¿Necesita un Comparador Analógico en su MCU?

Esta computadora industrial puede beneficiarse de un MCU con un comparador analógico integrado.

Recuerdo cuando construí mi primer comparador analógico de op-amp en mis clases de electrónica de la universidad usando un op-amp LM358. Estos circuitos simples no siempre parecen tener un uso práctico hasta que comienzas a diseñarlos en sistemas reales para tus clientes. Un comparador analógico es fácil de construir con retroalimentación positiva en un circuito de op-amp, pero siempre ocuparás algo de espacio en la placa con el IC de op-amp y componentes adicionales en el bucle de retroalimentación.

¿Qué pasa con trabajar con un comparador analógico y tu MCU? Tu MCU proporciona muchas funciones integradas y E/S, y una opción para aceptar una salida de comparador con tu MCU es usar uno de los GPIOs. Una mejor opción es encontrar un MCU con un circuito comparador integrado, lo que eliminará la necesidad de un circuito externo de op-amp o un IC comparador. Aquí te explicamos cómo funcionan estos circuitos en tu diseño y algunos MCUs populares que incluyen esta funcionalidad.

¿Qué es un Comparador Analógico?

Un comparador analógico es básicamente un convertidor de analógico a digital de 1 bit. Una vez que el voltaje de entrada en el comparador supera algún umbral, el dispositivo cambiará de estado entre sus valores de voltaje bajo y alto. Un comparador analógico puede ser un dispositivo inversor o no inversor. En un dispositivo no inversor, el borde ascendente de la señal de entrada activará la salida del comparador para cambiar de sus estados de salida de voltaje bajo a alto, y viceversa en el borde descendente. El comportamiento se invierte para un comparador inversor.

En un circuito de comparador analógico de op-amp, normalmente se utiliza retroalimentación positiva para asegurar que la salida se sature una vez que el voltaje de entrada cambia por encima del voltaje de referencia externo. En otras palabras, el op-amp oscilará de extremo a extremo en los bordes ascendentes o descendentes de la señal de entrada. Esta es una forma simple de crear una salida de 2 estados que se satura en dos niveles de voltaje mientras también proporciona cierta inmunidad al ruido de bajo nivel.

Salida de voltaje de comparador analógico con y sin histéresis.

Para proporcionar inmunidad al ruido de bajo nivel, los circuitos de comparador analógico pueden tener cierta histéresis, y el margen de ruido dependerá del tamaño de la ventana de histéresis. El efecto de la histéresis en la conmutación debido a una onda triangular de entrada se muestra arriba. Si la señal de entrada tuviera alguna variación o ruido, cualquier variación dentro de la ventana de histéresis no causaría conmutación. En un ADC con múltiples bits de resolución, este no sería el caso; la menor diferencia de voltaje entre los niveles de cuantificación mantiene 

En el circuito de op-amp, el tamaño de la ventana de histéresis está determinado por la relación de la resistencia total en el bucle de retroalimentación con la resistencia entre el voltaje de referencia y la entrada no inversora. Al establecer estos dos valores, la ventana de histéresis del comparador puede ajustarse a una aplicación particular y al margen de ruido. Aquí es donde un MCU con un comparador analógico integrado realmente brilla, ya que no requiere estas resistencias externas para establecer el tamaño de la ventana de histéresis o los voltajes umbral.

Ventajas de un Comparador Analógico en tu MCU

Un comparador analógico integrado directamente en tu MCU ofrece una serie de ventajas sobre otros métodos para integrar un comparador para una interfaz analógica con tu MCU.

• Conmutación simplificada. Si solo necesitas detectar la diferencia entre 2 estados de voltaje, un comparador analógico integrado es una mejor opción que usar un circuito de op-amp externo y un canal ADC. No necesitarás programar algún umbral numérico y conversión en tu firmware para estimar cuándo el voltaje de entrada está verdaderamente saturado.

• Histéresis programable. El tamaño de la ventana de histéresis puede ser programado en el firmware del MCU, o puede ser ajustado dinámicamente durante la operación. Si lo deseas, puedes configurar la ventana de histéresis para que sea más amplia que el margen de ruido de una entrada GPIO, dándote un circuito muy robusto para detectar eventos de conmutación.

• Mayor inmunidad al ruido externo. La línea de alimentación entre la salida del op-amp y la entrada del MCU crea otro punto donde el ruido puede ser inyectado en la entrada, lo que podría crear una lectura inexacta en el ADC/GPIO del MCU. Al integrar el comparador analógico en el MCU, has eliminado este punto adicional donde el ruido puede entrar al sistema.

• Menos componentes con entradas comparables. Puedes reducir el costo de tu BOM sin usar un número excesivo de entradas en tu MCU cuando usas un MCU con un comparador analógico integrado.

• Retardo de propagación programable. El retardo de propagación en un comparador analógico se define como el tiempo entre el momento en que la señal de entrada cruza el umbral de conmutación y el momento en que el estado de salida comienza a cambiar. Algunos MCUs con un comparador integrado permiten que esta cantidad sea programada. Al aumentar el retardo de propagación, el MCU consumirá menos energía durante la conmutación.

MCUs Populares con Comparador Analógico Integrado

En estos días, encontrarás muchos MCUs en el mercado de los principales fabricantes. Aquí hay algunos MCUs populares que incluyen características de comparador analógico integrado así como una gama de otras interfaces:

NXP Semiconductors, S08PB

El MCU S08PB de ON Semiconductor es un dispositivo de 8 bits más pequeño para aplicaciones de computación embebida simples. Este dispositivo en particular incluye dos comparadores analógicos con menos periféricos, y viene en un paquete más pequeño que muchos otros MCUs populares al eliminar periféricos innecesarios para sistemas analógicos más simples. Algunas características útiles para sistemas analógicos incluyen un op-amp integrado, contador RTC de alta precisión, dos moduladores de temporizador flexibles y ADC de 12 canales (resolución de 12 bits).

Diagrama de bloques para el MCU MC9S08PB8MTG de NXP Semiconductors. Del datasheet de MC9S08PB8MTG.

STMicroelectronics, Serie STM32

La Serie STM32 de STMicroelectronics es una de las líneas de MCUs más populares utilizadas en productos embebidos que requieren un poder de procesamiento moderado y un ancho de bus alto. Estos dispositivos operan hasta 72 MHz (núcleo Arm Cortex-M4) con un ancho de bus de 32 bits. También cuentan con ADC de alta resolución (12 bits) y una gama de interfaces digitales (CAN, I2C, I2S, IrDA, LIN, SPI, UART, USART, USB) con un alto conteo de E/S.

Texas Instruments, MSP430

La familia MSP430 de MCUs de Texas Instruments es una gama de MCUs de 16 bits que vienen en una variedad de paquetes e incluyen un comparador analógico. Estos MCUs funcionan hasta 25 MHz e incluyen características como SRAM/FRAM integrada, memoria Flash, ADC, SPI/UART y otras interfaces y características.

Diagrama de bloques funcional para el MCU MSP430FR5727 de Texas Instruments. Del datasheet de MSP430FR5727.

Otros Componentes para Apoyar Tus Diseños de Señal Mixta

Tu MCU debería ser el punto de partida para un diseño de señal mixta ya que necesitará interactuar con todos los demás componentes digitales y analógicos en tu sistema. Algunos otros componentes que tu sistema necesitará incluyen:

• Componentes pasivos para circuitos de soporte

• Módulos de visualización para HMI

• Convertidores DC-DC para regulación de potencia

• Componentes inalámbricos y de red

Cuando necesites seleccionar un MCU u otro procesador con un comparador analógico integrado, puedes encontrar todas las partes que necesitas con las características de búsqueda y filtrado avanzadas en Octopart. Al usar el motor de búsqueda de electrónica de Octopart, tendrás acceso a un conjunto completo de datos de distribuidores y especificaciones de partes, y todo es libremente accesible en una interfaz amigable para el usuario. Echa un vistazo a nuestra página de procesadores y controladores embebidos para encontrar los componentes que necesitas.

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