Clase 6

Aunque existen muchos circuitos integrados (CIs) que contienen únicamente

circuitos digitales, y otros mas que solo contienen circuitos lineales, existen

varias unidades que contienen ambos tipos de circuitos, lineales y digitales.

Entre los CIs lineales/digitales se encuentran circuitos comparadores,

convertidores digital/analógico, circuitos de interface, circuitos

temporizadores, circuitos osciladores controlados por voltaje (VCO, por sus

siglas en ingles de Voltage-Controlled Oscillator) y lazos de seguimiento de

fase (PLLs, por sus siglas en ingles de Phase-Locked Loops).

El circuito comparador es aquel en el que un voltaje lineal de entrada se

compara con otro voltaje de referencia la salida es un condición digital que

representa si el voltaje de entrada excede el voltaje de referencia.

Los circuitos que convierten las señales digitales a un voltaje analógico o

lineal, y los que convierten un voltaje lineal en un valor digital, son comunes

en el equipo aeroespacial, equipo automotriz y reproductores de disco

compacto, entre muchos otros.

Los circuitos de interface se emplean para permitir la conexión de señales de

diferentes voltajes niveles de voltaje digital, que provienen de distintos tipos de

dispositivos de salida, o de diversas impedancias, de forma que tanto la etapa del

manejador como la etapa de recepción operen apropiadamente.

Los CIs temporizadores ofrecen circuitos lineales y digitales para emplearse en

distintas operaciones de temporización, como en una alarma de un automóvil, un

temporizador domestico para encender y apagar las luces, o en un circuito en un

equipo electromecánico que proporcione la temporización adecuada para que

coincida la operación deseada de la unidad.

El temporizador 555 ha sido, desde hace mucho tiempo, una unidad de CI

muy popular. Un oscilador controlado por voltaje proporciona una señal de

salida de reloj cuya frecuencia puede ser modificada o ajustada mediante un

voltaje de entrada. Una aplicación común de un VCO se encuentra en la lazo

de seguimiento de fase, como la que se emplea en distintos transmisores y

receptores de comunicaciones.

Un circuito comparador que permite la entrada de voltajes lineales y

proporciona una salida digital que indica cuando una entrada es menor o

mayor que la segunda. Es posible representar un circuito comparador básico

como en la figura, en la que la salida es una señal digital que se mantiene en

un nivel alto de voltaje cuando la entrada no inversora (+) es mayor al voltaje

de la entrada inversora (-), y conmuta a un nivel bajo de voltaje cuando la

entrada no inversora cae por debajo del voltaje de la entrada inversora.

Unidad comparadora (a) unidad básica; (b) aplicación típica

La figura anterior muestra una conexión típica con una entrada (la entrada

inversora para este ejemplo) conectada a un voltaje de referencia, y la otra

entrada conectada al voltaje de la señal de entrada.

Mientras que 𝑉𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 sea menor que el nivel del voltaje de referencia a +2V, la

salida permanecerá en un nivel bajo de voltaje (cercano a -10V). De esta

forma, la salida alta indica que la señal de entrada es mayor a +2V.

Debido a que el circuito interno empleado para fabricar un comparador

contiene básicamente un circuito op-amp con ganancia de voltaje muy alta,

es posible analizar la operación de un comparador mediante el uso de un op-

amp 741, como se indica en la siguiente figura.

Operación del Op-amp

como comporador

Con la entrada de referencia (en la terminal 2) conectada a 0 V, una señal

senoidal aplicada a la entrada no inversora (terminal 3) ocasionara que la

salida alterne entre sus dos estados de salida, como se aprecia en la figura b.

La entrada 𝑉𝑖 que supere, incluso por solo una fracción de milivolts, el nivel

de referencia de 0 V, será amplificada por la muy alta ganancia de voltaje (por

lo general mayor a 100 000), de forma que la salida se elevara hacia un nivel

positivo de saturación de salida, y permanecerá ahí mientras la entrada se

mantenga por arriba de 𝑉𝑟𝑒𝑓 = 0𝑉.

La figura b muestra claramente que la señal de entrada es lineal, mientras

que la salida es digital.

En el uso general, el nivel de referencia no debe ser necesariamente igual a

0V, sino que puede ser cualquier voltaje deseado positivo o negativo. Además,

el voltaje de referencia puede estar conectado a la entrada de signo tanto

positivo como negativo y la señal de entrada aplicarse a la otra entrada.

En la figura siguiente se presenta un circuito que opera con un voltaje de

referencia positivo conectado a la entrada de signo negativo y la salida

conectada a un indicador tipo LED.

El nivel del voltaje de referencia está en

𝑉𝑟𝑒𝑓 =10𝑘Ω

10𝑘Ω+10𝑘Ω+12𝑉 = +6𝑉

Dado que el voltaje de referencia se encuentra conectado a la entrada

inversora, la salida cambiará a su nivel positivo de saturación cuando la

entrada 𝑉𝑖, se vuelva mas positiva que el nivel de referencia de +6V. Luego, la

salida 𝑉𝑜, encenderá al LED como una señal de que la entrada es mas positiva

que el nivel de referencia.

Como una conexión alternativa, el voltaje de referencia podría estar

conectado a la entrada no inversora como se aprecia en la figura b. Mediante

esta conexión, la señal de entrada que caiga por debajo del nivel de referencia

ocasionara que la salida encienda cuando la señal de entrada se encuentra

por arriba o por debajo del nivel de referencia, según la terminal de entrada

sobre la que se conecta la señal de entrada sobre la que se conecte la señal

de entrada que actué como entrada de referencia.

Aunque los op-amps pueden utilizarse como circuitos comparadores, son

mas adecuados los CIs comparadores. Algunos de los beneficios incorporados

a un CI comparador son: una conmutación mas rápida entre los dos niveles

de salida, inmunidad al ruido integrada para evitar oscilaciones en la salida

cuando la entrada cruce por el nivel de referencia, y salidas capaces de

manejar de forma directa una variedad de cargas. A continuación se analizan

algunos CIs comparadores, y se describe su conexión de terminales y la

forma de utilizarlos.

El comparador 311 presentado en la figura contiene un circuito comparador

que puede operar tanto con fuentes de alimentación dobles de ±15𝑉 así como

también con una fuente sencilla de +5𝑉 (como la empleada en circuitos lógico

digitales).

La salida puede proporcionar un voltaje en uno de dos niveles o se puede

emplear para accionar una lámpara o un relevador. Observe que la salida se

toma de un transistor bipolar para permitir el manejo de una variedad de

cargas. La unidad también cuenta con entradas balance y estroboscópicas lo

que permite la activación periódica de la salida.

En la figura siguiente se muestra un detector de crece de cero que detecta el

cruce de voltaje de entrada a través de 0V, mediante el empleo del CI311. La

entrada inversora se conecta a tierra (el voltaje de referencia). Cuando la

señal de entrada se vuelve positiva enciende al transistor de salida, lo que

hace que la salida vaya a su nivel bajo (-10V para este caso).

Detector de cruce cero

Mediante un CI 311

Cuando la señal de entrada se vuelve negativa (por debajo de 0V), el

transistor se apaga, lo que hace que la salida vaya a su nivel alto (hacia

+10V). La señal será de esta forma una señal que indica si la entrada se

encuentra por arriba o por debajo de 0V. Cuando la entrada se encuentra en

algún voltaje positivo, la salida será baja. Mientras que en cualquier voltaje

negativo dará por resultado que la salida se mueva hacia un nivel alto de

voltaje.

La figura siguiente presenta la forma en la que se puede emplear un

comparador 311 con entrada estroboscópica. En este ejemplo la salida se

volverá alta cuando la entrada supere el nivel de referencia, pero solo si la

entrada TTL estroboscópica se encuentra apagada (0V).

Operación de un comparador

311 con entrada estroboscopica

Si la entrada TTL estroboscópica esta en el nivel de voltaje alto, ocasionará

que la entrada estroboscópica del 311 en la terminal numero 6 se vuelva

baja, lo que a su vez ocasionará que la salida permanezca en el estado

apagado (con la salida alta) sin tomar en cuenta la señal de entrada.

De hecho la salida permanecerá en nivel alto a menos que se aplique la señal

estroboscópica. Cuando esto sucede, la salida actúa normalmente y conmuta

entre le nivel alto y bajo según el nivel de la señal de entrada.

La figura muestra el comparador manejando un relevador. Cuando la entrada

desciende por debajo de 0V y lleva la salida hacia el nivel de voltaje bajo, el

relevador se enciende, con lo que cierran los contactos normalmente abiertos

(N.A.) en ese momento.

Estos contactos se pueden conectar para operar una gran variedad de

dispositivos. Por ejemplo un timbre o una campana que esta conectada con los

contactos puede activarse cuando el voltaje de entrada desciende por debajo de

0V. Mientras que el voltaje se encuentre presente en la terminal de entrada , el

timbré permanecerá apagado.

Operación de un comparador

311 con salida de relevador

El CI 339 es un comparador cuádruple que contiene cuatro circuitos

comparadores de voltaje independientes conectados a las terminales externas

como se muestra en la figura. Cada comparador cuenta con entradas

inversora y no inversora, así como una salida. El voltaje de alimentación

aplicado sobre un par de terminales, alimenta a los cuatro comparadores.

Incluso cuando solo se desea utilizar un comparador, los cuatro estarán

consumiendo potencia.

Comparador Cuádruple 339

Para observar la forma en la que estos circuitos comparadores se pueden

utilizar, la figura siguiente muestra a uno de los circuitos comparadores del

CI 339 conectado como un detector de cruce de cero. Una vez que la señal de

entrada se eleve por arriba de 0V, la salida conmutara a V+. La salida

cambiara a V- solo cuando la entrada descienda por debajo de 0V.

Es posible utilizar un nivel de referencia distinto a 0V y cualquier terminal de

entrada se puede utilizar como la señal de referencia, lo cual deja a la otra

terminal conectada a la señal de entrada. La operación de uno de los circuitos

comparadores se describe a continuación.

El voltaje de entrada diferencial (diferencia de voltaje a través de las terminales de

entrada) que se vuelve positivo, hace que le transistor de salida se apague

(circuito abierto), mientras que en un voltaje negativo de entrada diferencial

enciende al transistor de salida, lo que deja a la salida en el nivel bajo de

alimentación.

Si la entrada negativa se lleva a un nivel de referencia 𝑉𝑟𝑒𝑓 la entrada es mas

positiva que 𝑉𝑟𝑒𝑓 ocasionará una entrada no inversora descienda por debajo

de 𝑉𝑟𝑒𝑓, se obtendrá una entrada diferencial negativa y la salida será igual a

V-.

Si la entrada positiva esta en un nivel de referencia determinado, la entrada

inversora que descienda por debajo de 𝑉𝑟𝑒𝑓 ocasionara la salida de circuito

abierto mientras que la entrada inversora que supere 𝑉𝑟𝑒𝑓 causara una salida

V-. Esta operación se resume en la siguiente figura.

Operación de un circuito comparador 339 con entrada de referencia:

(a) Entrada de signo negativo (b) entrada de signo positivo.