Otras aplicaciones de comparadoresLos comparadores se usan en muchos circuitos electrnicos y facilitan adems el paso de seales entre tecnologas diferentes

Comparadores con una sola fuente de alimentacin

Como sabemos un amplificador operacional tpico, como el 741, puede trabajar con una sola fuente de alimentacin positiva y llevando a tierra el terminal VEE , como se observa en la figura 1. En estas condiciones el voltaje de salida tiene slo una polaridad, es decir, un voltaje positivo baja o alta.Por ejemplo, con VCC igual a + 15 V, la variacin de la salida flucta aproximadamente entre 1,5 V (estado bajo) y cerca de 13,5 V (estado alto).

Cuando Vin es mayor que Vref la salida est a nivel alto, como se advierte en la figura 1. cuando Vin es menor que Vref , la salida tiene un nivel bajo. En cualquier caso, la salida tiene polaridad positiva. E la mayora de las aplicaciones digitales se prefiere este tipo de salida positiva.

Circuitos integrados comparadores.

Un amplificador operacional como el 741 se puede usar como comparador, pero tiene limitadores de velocidad. Como sabemos, la velocidad de respuesta (slew rate) limita la velocidad de variacin del voltaje de salida.En un 741, la salida no puede cambiar ms rpidamente que a 0,5 V/s,. Debido a este hecho. Un 741 tarda ms de 50 s en conmutar entre una salida baja de 13,5 V y una salida alta de +13,5 V. Una solucin a este problema consiste en utilizar un amplificador operacional con velocidad de respuesta ms rpida, como el LM318. ste tiene un SR de 70 V/s, pudiendo conmutar de 13,5 a + 13,5 V aproximadamente en 0,3 s.

Otra solucin adecuada es la eliminacin del condensador de compensacin

que se encuentra en un amplificador operacional tpico. En circuitos lineales con amplificadores operacionales, este condensador atena la ganancia de voltaje en lazo abierto a razn de 20dB por dcada y evita oscilaciones. Un comparador siempre se utiliza como un circuito no lineal, por lo que no es necesario incluir un condensador de compensacin. Un fabricante puede redisear el amplificador operacional tpico suprimiendo el condensador de compensacin. Cuando un amplificador integrado se ha optimizado para usarse como un comparador, el dispositivo se incluye en una seccin aparte del catlogo del fabricante. Por ello , normalmente encontramos en un manual de fabricante una seccin de amplificadores operacionales y otra sobre comparadores.

Dispositivos con colector abierto.

La figura 2(a), es un diagrama interno simplificado de un comparador. La etapa de polarizacin de entrada es un amplificador diferencia (Q1 y Q2).Una fuente de corriente Q6 suministra la corriente de polarizacin. El amplificador diferencial excita una carga activa Q4. La etapa de salida es nicamente el transistor Q5 con el colector abierto. El fabricante, como

puede observarse, frecuentemente deja abierto este colector, lo que permite al usuario controlar la variacin de la salida del comparador.El amplificador operacional tpico estudiado en clases anteriores tena una etapa a la que se poda denominar etapa activa de pull-up, ya que contiene dos dispositivos clase B en contrafase conectados. Con este arranque activo, el dispositivo superior conduce y eleva la salida a su estado en nivel alto. Por otra parte, la etapa de salida con colector abierto de la figura 2(a) necesita un componente externo al que conectarse.Para que el circuito funcione, el usuario tiene que conectar el colector abierto

de Q5 a una resistencia externa y una fuente de alimentacin, como se ve en la figura 2(b). La resistencia recibe la alimentacin cuando Q5 est en corte. Cuando Q5 est saturado, el voltaje de salida est a nivel bajo. Bsicamente, la etapa de salida es un transistor de conmutacin. Por ello , el comparador produce una salida de dos estados, ya sea un voltaje de nivel alto o bajo.Sin condensador de compensacin en el circuito, la salida en la figura 2(a) puede variar rpidamente, debido a que slo pequeas capacidades parsitas permanecen en el circuito. Una limitacin en la velocidad de conmutacin es la capacidad de Q5. La capacidad equivalente en la salida es la suma de la capacidad de colector y la capacidad parsita de las conexiones. La constante de tiempo de la salida es el producto de la resistencia de pull-up y de la capacidad de salida. Por esta razn, cuanto menor sea la resistencia de pull-up en la figura 2(b), con mayor rapidez puede cambiar el voltaje de salida. Generalmente R es del orden de cientos de ohms, o como mximo de algn kiloohms.Ejemplos de comparadores integrados con una etapa de salida con colector abierto son el LM311, el LM339 y el NE 529. El LM339 es un comparador cudruple, es decir, rene cuatro comparadores en un solo integrado.

Debido a su bajo costo y a su fcil uso, se ha convertido en un comparador popular en aplicaciones de propsito general.

Conexin con dispositivos TTL

El la figura 3(a) se muestra la forma en que el LM339 se puede conectar como interfaz con dispositivos TTL. Obsrvese que la salida de colector abierto est conectada a una alimentacin de + 5 V a travs de una resistencia de pull-up de 1 K. Por esto, la salida puede ser = 0 o + 5 V, como se ve en la figura 3(b). Este tipo de excitacin es ideal para dispositivos TTL por estar diseados para trabajar con tensiones de alimentacin de + 5 V.

Ejemplo:En la figura 4(a) el voltaje de entrada es una seal sinusoidal con un valor de pico de 10 V. Cul es el punto de conmutacin del circuito? Qu valor toma la frecuencia de corte del circuito de desacople? Cmo es la seal de salida?.Solucin: Como se aplica un voltaje de + 15 V a un divisor de voltaje de razn 3:1, el voltaje de referencia es: Vref = + 5 V.Este es el punto de conmutacin del comparador. Cuando la seal sinusoidal alcanza este nivel, el voltaje de salida conmuta su estado.

La frecuencia de corte del circuito de desacople es:Debido a esta baja frecuencia de corte, cualquier rizado del orden de los 60 Hz que se produzca en la fuente de alimentacin ser fuertemente atenuada.Ejemplo:Cul es el ciclo de trabajo de la seal de salida de la figura 4(b)?Solucin: El ciclo de trabajo se define como la anchura del pulso dividido por el periodo de la seal. El ciclo de trabajo en esta seal es igual al ngulo de conduccin dividido entre 360. En la figura 4(b), la seal sinusoidal tiene un voltaje de 10 Vpico. De esta forma, el voltaje de entrada tiene una funcin del tipo:

La salida rectangular conmuta entre sus estados cuando el voltaje de entrada alcanza los + 5 V. En ese momento, la ecuacin anterior tiene unos valores:Ahora hallamos el ngulo para estos valores:O sea que: La primer solucin, = 30, sucede cuando la salida cambia de nivel bajo a alto. La segunda solucin, = 150, cuando lo hace de alto a bajo. El ciclo de trabajo es:El ciclo de trabajo de la figura 4(b) es del 33,3 %.

Comparador de ventana

Un comparador de ventana indica el momento en que el voltaje de entrada excede cierto lmite o umbral. Un comparador de ventana (tambin llamado detector de lmite doble) detecta cundo el voltaje de entrad est entre dos lmites.Para construir un comparador de ventana se utilizan dos comparadores con umbrales distintos.Nivel de salida bajo entre los lmites: La figura 5(a) muestra un comparador de ventana que produce un nivel bajo de salida de voltaje cuando el voltaje de entrada est entre unos lmites inferior y superior. El circuito tiene un PCI y un PCS. El voltaje de referencia se puede obtener de un divisor de voltaje, unos diodos zener o de otros circuitos. La figura 5(b) muestra la funcin de transferencia de un comparador se ventana. Cuando Vin es menor que PCI o mayor que PCS, la salida est a nivel alto. Cuando Vin est entre PCI y PCS, la salida est a nivel bajo. ste es el funcionamiento terico, para cuyo anlisis supondremos que

PCI = 3 V y PCS = 4 V. Cuando Vin < 3 V, el comparador A1 tiene una salida positiva y A2 negativa. El diodo D1 conduce y D2 est en corte. De esta forma, el voltaje de salida est a nivel alto. Igualmente cuando Vin > 4 V, el comparador A1 tiene una salida negativa y A2 positiva. El diodo D1 est en corte y D2 conduce. El voltaje de salida est en nivel alto. Cuando 3 V < Vin < 4 V, A1 y A2 tienen una salida negativa, D1 y D2 estn en corte y el voltaje de salida est en nivel bajo. Nivel de salida alto entre los lmites:La figura 6(a) muestra otro comparador de ventana. El circuito utiliza un LM339, comparador cudruple que necesita una resistencia externa de pull-

Up. Si el voltaje de alimentacin de pull-up es de +5 V, la salida puede excitar circuitos TTL. La figura 6(b) muestra la funcin de transferencia. Se observa que el voltaje de salida est en nivel alto cuando el voltaje de entrada est entre los dos lmites.Para este anlisis supondremos los mismos voltajes de referencia del ejemplo anterior. Cuando Vin < 3 V, el comparador inferior lleva la salida a cero. Cuando Vin > 4 V, el comparador superior lleva la salida a cero. Cuando 3 V < Vin < 4V, el transistor de salida de ambos comparadores est en corte, con lo que la salida sube a +5 V.