Komparatoren

Ein Komparator vergleicht zwei Eingangsspannungen und liefert am Ausgang einen von zwei möglichen Logikpegeln, je nachdem, welcher Eingang der höhere ist. Anders als ein Operationsverstärker wird ein Komparator grundsätzlich ohne Rückkopplung betrieben und daher bewusst nicht auf Stabilität in einem linearen Arbeitspunkt ausgelegt; seine Verstärkung darf beliebig hoch sein – typische Open-Loop-Verstärkungen liegen bei 60 bis 100 dB –, ohne dass eine Frequenzkompensation nötig wäre, da der Ausgang stets in die Sättigung eines der beiden Logikpegel getrieben werden soll.

Wichtige Kenngrößen eines Komparators sind die Ansprechzeit (Propagation Delay), die je nach Schaltungsklasse von einigen Nanosekunden bei einfachen Komparatoren bis zu wenigen zehn Pikosekunden bei regenerativen Hochgeschwindigkeits-Latches reicht, sowie die Auflösung, mit der noch zuverlässig zwischen zwei nahe beieinanderliegenden Spannungen unterschieden werden kann und die bei präzisen Komparatoren im Bereich weniger Millivolt bis unter 1 mV liegt.

Für hohe Geschwindigkeit bei geringem Stromverbrauch werden in modernen ADCs überwiegend regenerative Komparatoren eingesetzt, deren bekanntester Vertreter der StrongARM-Latch ist. Er nutzt zwei kreuzgekoppelte Inverter, die sich nach dem Anlegen des Takts gegenseitig positiv rückkoppeln und eine anfangs winzige Eingangsspannungsdifferenz im Bereich weniger Millivolt exponentiell schnell – typischerweise innerhalb weniger hundert Pikosekunden – zu einem vollen Logikpegel verstärken.

Da der StrongARM-Latch nur während der aktiven Taktflanke Strom aufnimmt und im Ruhezustand stromlos ist, eignet er sich besonders für getaktete Systeme wie SAR-ADCs, die mit Taktraten von mehreren hundert Megahertz bis in den Gigahertz-Bereich arbeiten und bei denen der Komparator viele Male pro Wandlung ausgewertet werden muss, ohne dass dabei ein nennenswerter statischer Verlustleistungsanteil entsteht; der Energieverbrauch pro Vergleichsvorgang liegt bei modernen Implementierungen oft im Bereich weniger Femtojoule.