Comparatoare cu amplificatoare operationale

Comparatoare cu amplificatoare operationale

Comparatoarele sunt circuite ce indica prin nivelul tensiunii de iesire relatia canti-tativa dintre doua tensiuni aplicate la intrari. Comparatorul poate fi asimilat unui circuit ce prlucreaza semnale analogice furni-

zand semnale logice, constituindu-se ca inter-fata intre prelucrarea analogica si cea nume-rica (digitala). Pentru ilustarea principiului de functionare este relevanta schema din figura 8.89 a comparatorului pentru tensiuni cu acelasi semn.

a. Comparatoare fara reactie

In majoritatea cazurilor practice o tensi-une variabila este comparata cu una fixa care constituie pragul (referinta) comparatorului.

Daca tensiunea variabila este U spunem ca comparatorul este inversor, iar daca cea variabila este U spunem ca avem de a face cu un comparator neinversor.

Caracteristica de transfer a comparatorului inversor se prezinta in figura 8.93 a, iar cea a comparatorului neinversor in figura 8.93 b.

Tensiunea de iesire a comparatorului poate avea doua valori distincte si anume:

- U_emp - de regula pozitiva si asimilata nivelului logic superior

- U_emn - de regula negativa si asimilata nivelului logic inferior.

Caracteristica prezinta un tronson de trecere con-tinua intre cele doua nivele numit

zona de indecizie. Latimea acesteia, notata  DU_i si data de relatia:

8.200

are, asa cum se observa, valori foarte mici.

Daca una din tensiunile supuse compararii

(sau amandoua) contin zgomote sau variatii ce ar trebui ig-norate in pro-cesul de com-parare, exis-tenta zonei de indecizie este suparatoare si generatoare de comutari ("vibratii") nedorite ale iesirii, asa cum se observa din figura 8.91.

Acesta este principalul dezavantaj al com-paratoarelor simple (fara rectie pozitiva).

Avantajul esential al lor este insa va-loarea foarte mica a erorii de comparare. Pe langa valoarea latimii zonei de indecizie, DU_i

aceasta mai contine ca si componente decalajul initial de tensiune, deriva de tensiune, sem-nalul comun precum si caderile de tensiune pe rezistentele de la intrare (daca exista) deter-minate de decalajul initial de curent.

Din punctul de vedere al comporarii dinamice, trebuie subliniat faptul ca comparatorul cu amplificator operational este lent (timpul de comutare este de ordinul zecilor de microse-cunde) din cauza saturarii iesirii. Deoarece

lucreaza fara reactie negativa, nu este nece-sara corectia de frecventa a amplificatorului operational cu care este realizat comparatorul.

Un alt tip de comparator fara reactie este cel destinat compararii valorilor absolute ale unor tensiuni de semne contrare. Schema unui asemenea comparator se prezinta in figura 8.92.

b. Comparatoare cu reactie pozitiva

Pentru a elimina dezavantajul mentionat al comparatoarelor simple, se realizeaza compara-toare cu reactie pozitiva asa cum se observa in exemplul din figura 8.93.

Aceasta prezinta un comparator pentru tensiuni de acelasi semn.

Caracteristica sa de transfer se prezinta in figura 8.94.

Eroarea de comparare definita conform

relatiei 8.208 este mai mare decat in cazul comparatoarelor fara reactie.

Avantajul castigat este cel al eliminarii "vibratiilor". Proiectantul unui circuit in care se implementeaza si o functie de comparare urmeaza sa decida asupra alegerii unui compa-rator simplu sau a unuia cu reactie pozitiva in functie de cazul concret considerat. Ca si in cazul comparatorului simplu, si in cazul celui cu reactie pozitiva vorbim despre comparator

inversor sau neinversor dupa cum tensiunea variabila este U (aplicata intrarii inversoare) respectiv U (aplicata intrarii neinversoare).

In primul caz caracteristica de transfer al comparatorului este cea din figura 8.97, pentru cazul in care ten-siunea de prag (refe-rinta) - U este pozi-tiva.

Pentru descrierea anali-tica a functionarii tre-buie considerata o stare initiala conform careia tensiunea U este mult mai mica decat valoarea de prag U (punctul A de pe caracteristica).

Conform acestei situatii tensiunea de iesire a comparatorului este pozi-tiva si are valoarea:

8.201

Schema de calcul ce caracterizeaza func-tionarea circuitului se prezinta in figura 8.95. Conform acesteia tensiunea aplicata intrarii inversoare are expresia:

8.202

Atata vreme cat U este mai mica decat aceasta tensiune, comparatorul ramane in starea mentionata. Daca U creste peste aceasta va-loare, intrarea inversoare devine mai pozitiva decat cea neinversoare si se produce comutarea tensiunii de iesire care devine:

8.203

Tensiunea la care s-a produs comutarea, data de relatia 8.202, poate fi exprimata si sub forma:

8.204

care pune in evdenta faptul ca comutarea mentionata se produce la o tensiune U mai mare decat U

Daca tensiunea variabila creste in con-tinuare, tensiunea de iesire isi pastreaza valoarea corespunzatoare relatiei 8.203.

Din acest moment schema de calcul aferenta functionarii comparatorului este cea din figura 8.95 b. De aceasta data intrarii neinversoare i se aplica tensiunea:

8.205

Cand U atinge aceasta valoare, corespun-zatoare punctului D se produce comutarea tensi-unii de iesire la valoarea data de relatia:

8.206

Tensiunea U la care se produce comutarea, data de relatia 8.205 poate fi scrisa si sub forma:

8.207

care pune in evidenta faptul ca comutarea la valoarea data de relatia 8.206 se produce la o tensiune U mai mica decat U . Valorile celor doua praguri, impuse de utilizator sau aplica-tie, servesc la calculul rezistentelor R si R_r.

Eroarea de comparare in cazul comparatoa-relor cu reactie pozitiva se defineste conform relatiei:

8.208

unde

8.209

Latimea zonei de histereza, data de relatia:

8.210

trebuie corelata cu specificul aplicatiei pentru a rejecta zgomotele suprapuse care ar putea afecta catastrofal rezultatul compararii.

Ea trebuie sa respecte relatia:

8.211

In cazul in care comparatorul prezentat in figura 8.93 se utilizeaza ca si comparator ne-inversor tensiunea variabila este U iar cea de prag U , caracteristica sa de transfer avand forma din figura 8.98, pentru cazul unei ten-siuni U pozitive.

Examinarea functionarii circuitului este analoaga cazului amplificatorului in-versor. Astfel pentru o tensiune U mult mai mica decat U , tensiunea de iesire a comparatorului este:

8.212

Pentru cazul in care tensiunea variabila U creste, functionarea circuitului este carac-terizata de schema de calcul din figura 8.99 a.

Intrarii inversoare i se aplica tensiunea de prag U , in timp ce intrarii neinversoare i se aplica tensiunea:

8.213

In momentul in care aceasta din urma depa-seste tensiunea U se produce comutarea iesirii la valoare:

8.214

Aceasta comutare are loc pentru o valoare a tensiunii variabile U data de relatia:

8.215

Ea poate fi scrisa si sub forma:

8.216

care arata ca este mai mare decat U

Daca tensiunea U creste in continuare tensiunea de iesire isi pastreaza valoarea data de relatia 8.214.

Pentru cazul in care U descreste de la valori sensibil mai mari decat U schema de calcul ce descrie functionarea com-paratorului se prezinta in fgura 8.99 b.

In acest caz comutarea iesirii la valoarea:

8.217

se va produce atunci cand tensiunea aplicata in-trarii neinversoare scade sub cea aplicata intrarii inversoare (U ), adica la limita cand:

8.218

Aceasta se intampla pentru valoarea U a tensiunii data de relatia:

8.219

exprimabila si sub forma:

8.220

evident mai mica decat U

Evident ca si in cazul comparatorului ne-inversor cu reactie pozitiva (histereza) se de-fineste eroarea de comparare:

8.221

Relatiile ce definesc intervalele a si b sunt insa diferite de cele caracteristice com-paratorului inversor, fiind de forma:

8.222

Latimea zonei de histereza, data de relatia:

8.223

va fi aleasa si in acest caz conform celor pre-cizate pentru comparatorul inversor.

Din analiza comparatoarelor realizate cu amplificatoare operationale se pot desprinde cateva concluzii si anume:

1. Daca tensiunile de alimentare ale am-plificatorului operational au valori mari, pot apare diferente de tensiune periculoase care impun necesitatea protectiei intrarilor (prin mijloace curente cunoascute).

2. In cazul in care este necesara obti-nerea unei tensiuni de iesire compatibile TTL sau CMOS trebuie utilizate circuitele de limi-tare cunoscute. La unele amplificatoare opera-tionale limitarea tensiunii de iesire poate fi obtinuta si ca efect al conectarii unei diode Zenner intre pinul de corectie si masa [].

3. Comparatorul cu histereza poate fi uti-lizat si ca circuit basculant Schmitt. Si in acest caz valorile de prag U sau U determina valorile rezistentelor R si R_r.

4. Comparatoarele cu amplificatoare ope-rationale nu pot fi utilizate pentru prelu-crarea semnalelor rapide. Pentru aceste apli-catii se utilizeaza comparatoare integrate spe-cializate.

c. Comparatoare cu fereastra

Aceste tipuri de comparatoare se utili-zeaza in cazurile in care este necesar sa se preci-zeze "pozitia" unei tensi-uni in raport cu doua pra-guri stabilite. Schema de principiu a unui asemenea comparator se prezinta in

figura 8.100. Schema nu face necesara descrierea functionarii.

Caracteristica de transfer prezentata in figura 8.101 rezulta din superpozitia caracteristicilor indivi-duale ale comparatorului neinversor realizat cu A si comparatorului inversor realizat cu A Utilizarile comparatoa-relor cu fereastra sunt multiple si diverse. Spre exemplificare se aminteste solutia de protectie simultana la supracurent si supratensiune a surselor stabilizate