Comparadores

Los amplificadores operacionales suelen usarse como dispositivos no

lineales, para comparar dos niveles de voltaje.

En esta situación un comparador puede ser una solución perfecta. El amplificador operacional se utiliza en la configuración de lazo abierto con el voltaje que entrada en una de sus dos entradas (inversora o no inversora) y un voltaje de referencia en la otra entrada. La salida es uno de dos estados, dependiendo de si el voltaje de salida es alto o bajo. Por esta razón, los comparadores son comúnmente usados como conexión entre circuitos analógicos y digitales.

Circuito Básico o detector de cruce por cero.

Una aplicación básica del amplificador operacional como comparador es determinar cuando un voltaje de entrada excede cierto nivel.Dada la alta ganancia de voltaje en lazo abierto, un voltaje de entrada positivo provocará una saturación (positiva o negativa) en la salida del amplificador operacional. Lo mismo sucede con un voltaje negativo, dependiendo por cual entrada (inversora o no inversora) se alimenta dicho voltaje. Al colocar la otra entrada como se muestra en la figura 1, el detector de cruce por cero, tiene una de sus entradas conectada a tierra y dependiendo

De cuál sea, la diferencia con la otra entrada la salida del amplificador operacional se saturará positiva o negativamente, en el momento en que la señal a compara cruza el nivel de tierra (cero) hacia arriba o hacia abajo.

F ig 1

>

+

- V s a t

V o

_+ V s a t

V o u t

V in>V in

En la figura 1 vemos un comparador no inversor, pues al pasar la señal de entrada subiendo, la salida se satura positivamente y si va bajando hacia negativo, la salida se satura negativamente.

En la figura 2 vemos un comparador inversor, o sea que su voltaje de referencia, en este caso la tierra está conectada a la entrada no inversora y la señal de entrada a comparar, esta conectada a la entrada inversora, haciendo que cuando cruza por cero hacia el positivo, la salida se saturará

Negativamente y si cruza por cero hacia el negativo, la salida se saturará positivamente.

+

_

0

V o

0

>

>

V inV in

F ig 2

V o u t

- V s a t

+ V s a t

Esto sucede pues el amplificador operacional va a amplificar la diferencia entre los dos voltajes de entrada por el valor de la ganancia en lazo abierto de voltaje del amplificador operacional.Dado que la mayoría de los amplificadores operacionales se alimentan con fuentes de voltajes simétricos ±, y de valores no mayores a 25 voltios, y sus ganancias en lazo abiertos son mayores a 50000 veces, las diferencias entre los voltajes de referencia y de la señal de entrada serán muy pequeñas para llevar la salida a saturación.

mvvv

Vi 5,00005,050000

25

Luego, el voltaje para producir una saturación positiva o negativa será ± 0,5 mV o 500µV.Este circuito se puede usar para obtener una señal cuadrada a partir de una onda sinusoidal, ahora si conozco el slew rate del amplificador operacional podemos conocer la frecuencia máxima hasta la cual lo podemos usar para producir señales cuadradas, sin tener distorsión

Circuitos de protección o fijación de entrada.

Como los amplificadores operacionales trabajan comúnmente con alimentaciones de ± 15 V. Si la señal a comparar es grande en relación con el voltaje de alimentación, podemos destruir el circuito integrado. Por lo cual, podemos usar circuitos fijadores o recortadores, como los mostrados en la figura 3. A fin de limitar el voltaje de entrada a un máximo de ± 0,7 V, que es el valor de conducción de los diodos y con el valor de R grande, para limitar la corriente que circulará por los diodos al entrar en conducción.

V o u tV in R+

_

F ig 3

Como se vio los 0,7 V de conducción de los diodos es más que suficiente para llevar el comparador a saturación, sin llegar a dañarlo, pero si protegerlo.Como se va ha producir el efecto de offset de la corriente de polarización de entrada, y eliminarlo, debe colocarse en la otra entrada una resistencia de compensación de igual valor a la resistencia limitadora de corriente, como se observa en la figura 4.

V o u t

F ig 4

V in R+

_

R

Circuitos limitadores de salida.

La oscilación de salida de un comparador puede ser muy grande en alguna

aplicación. Se puede limitar la salida usando dos diodos zener enfrentados, como se ve en la figura 5 a En este circuito la salida está limitada al valor de conducción de un zener más el voltaje de la zona de corte del otro (1N749 zener de 4,3 V + 0,7 V del otro en polarización directa) dando aproximadamente ± 5 V de limitación en ambos picos de saturación.

-0 , 7 v

+

_

(b )

_

R

(a )

Fig 5

(c )

+

-V

1 2

+5 v

+

-5 v

V o u t

12

V o u t D

+V

R 1V in

R 2

V in

_

V o u t

1 N 7 4 9

V = R 2 / (R 1 +R 2 )

+1 5 v

1 N 7 4 9

V in

Punto de comparación diferente de cero

El comparador de cruce por cero, se puede modificar para comparar voltajes

Donde:

diferentes de cero, cambiando el voltaje de referencia de tierra a un valor dado, sea obtenido a través de un divisor resistivo, dependiendo si se alimenta positivamente o negativamente. Este voltaje de referencia se puede alimentar tanto a la entrada inversora como a la no inversora, así mismo será la salida. Como se muestra en las figuras 6 a y b

V in>

V o

V re f

V o

R 1

+

V o

(a )

_

R 2

+ V s a t

>

R 2

>

- V s a t

V in

V o

V in

>

V re f

+ V c c

(b )

+ V s a t

R 1

- V s a tV in

- V e e

F ig 6

VccRR

RVref

21

1

VccRR

RVref

21

1

A estos circuitos se les debe agregar un condensador de desacople a fin de disminuir o anular el efecto del rizado de la fuente que alimenta el voltaje de referencia, y el ruido que puede estar presente, para evitar problemas de comparación para que sea un valor limpio y exacto de comparación

La capacidad se debe calcular haciendo que la reactancia capacitiva XC sea (R1//R2)/10 y la frecuencia menor a la del rizado. Luego:

CRRfC )//(2

1

21

Reducción de los efectos del ruido mediante histéresis

Si un comparador recibe una cantidad importante de ruido en su entrada, la salida puede ser errática cerca del punto de conmutación. Con el objeto de hacer al comparador menos sensible al ruido a menudo se usa una técnica que incorpora realimentación positiva, llamada histéresis, lo que hace dicha realimentación es acelerar el paso a saturación y mantenerlo allí.

Para salir de esa saturación a la otra la señal de entrada debe superar un valor de voltaje, así se asegura que ningún ruido en la señal lo saque de saturación fácilmente.

Los puntos donde debe llegar la señal de entrada para hacer que el comparador cambie de un valor de saturación a otro se llama “punto de saturación superior” el más positivo y “punto de saturación inferior” el más negativo.Estos puntos se establecen mediante la cantidad de realimentación positiva que se introduzca.

Comparador inversor con histéresis (o disparador de Schmitt)

Cuando el comparador tiene su salida saturada positivamente, el divisor de voltaje que realimenta la salida a la entrada no inversora, ver la figura 7 y la señal de comparación se aplica a la entrada inversora, entonces el voltaje reinyectado a la entrada no inversora será:

satpcs VRR

RV

21

2

satpcs VRR

RV

21

2

V in

_

V p c s

>

F ig 7

V p c i

+

+ V s a t

R 1

R 2

>V in V o

V o

- V s a t

>>

Cuando VIN excede VPCS el voltaje de salida cae al voltaje de saturación negativo, ahora el voltaje reinyectado a la entrada no inversora es VPCI y se expresa como: satpci V

RR

RV

21

2 satpci V

RR

RV

21

2

Ahora el voltaje de entrada debe caer por debajo de VPCI para que el comparador conmute a la saturación positiva. La cantidad de realimentación viene dada por:

21

2

RR

RB

La cantidad de histéresis o sea el espacio entre el VPCS y VPCI será:

PCIPCShisteresis VVV

Si se expresan con los valores de VPCS y VPCI podemos hallar la histéresis también:

PCIpcs VVH satBVH 2

satsat BVBVH

satBVH 2

Comparador con histéresis sin inversión

El comparador sin inversión es un circuito disparador de Schmitt no inversor como se ve en la figura 8

V in

>

R 1

R 2

V inV o u t

>V p c i

>

- V s a t

+ V p c s

+ V s a t

_

V o

F ig 8

>

Como en el circuito comparador el voltaje se reinyecta a la entrada positiva para reforzar la saturación positiva o negativa. Aquí VPCS es como sigue:

satpcs VR

RV

2

1

satpcs VR

RV

2

1

Lo mismo que el VPCI:

satpci VR

RV

2

1

satpci VR

RV

2

1

La histéresis será VPCS – VPCI :

satsat VR

RV

R

RH

2

1

2

1

satsat VR

RV

R

RH

2

1

2

1 satVR

RH

2

12

satVR

RH

2

12