Comparatori di Soglia - Corsi di Laurea a Distanza

ELETTRONICA II
Prof. Dante Del Corso - Politecnico di
Torino
Parte E: Circuiti misti analogici e digitali
Lezione n. 19 - E - 1:
Comparatori di soglia
Comparatori con isteresi
Circuiti misti analogici e digitali:
• Sono circuiti comprendenti amplificatori
operazionali, porte logiche, transistori in
linearita’ e in commutazione
Ponte tra circuiti analogici e numerici
(convertitori A/D e D/A trattati a parte)
Scelta ottimale per alcune funzioni
specifiche
Circuiti misti analogici e digitali
• Comparatori di soglia, comp. con
isteresi
• Oscillatori, generatori di onde quadre e
triangolari
• Interfacciamento tra AO e porte
logiche, circuiti di protezione
• Multivibratori, generatori di clock
• Monostabili con AO e porte logiche
Circuiti misti analogici e digitali 1
• Definizione funzionale di
comparatore
• Comparatori invertenti e non
invertenti
• Comparatori con isteresi
• Circuiti per comparatori
• Parametri dei comparatori
• Comparatori integrati
Comparatori di soglia
• Definizione funzionale:
– ingressi analogici (I, S), uscita binaria U
(L/H, 0/1)
– esegue il confronto tra una grandezza I ed
una soglia S
–
I > S oppure I < S ?
I
S
COMPARATORE
DI SOGLIA
U
Comparatore di soglia
• Funzione di trasferimento
I
S
COMPARATORE
DI SOGLIA
U
U
H
I
L
S
Comparatori
• I ed S possono essere grandezze qualsiasi:
I la quantita’di carburante nel
serbatoio
S il livello della riserva
U e’ lo stato dell’indicatore
(lampadina accesa o spenta)
• Se I ed S sono tensioni si ha un
COMPARATORE DI TENSIONE
Comparatori di tensione
VI
VU
COMP.
VS
VI : tensione di ingresso
VS : tensione di soglia
VU : tensione di uscita
(VUH , VUL)
VS
VI
VU
VUH
VUL
A.O. ad anello aperto
• Guadagno ad anello aperto (Ad) molto
grande
• Escursione dell’uscita limitata dalle tensioni
di alimentazione: VUH ~ VAL+ VUL ~ VAL• Zona lineare (VU = Vd Ad ) molto ridotta
• Per tensioni differenziali di ingresso
superiori a frazioni di mV, l’uscita si porta a
VUH o VUL , a seconda del segno della Vd
A.O. ad anello aperto
VI
VR
+
-
Vd = VI - VR
VU = Ad Vd
VU
VUH ~ VAL+
VU
VUH
VUL ~ VALVd
VUL
Circuiti per comparatori
Amplificatore Operazionale ad anello aperto
VI
VR
VS
VI
VU
VS = VR
+
-
VU
Comparatore
non invertente
Comparatore invertente
+
-
VR
VI
VU
VS = VR
VS
VI
VU
e’ ancora un operazionale ad anello aperto
Circuiti misti analogici e digitali 1
• Definizione funzionale di comparatore di
soglia
• Comparatori invertenti e non invertenti
• Comparatori con isteresi
• Circuiti per comparatori
• Parametri dei comparatori
• Comparatori integrati
Segnale analogico con rumore
ampiezza (V, I, ...)
tempo
tempo
(da lez. 1)
Segnale di ingresso con rumore
il rumore causa attraversamenti multipli della
soglia
VS
VI
VU
Comparatori con isteresi
• due soglie: VS1 e VS2 , con VS1 > VS2
• il comparatore cambia stato quando viene
attraversata VS1 con tensione Vi crescente,
oppure VS2 con tensione VI decrescente.
VS1
VS2
VI
VU
Segnale di ingresso con rumore
VS1
VS2
VI
con
isteresi
VU
senza
isteresi
VU
Comparatore invertente con isteresi
VU
VUH
caratteristica
per tensioni
decrescenti
caratteristica
per tensioni
crescenti
VUL
VS2
VS1
VI
Circuiti misti analogici e digitali 1
• Definizione funzionale di comparatore di
soglia
• Comparatori invertenti e non invertenti
• Comparatori con isteresi
• Circuiti per comparatori con isteresi
• Parametri dei comparatori
• Comparatori integrati
Sdoppiamento della soglia
• Nel caso di un comparatore invertente con
isteresi la tensione di confronto vale
VS1 per VU = VUH;
VS2 per VU = VUL
VS1
VS2
VI
VUH
VU
VUL
Come sdoppiare la soglia
• Ottenere la tensione di confronto VS come
combinazione di una tensione di riferimento
VR e della tensione di uscita VU
VI
+
VR
R1
VS
R2
VU
Comparatore con isteresi
invertente
VI
+
VR
R1
VS
R2
VU
VU = VUH : VS = VS1 = (R1 VUH + R2 VR)/(R1 + R2)
VU = VUL : VS = VS2 = (R1 VUL + R2 VR)/(R1 + R2)
Comparatore con isteresi non
invertente
-
VR
+
VI R1 VR
R2
VU
VU = VUH : VR = (R1 VUH + R2 VS1)/(R1 + R2)
VS1 = (R1 + R2) VR - R1 VUH)/R2
VU = VUL : VR = (R1 VUL + R2 VS2)/(R1 + R2)
VS2 = (R1 + R2) VR - R1 VUL)/R2
VI
+
VR
R1
R3
VS
R2
VU
DZ
Il gruppo R3 - DZ stabilizza le tensioni di
soglia rispetto a variazioni delle alimentazioni
Reazione positiva
• Il segnale di uscita viene riportato sul
morsetto positivo dell’ingresso: e’ una
REAZIONE POSITIVA
• L’isteresi e’ dovuta alla presenza della
reazione positiva
EFFETTI REAZ POSITIVA
Effetti della reazione positiva
• Ogni minima variazione viene amplificata e
riportata all’ingresso con lo stesso segno
• Gli unici stati stabili in uscita sono VUH e VUL
• L’amplificatore operazionale lavora fuori linearita’
(tranne che all’istante delle commutazione)
• Si incrementa la velocita’ di commutazione
dell’uscita
Comparatore con isteresi
• Simbolo funzionale
VI
+
VU
VS1,VS2
VU
Funzione di
trasferimento
VUH
VI
VUL
VS1,VS2
Comparatore senza e con isteresi
VI
+
VR
VS
VU
VU
VI
VS
senza isteresi
VI
VR
+
VU
VU
VS1, VS2
con isteresi
VI
VS1
VS2
AO usato come comparatore
• Lo stadio di ingresso e’ fuori linearita’ (salvo che
all’istante della commutazione)
• Puo’ essere presente una forte tensione differenziale
tra gli ingressi (diversamente da quanto avviene
negli amplificatori in linearita’)
• Puo’ anche essere presente una tensione di Modo
Comune (come per gli amplificatori non invertenti)
• Le tensioni applicate ai morsetti di ingresso devono
rispettare i vincoli indicati nei data sheet (essere
comprese entro le tensioni di alimentazione)
Parametri statici di un
comparatore
• Massime tensioni di ingresso differenziali e di
modo comune (non-danneggiamento)
• Dinamica di modo comune all’ingresso
(funzionamento)
• Correnti di polarizzazione agli ingressi
• Tensioni e correnti di offset, derive
• Uscita: livelli VUL e VUH, corrente erogabile
V
ingresso
VAL+
VCMAX
VIMAX
Campo ammesso
per le tensioni
di ingresso
Dinamica di
modo comune
VCMIN
VAL-
VIMIN
Impedenza di ingresso
• AO ad anello aperto: molto alta
• Circuiti con isteresi:
non invertenti: R1
invertenti:
molto alta
• Deve poter circolare la corrente di
polarizzazione !
Parametri dinamici
• Ritardi di
commutazione
VS
VI
VO
Parametri dinamici
• Ritardi di
commutazione
VS
VI
VO
tPLH
tPHL
tf
Esempio 1: analisi di un comparatore
• Determinare i valori delle soglie per il
circuito:
-
VI
VU
+
VR
R1 VS
R1 = 22 kΩ
R2 = 120 kΩ
VR = 3 V
R2
AO : µA 748
alim: + 15V, - 15V
Esempio 2: progetto di
comparatore
• Progettare un comparatore di soglia con:
soglie a + 3 V e + 6 V
amplificatore operazionale tipo 748,
alimentato a +- 15 V
configurazione non invertente
Progetto di comparatore
• La relazione tra VR, VS1/VS2, VUH/VUL, R1,
R2 permette di scrivere due equazioni:
• VS1/VS2, VUH/VUL sono dati di progetto
• Le incognite sono: VR, R1, R2.
• 3 incognite; 2 equazioni ?
• Usa un operazionale: vincoli sulla resistenza
equivalente vista dagli ingressi e dall’uscita.
Comparatori integrati
• Operazionali predisposti per lavorare ad
anello aperto o con reazione positiva:
Ampia dinamica di modo comune
Alta velocita’ di commutazione,
bassi ritardi di propagazione
Uscita adatta a pilotare circuiti logici
• L’isteresi deve essere aggiunta esternamente
Riepilogo sui comparatori
• Comparatori di soglia invertenti e non
invertenti: definizione funzionale.
• AO ad anello aperto come comparatori.
• Comparatori con isteresi.
• AO con reazione positiva.
• Parametri statici e dinamici di un
comparatore.