Comparatori di Soglia - Corsi di Laurea a Distanza
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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.
