Come risolvere le principali problematiche dei comparatori: gli ingressi negativi e l’inversione di fase

Autore: Chi Nguyen – Application Engineer, Linera Amplifiers, Texas Instruments

Un errato comportamento in uscita può verificarsi quando la presenza di grandi tensioni negative in ingresso nei comparatori viola l’intervallo di tensione di modo comune in ingresso. Nei casi in cui non è possibile evitare una tensione di ingresso negativa, è importante proteggere i pin di ingresso del comparatore ed evitare che si verifichi un fenomeno detto inversione di fase.

Questo articolo analizzerà le cause e gli effetti delle tensioni negative di ingresso nei comparatori, il comportamento dell’inversione di fase e come proteggere gli ingressi dalle tensioni negative.

Cause ed effetti degli ingressi negativi

Le tensioni negative possono provenire da molte fonti impreviste e inevitabili, compresi i rumori di commutazione nei convertitori CC/CC, gli ingressi accoppiati in CA che creano una tensione bipolare all’ingresso e il ringing da sorgenti induttive di uscite bipolari. In sistemi come le applicazioni automotive e industriali, gli input negativi elevati possono derivare anche da offset o spostamenti della messa a terra in cui sono presenti due diversi punti di riferimento che si trovano a potenziali diversi; questa situazione si verifica quando sono presenti piani di massa separati per isolare i circuiti analogici dai nodi di commutazione a corrente elevata.

I produttori costruiscono comparatori senza strutture dedicate per scariche elettrostatiche per la protezione da elevate tensioni negative di ingresso utilizzando un processo per il die isolato a giunzione, nel quale le giunzioni P-N fungono da diodi sotto ogni nodo connesso al substrato comune del die. È importante mantenere il collegamento con il substrato del die comune al potenziale più negativo legato al pin GND. Se i pin di ingresso sono più negativi del pin GND (e quindi del substrato), correnti inverse eccessive andranno a causare la comparsa di elementi parassiti e l’attivazione di transistor interni parassiti a canale N, canale P, canale N, i quali prendono la corrente da altri nodi e canali interni . Ciò può portare a un’inversione di fase.

Inversione di fase

In condizioni di inversione di fase, la polarità dell’uscita si inverte in modo errato. La Figura 1 mostra un comparatore in una configurazione non invertente in cui la tensione di riferimento su IN– è legata a 0 V a GND. Quando la tensione di ingresso scende al di sotto di 0 V, la tensione di uscita cala come previsto. Quando l’ingresso raggiunge circa –570 mV, tuttavia, la tensione di uscita si inverte e sale.

 

La Figura 2 mostra le correnti di ingresso e di alimentazione del comparatore mentre l’ingresso scende al di sotto di 0 V. Poiché la tensione di ingresso aumenta in modo maggiormente negativo, l’aumento della corrente inversa è sensibile. La corrente di alimentazione aumenta anche a causa delle giunzioni P-N aggiuntive che ora sono attive e conduttive.

 

Come proteggere gli ingressi da tensioni negative

Per proteggere gli ingressi del comparatore ed evitare l’inversione di fase, per prima cosa è necessario analizzare la tensione minima di ingresso e la corrente massima di ingresso del dispositivo. La Figura 3 mostra la tabella dei valori massimi assoluti del LM2903B, nella quale si afferma che la tensione di ingresso minima è di –0,3 V e la corrente di ingresso massima è di 50 mA. Queste specifiche rendono impossibile definire un funzionamento con una tensione di ingresso negativa superiore a 0,3 V, in quanto viola la specifica della tensione di ingresso e non garantisce il corretto funzionamento. La corrente massima che il comparatore può sostenere è pari a 50 mA: qualsiasi quantità di corrente maggiore di questa può causare danni al dispositivo. Inoltre, mentre limitare la corrente appena sotto i 50 mA non va a danneggiare il dispositivo, potrebbe comunque verificarsi un’inversione di fase, il che significa che occorre limitare la corrente a un valore molto inferiore a 50 mA per un corretto funzionamento del comparatore.

		Min	Max	UNITÀ
VCC	Versioni non-B	-0,3	36	V
	Solo versioni B	-36	38
VID	Versioni non-B	-38	36	V
	Solo versioni B	-0,3	38
VI	Versioni non-B		36	V
	Solo versioni B		38
IIK			-50	mA
VO	Versioni non-B		36	V
	Solo versioni B		38
IO	Versioni non-B		20	mA
	Solo versioni B		25
Durata ISC dell’uscita in cortocircuito verso massa		Illimitata
Temperatura d’esercizio TJ della giunzione virtuale			150	°C
Temperatura di stoccaggio Tstg		-65	150	°C

Figura 3: Tabella dei valori nominali massimi assoluti per l’LM2903B

È sconsigliabile utilizzare questi dispositivi al di fuori dei loro limiti massimi assoluti. Nei casi in cui non sia possibile evitarlo, l’utilizzo di una resistenza di limitazione della corrente in serie insieme a un diodo Schottky esterno, posizionato sul pin di ingresso verso GND, può contribuire a limitare la tensione e la corrente a un livello di sicurezza in modo tale che il body diode non inizi a condurre, come mostrato in Figura 4.

 

Una regola generale consiste nello scegliere una resistenza da 1 kΩ per tensione della massima tensione negativa in modo che la corrente sia limitata a 1 mA o meno. Ad esempio, se la tensione di ingresso negativa massima è –2 V, la resistenza deve essere da almeno 2 kΩ o superiore. Seguendo questa regola ci si assicura che la corrente di ingresso rientri ampiamente nelle specifiche massime assolute e di evitare danni al comparatore.

Il diodo Schottky ha una tensione diretta inferiore rispetto al body diode e inizia a condurre circa 0,2 V prima che il body diode inizi a condurre intorno a 0,4 V. Questo diodo esterno, oltre a mantenere la corrente a 1 mA o meno, contribuirà a garantire che il segnale di tensione negativo in ingresso rimanga al di sotto di 0,3 V evitando quindi l’inversione di fase.

Un’opzione alternativa consiste nell’utilizzare un comparatore con protezioni migliori contro l’inversione di fase, come il comparatore a micropotenza ad alta tensione TLV1701. La Figura 5 mostra i suoi valori nominali massimi assoluti. La tensione di ingresso minima è 0,5 V al di sotto di VS– e la corrente di ingresso massima è di 10 mA.

			MIN	MAX	UNITÀ
Tensione di alimentazione				+40 (±20)	V
Pin di ingresso del segnale	Tensione	(VS-) – 0,5		(VS+) + 0,5	V
	Corrente			±10	mA
Uscita cortocircuito			Continua		mA
Gamma di temperature di esercizio			-55	+150	°C
Temperatura di giunzione, TJ				150	°C
Temperatura di stoccaggio, Tstg			-65	+150	°C

Figura 5: Tabella dei valori nominali massimi assoluti per il TLV1701

La Figura 6 mostra il TLV1701 in una configurazione non invertente con il suo ingresso invertente collegato a 0 V a GND. Quando la tensione di ingresso scende al di sotto di 0 V, la tensione di uscita non si inverte, neppure quando la tensione di ingresso supera il limite di –0,5 V. A mano a mano che l’ingresso oscilla maggiormente in negativo, la corrente di ingresso inizia a crescere in modo esponenziale e supera il limite massimo di 10 mA, il che potrebbe causare danni al comparatore. Pertanto, l’aggiunta di una resistenza da 10 kΩ in serie all’ingresso contribuisce a ridurre la corrente a un livello sicuro.

 

Conclusione

Quando si progetta con i comparatori è importante tenere conto degli effetti degli ingressi negativi e del modo in cui possono causare l’inversione di fase all’uscita. In molti sistemi come le applicazioni automotive e industriali non è possibile evitare queste elevate tensioni negative. Il funzionamento al di fuori dei limiti raccomandati non è garantito, pertanto è fondamentale adottare misure per evitare danni al comparatore e l’inversione di fase. L’utilizzo dei metodi menzionati in questo articolo può contribuire a migliorare le prestazioni del circuito e a ridurre al minimo i comportamenti indesiderati in uscita che potrebbero causare problemi ai dispositivi a valle nel sistema.

Risorse supplementari

Ulteriori informazioni su inversione di fase e tensioni negative in ingresso sono disponibili nella sezione «Considerazioni per l’ingresso» nel rapporto applicativo «Linee guida di progetto applicativo per comparatori delle famiglie LM339, LM393, TL331 comprese le nuove versioni B».