Un comparateur est un circuit intégré analogique capable de comparer deux tensions électriques et d'indiquer laquelle est la plus élevée. Contrairement à un amplificateur opérationnel, dont la sortie peut prendre de nombreuses valeurs, un comparateur fonctionne généralement selon le principe du tout ou rien : sa sortie prend l'un de ses deux états possibles selon le résultat de la comparaison.

Le principe de fonctionnement

Comme un amplificateur opérationnel, un comparateur possède deux entrées :

• une entrée non inverseuse, notée + ;
• une entrée inverseuse, notée −.

Le comparateur mesure en permanence la différence entre ces deux tensions.

Si la tension appliquée sur l'entrée + est supérieure à celle de l'entrée −, la sortie bascule vers son niveau haut.

Si la tension appliquée sur l'entrée − devient supérieure, la sortie bascule vers son niveau bas.

Le changement d'état est généralement très rapide, ce qui permet de détecter immédiatement le franchissement d'un seuil.

Le symbole électronique

Le symbole d'un comparateur ressemble beaucoup à celui d'un amplificateur opérationnel.

Il est représenté par un triangle comportant deux entrées à gauche et une sortie à droite.

Sur certains schémas, la sortie est représentée différemment afin de rappeler qu'elle fonctionne principalement selon deux états logiques.

La tension de référence

Pour réaliser une comparaison, l'une des deux entrées reçoit généralement une tension de référence.

Cette tension constitue le seuil de déclenchement.

L'autre entrée reçoit le signal à surveiller.

Tant que ce signal reste inférieur au seuil, la sortie conserve un état. Dès que le seuil est dépassé, la sortie change instantanément d'état.

Par exemple, une batterie peut être surveillée en comparant sa tension à une valeur de référence de 10,5 V. Lorsque la batterie se décharge sous cette valeur, le comparateur peut allumer un voyant d'alerte.

La sortie du comparateur

Selon le modèle utilisé, la sortie peut fonctionner de différentes façons.

Certains comparateurs possèdent une sortie capable de fournir directement une tension haute ou basse.

D'autres utilisent une sortie à collecteur ouvert (open collector) ou à drain ouvert (open drain).

Dans ce cas, une résistance de rappel (pull-up) est nécessaire pour obtenir le niveau haut de sortie.

Cette solution permet de relier facilement plusieurs comparateurs sur une même ligne ou de commander des tensions différentes de celle de leur alimentation.

Les comparateurs avec hystérésis

Lorsque le signal d'entrée est proche du seuil, de très faibles variations peuvent provoquer des commutations rapides et répétées de la sortie.

Pour éviter ce phénomène, on ajoute souvent une hystérésis.

Le seuil utilisé lorsque la tension augmente devient alors légèrement différent du seuil utilisé lorsqu'elle diminue.

Ainsi, un thermostat ne met pas son chauffage en marche puis à l'arrêt plusieurs dizaines de fois par minute lorsque la température est proche de la valeur demandée.

Le circuit qui met en œuvre cette hystérésis est appelé un déclencheur de Schmitt.

Les comparateurs de fenêtre

Il est parfois nécessaire de vérifier qu'une tension reste comprise entre deux limites.

On utilise alors un comparateur de fenêtre, constitué de deux comparateurs travaillant simultanément.

Le premier détecte si la tension dépasse la limite supérieure, tandis que le second vérifie qu'elle reste au-dessus de la limite inférieure.

Ce type de montage est utilisé pour surveiller les alimentations électriques, les capteurs industriels ou les batteries rechargeables.

La comparaison de signaux

Les comparateurs ne servent pas uniquement à comparer une tension avec une valeur fixe.

Ils peuvent également comparer deux signaux variables.

Par exemple, un système de commande peut comparer en permanence la tension mesurée par un capteur avec la tension correspondant à la valeur souhaitée. Si les deux valeurs deviennent différentes, le système peut corriger automatiquement son fonctionnement.

Les applications des comparateurs

Les comparateurs interviennent dans un très grand nombre de montages électroniques.

Ils permettent notamment de détecter l'appui sur un bouton analogique, de surveiller la tension d'une batterie, de mesurer le niveau d'un réservoir grâce à un capteur, de commander automatiquement un ventilateur en fonction de la température ou d'allumer un éclairage lorsque la luminosité devient insuffisante.

Dans les oscilloscopes, ils servent à déclencher l'affichage lorsque le signal atteint un certain niveau. Dans les alimentations électroniques, ils détectent les surtensions ou les sous-tensions afin de protéger les circuits.

Les convertisseurs analogique-numérique utilisent également un grand nombre de comparateurs pour transformer une tension analogique en une valeur numérique.

Les principaux circuits intégrés

Parmi les comparateurs les plus utilisés, on trouve le LM311, qui possède une sortie à collecteur ouvert et peut fonctionner avec une large plage de tensions.

Les circuits LM393 et LM2903 contiennent deux comparateurs indépendants dans un même boîtier, tandis que le LM339 en regroupe quatre.

Il existe aujourd'hui des centaines de comparateurs spécialisés, capables de fonctionner avec des tensions très faibles, des vitesses très élevées ou une consommation extrêmement réduite pour les appareils portables.