نانوثانیه و حداکثر آن 9.8 نانوثانیه است.

زمان صعود خروجی حدود 3.8 نانوثانیه و زمان نزول آن حدود 1.5 نانوثانیه است. این مشخصات باعث می‌شوند قطعه برای سیگنال‌های دیجیتال سریع و مدارهای حساس به زمان مناسب باشد.

هماهنگی تأخیر لبه‌های صعودی و نزولی

تفاوت میان تأخیر لبه صعودی و نزولی در AD8561 بسیار کم است. این اختلاف در شرایط مشخص‌شده معمولاً حدود 0.5 نانوثانیه و حداکثر 2 نانوثانیه است.

هماهنگی مناسب تأخیرها کمک می‌کند Duty Cycle سیگنال خروجی به شکل موج ورودی نزدیک باقی بماند. به همین دلیل، AD8561ARZ برای بازیابی کلاک، توزیع کلاک و مدارهای زمان‌بندی انتخاب مناسبی است.

عملکرد با تغذیه تک‌منبع و دو‌منبع

AD8561ARZ امکان کار با پیکربندی‌های مختلف تغذیه را دارد:

• تغذیه تک‌منبع از 3 تا 10 ولت
• تغذیه تک‌منبع متداول 5 ولت
• تغذیه دو‌قطبی ±5 ولت برای بخش ورودی
• تغذیه جداگانه برای بخش ورودی و خروجی

در حالت تک‌منبع 5 ولت، محدوده ولتاژ مشترک ورودی از صفر تا حدود 3 ولت است. در حالت تغذیه دو‌قطبی +5 و -5 ولت، محدوده Common Mode ورودی از حدود -5 تا +3 ولت گسترش پیدا می‌کند.

هنگام طراحی مدار باید توجه داشت که محدوده ولتاژ مشترک ورودی با محدوده مطلق ولتاژ ورودی یکسان نیست. برای دستیابی به سریع‌ترین پاسخ، سیگنال‌های ورودی باید داخل محدوده Common Mode توصیه‌شده باقی بمانند.

ورودی Latch

AD8561ARZ دارای ورودی Latch است. با فعال شدن این ورودی، وضعیت فعلی خروجی حفظ می‌شود و تغییر ولتاژ ورودی‌ها تا زمان آزاد شدن Latch روی خروجی اثر نمی‌گذارد.

این قابلیت در مدارهای زیر کاربرد دارد:

• ثبت لحظه‌ای نتیجه مقایسه
• نمونه‌برداری سریع
• نگهداری وضعیت آشکارسازی‌شده
• همگام‌سازی داده با کلاک
• مدارهای Read Channel
• ثبت رخدادهای کوتاه‌مدت

حداقل پهنای پالس Latch حدود 6 نانوثانیه است. زمان Setup معمول حدود 1 نانوثانیه و زمان Hold حدود 1.2 نانوثانیه اعلام شده است.

سطح منطقی ورودی Latch با مدارهای TTL و CMOS سازگار است. سطح High حداقل 2 ولت و سطح Low حداکثر 0.8 ولت در نظر گرفته می‌شود.

خروجی‌های مکمل

این آی‌سی دارای دو خروجی مکمل است که معمولاً با Q و Q̅ یا OUT و OUT شناخته می‌شوند. هنگامی که یکی از خروجی‌ها در وضعیت High قرار دارد، خروجی دیگر وضعیت Low خواهد داشت.

وجود خروجی مکمل طراحی مدارهای تفاضلی، Clock Distribution، رابط‌های منطقی و مدارهای نیازمند سیگنال معکوس را ساده‌تر می‌کند و در بسیاری از کاربردها نیاز به یک گیت معکوس‌کننده جداگانه را کاهش می‌دهد.

مشخصات ورودی AD8561ARZ

مهم‌ترین مشخصات ورودی این Comparator عبارت‌اند از:

• ولتاژ آفست ورودی معمول حدود 2.3 میلی‌ولت در حالت تک‌منبع 5 ولت
• حداکثر ولتاژ آفست حدود 7 میلی‌ولت در دمای اتاق
• رانش آفست معمول حدود 4 میکروولت بر درجه سانتی‌گراد
• جریان بایاس ورودی معمول حدود 3 میکروآمپر
• ظرفیت ورودی معمول حدود 3 پیکوفاراد
• CMRR معمول حدود 85 دسی‌بل
• بهره سیگنال بزرگ معمول حدود 3000 ولت بر ولت

برای جلوگیری از ایجاد خطای ولتاژ ناشی از جریان بایاس، بهتر است مقاومت‌های متصل به ورودی بیش از حد بزرگ انتخاب نشوند.

قابلیت جایگزینی LT1016

پین‌آوت AD8561 با Comparator مدل LT1016 سازگار است. بنابراین در بسیاری از طراحی‌های موجود می‌توان آن را به‌عنوان جایگزین LT1016 بررسی کرد.

AD8561 در مقایسه با LT1016 دارای تأخیر کمتر، مصرف جریان پایین‌تر و محدوده Common Mode گسترده‌تری است که ریل منفی تغذیه را نیز شامل می‌شود.

بااین‌حال، پیش از جایگزینی مستقیم باید موارد زیر مقایسه شوند:

• محدوده ولتاژ ورودی
• سطح خروجی
• جریان بایاس ورودی
• سرعت پاسخ
• مصرف جریان
• ظرفیت بار خروجی
• شرایط تغذیه
• نیازهای زمان‌بندی مدار

سازگاری پین به‌تنهایی به معنی سازگاری کامل تمام مشخصات الکتریکی نیست.

افزودن هیسترزیس

AD8561ARZ فاقد هیسترزیس داخلی ثابت است، اما می‌توان با استفاده از فیدبک مثبت، هیسترزیس موردنیاز را به مدار اضافه کرد.

هیسترزیس از تغییرات سریع و ناخواسته خروجی در شرایطی جلوگیری می‌کند که سیگنال ورودی در نزدیکی آستانه سوئیچینگ نویزی یا ناپایدار باشد.

استفاده از هیسترزیس در کاربردهای زیر توصیه می‌شود:

• آشکارساز عبور از صفر
• ورودی سنسورهای نویزی
• مقایسه سیگنال‌های آهسته
• تشخیص سطح باتری
• تبدیل موج سینوسی به مربعی
• ورودی‌های دارای تداخل الکترومغناطیسی

مقدار هیسترزیس با نسبت مقاومت‌های فیدبک تعیین می‌شود و باید متناسب با دامنه نویز و سطح آستانه انتخاب شود.

نکات طراحی مدار پرسرعت

برای دستیابی به سرعت واقعی AD8561ARZ، طراحی PCB و انتخاب قطعات جانبی اهمیت زیادی دارد.

کاهش امپدانس منبع ورودی

مقاومت منبع در کنار ظرفیت ورودی و ظرفیت‌های پراکنده PCB یک فیلتر RC ایجاد می‌کند. این فیلتر می‌تواند لبه‌های ورودی را کند کرده و تأخیر کل مدار را افزایش دهد.

برای بهترین عملکرد، توصیه می‌شود امپدانس منبع ورودی کمتر از حدود یک کیلواهم باشد.

استفاده از خازن بای‌پس

یک خازن الکترولیتی حدود 1 میکروفاراد باید نزدیک پایه‌های تغذیه قرار گیرد. علاوه بر آن، یک خازن سرامیکی 10 نانوفاراد باید تا حد امکان به پایه تغذیه و زمین نزدیک باشد.

این خازن‌ها جریان لحظه‌ای موردنیاز هنگام سوئیچینگ سریع را تأمین کرده و نویز تغذیه را کاهش می‌دهند.

استفاده از صفحه زمین

به‌کارگیری Ground Plane پیوسته باعث کاهش اندوکتانس مسیر زمین، Ground Bounce و اثر ظرفیت‌های ناخواسته می‌شود.

محدود کردن بار خازنی خروجی

بار خازنی زیاد می‌تواند باعث Ringing، افزایش تأخیر و کاهش پهنای باند شود. بهتر است ظرفیت بار خروجی کمتر از 50 پیکوفاراد نگه داشته شود.

کوتاه نگه داشتن مسیرها

مسیرهای ورودی، خروجی و خازن‌های بای‌پس باید کوتاه باشند. قرار دادن قطعه روی بردبوردهای معمولی می‌تواند به دلیل ظرفیت و اندوکتانس پراکنده مانع دستیابی به عملکرد نانوثانیه‌ای شود.

عملکرد در تغذیه 3 ولت

AD8561 با تغذیه 3 ولت نیز قابل استفاده است. در این حالت تأخیر انتشار معمول در شرایط مشخص‌شده حدود 8.5 نانوثانیه است.

در تغذیه پایین، دامنه High خروجی ممکن است محدود شود. برای افزایش Swing خروجی می‌توان در صورت نیاز از مقاومت Pull-up حدود 5 کیلواهم میان خروجی و تغذیه مثبت استفاده کرد.

کاربردهای مقایسه‌گر AD8561ARZ

این قطعه برای کاربردهای پرسرعت مختلف مناسب است، از جمله:

• مدارهای زمان‌بندی پرسرعت
• بازیابی کلاک
• توزیع کلاک
• گیرنده خطوط دیجیتال
• ارتباطات دیجیتال
• آشکارساز فاز
• نمونه‌برداری سریع
• تشخیص عبور از صفر
• تبدیل موج سینوسی به موج مربعی
• تشخیص آستانه ولتاژ
• Read Channel Detection
• آشکارسازی پالس
• تجهیزات اندازه‌گیری
• مدارهای Trigger اسیلوسکوپ
• رابط سنسورهای سریع
• جایگزینی LT1016

مشخصات فنی AD8561ARZ

تفاوت AD8561ARZ با آپ‌امپ

آپ‌امپ معمولاً برای تقویت خطی سیگنال و کار در مدار دارای فیدبک منفی طراحی می‌شود. Comparator برای تشخیص سریع بزرگ‌تر یا کوچک‌تر بودن دو ولتاژ و تولید خروجی منطقی بهینه شده است.

استفاده از یک آپ‌امپ عادی به‌عنوان Comparator پرسرعت ممکن است مشکلات زیر را ایجاد کند:

• زمان بازیابی طولانی از اشباع
• تأخیر نامتقارن
• سرعت پایین‌تر
• ناپایداری خروجی
• عدم سازگاری مناسب با ورودی‌های دیجیتال

بنابراین، برای مدارهای تشخیص آستانه سریع، AD8561ARZ انتخاب مناسب‌تری از آپ‌امپ عمومی است.

نکات مهم پیش از خرید

• این محصول آی‌سی خام است و ماژول آماده نیست.
• پکیج AD8561ARZ از نوع SOIC-8 و مناسب مونتاژ SMD است.
• قطعه به تخلیه الکترواستاتیکی حساس است و باید با رعایت اصول ESD نگهداری و مونتاژ شود.
• برای سرعت نانوثانیه‌ای، طراحی PCB و بای‌پس تغذیه اهمیت زیادی دارد.
• در تغذیه 5 ولت، محدوده Common Mode ورودی حدود صفر تا 3 ولت است.
• برای ورودی‌های نویزی بهتر است هیسترزیس خارجی اضافه شود.
• بار خازنی زیاد روی خروجی باعث کاهش سرعت و ایجاد Ringing می‌شود.
• شماره فنی روی بدنه، پکیج، اصالت و وضعیت ظاهری قطعه پیش از نصب بررسی شود.

جمع‌بندی

مقایسه‌گر تک‌کاناله AD8561ARZ یک راهکار سریع و کاربردی برای تبدیل سیگنال‌های آنالوگ به سطوح منطقی، بازیابی کلاک، آشکارسازی آستانه و مدارهای زمان‌بندی است.

تأخیر انتشار حدود 7 نانوثانیه، قابلیت کار با تغذیه تک‌منبع 3 تا 10 ولت، ورودی Latch، خروجی‌های مکمل و سازگاری با پین‌آوت LT1016، این قطعه را برای تجهیزات اندازه‌گیری، مخابرات دیجیتال و مدارهای Trigger پرسرعت مناسب می‌کند.