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Ampli�catori Operazionali-2
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Saverio Maggi
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Presentazione
sul
tema:
"Ampli�catori
Operazionali-2"—
Transcript della presentazione:
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Ampli�catori
Operazionali-2
1. Applicazioni non lineari dell’operazionale.
2. Generatori di forme d’onda.
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1. Applicazioni non lineari dell’AO
1.1 – Comparatore.
1.2 – Trigger di Schmitt.
1.3 – Comparatore a �nestra.
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1.1 Comparatore.
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Comparatore
Comparatore: dispositivo che confronta la tensione Vin applicata
all’ingresso con una tensione di riferimento costante Vref (soglia). Per
questo è anche detto comparatore a soglia.
L’uscita Vout indica se Vin è maggiore o minore di Vref, commutando di
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livello allorché Vin = Vref.
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Se Vref ≠ 0 il circuito è anche detto rivelatore di livello mentre se Vref = 0
prende il nome di rivelatore di zero.
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Comparatore invertente con Vref≠0
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Dalla transcaratteristica di destra si può notare che:
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Quando Vin < Vref Vout ≈ + Vcc
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Quando Vin > Vref Vout ≈ − Vcc
Quando Vin = Vref Tasti:
si ha la commutazione di livello ( Rivelatore di
livello).
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Comparatore non invertente con Vref=0
Dalla transcaratteristica di destra si può notare che:
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Quando Vin < 0 Vout ≈ − Vcc
Quando Vin > 0 Vout ≈ +Vcc
Quando Vin = 0 si ha la commutazione di livello ( Rivelatore di zero).
approfondimento
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Ruolo del comparatore
Il comparatore può essere considerato un’interfaccia tra circuiti analogici
e digitali.
Infatti i segnali di ingresso sono analogici mentre l’uscita assume solo 2
livelli ( ), che possono essere considerati livelli logici.
Può essere considerato un convertitore analogico/digitale a 1 bit.
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Limiti del comparatore a soglia
Il comparatore a soglia non assicura un'uscita costante: si ha quindi una
"zona di indeterminazione", ovvero una fascia di valori del segnale di
ingresso entro la quale il segnale viene ampli�cato, ma senza saturare.
Oltre a ciò vi è una di�coltà pratica di utilizzo del semplice comparatore a
soglia in quelle applicazione in cui sia richiesto il controllo on/o� di un
dispositivo:
Se infatti la di�erenza tra il segnale variabile di ingresso "Vin" e quello di
riferimento "Vref", è piccola o addirittura trascurabile, il comparatore
sarà instabile, accendendo e spegnendo ripetutamente il dispositivo.
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Limiti del comparatore a soglia
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3) L’AO in anello aperto
è più sensibile
a rumori e disturbi presenti agli
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ingressi invertente e non invertente.
Ciò può provocare commutazioni indesiderate dell’uscita a seguito di una
momentanea ed errata coincidenza dei valori Vin e Vref.
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1.2 Trigger di Schmitt.
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Trigger di Schmitt
Il Trigger di Schmitt, o comparatore rigenerativo o comparatore con
istèresi o comparatore a doppia soglia, riduce gli inconvenienti del
comparatore a soglia, creando una zona di insensibilità Annulla
(isteresi),
compresa entro due soglie di intervento (VT+ e VT−).
Ciò grazie alla retroazione positiva (frazione dell’ uscita riportata in
ingresso al terminale + dell’AO, con aumento del guadagno).
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Funzionamento del Trigger di Schmitt
1) Se Vout = +Vcc
V+ = [R2/(R1+R2)](+Vcc). Allorché Vin raggiunge tale valore (indicato con
tensione di soglia superiore VT+), Vout commuta a Vcc.
2) Se Vout = Vcc
V+=[R2/(R1+R2)] ( Vcc). Allorché Vin, diminuendo, raggiunge tale valore
(indicato con tensione di soglia inferiore VT ), Vout ricommuta al valore
+Vcc, rimanendovi �no al successivo passaggio per VT+.
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La transcaratteristica
VH = VT+ - VT- = Tensione di Istèresi. Se Vref fosse ≠ 0 il gra�co
traslerebbe orizzontalmente.
L’istèresi è quella che permette di evitare le commutazioni indesiderate:
maggiore è VH minore è la probabilità di avere false commutazioni.
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Porte con ingressi a trigger di Schmitt
Un inconveniente che si veri�ca di frequente sulle linee di trasmissione di
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segnali digitali è la degradazione dei loro livelli logici.
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Questo capita a causa della sovrapposizione al segnale utile di una
componente di rumore che va a variare l’ampiezza picco-picco del
segnale.
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Spesso a ciò si accompagna anche un peggioramento della forma dei
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fronti d’onda di salita e discesa.
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15 Porte con ingressi a trigger di Schmitt
Sfruttando le caratteristiche
del Trigger di Schmitt, i progettisti hanno
Tasti:
realizzato porte logiche integrate con ingressi a trigger di Schmitt (o porte
con istèresi), il cui simbolo è rappresentato in �gura.
Esse presentano una transcaratteristica in cui non esiste una zona di
transizione graduale nel passaggio da un livello all’altro, bensì 61
un
passaggio brusco in corrispondenza di due distinti valori dell’ingresso (le
tensioni di soglia).
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Porte con ingressi a trigger di Schmitt
Le porte logiche con istèresi, dunque, sono più immuni ai rumori di
quelle senza istèresi.
Sono dunque usate per “ripulire” dal rumore il segnale di ingresso e
migliorare la de�nizione dei fronti del segnale in uscita.
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1.3 Comparatore a �nestra.
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Il comparatore a �nestra
Il comparatore a �nestra permette di riconoscere se una tensione, Vin,
risulta all’interno o all’esterno di una �nestra di valori, ossia tra due
estremi, Vref1 e Vref2.
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Schema circuitale del comparatore a �nestra
In �gura, il comparatore superiore (A1) è di tipo non invertente, mentre
quello inferiore (A2) è di tipo invertente, pertanto si otterrà il seguente
funzionamento:
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Principio di funzionamento
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1) Vin < Vref2
l’uscita di A2 è alta e l’uscita di A1 è bassa
D2 è ON e D1 è OFF
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Vout=+VCC grazie ad A2.
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2) Vin > Vref1
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l’uscita di A1 è alta e l’uscita di A2 è bassa
D1 è ON e D2 è OFF Tasti:
Vout=+VCC grazie ad A1.
3) Vref2 < Vin < Vref1
le uscite di A1 e A2 sono basse,
61
sia D1 che D2 sono OFF
Vout = 0.
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2. Generatori di forme d’onda.
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2. Generatori di forme d’onda
2.1 – Multivibratori.
2.2 – Astabile ad operazionale.
2.3 – Generatore di onda quadra e triangolare.
2.4 – Multivibratori a porte logiche
2.5 – Multivibratori integrati.
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2.1 Multivibratori.
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Multivibratori
I multivibratori, a di�erenza degli oscillatori sinusoidali, sono circuiti
adatti a fornire onde quadre, rettangolari o impulsive.
Sono realizzati in svariate forme:
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a BJT,
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ad operazionale,
a porte logiche,
in circuito integrato.
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Si distinguono in monostabili, bistabili e astabili.
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25 Multivibratore monostabile
Presenta uno stato stabile,
Tasti: in cui può rimanere inde�nitamente, ed uno
quasi-stabile.
Mediante il segnale di comando Vi in ingresso è possibile far commutare
l’uscita Vo dallo stato stabile SS) a quello quasi-stabile (SQS).
Da quest’ultimo, però, dopo un tempo dipendente dai parametri 61
del
circuito stesso, l’uscita ritorna nello stato stabile.
In de�nitiva il circuito genera, in seguito ad un comando, un impulso
(onda rettangolare) di durata prestabilita, utilizzabile come
Annulla
temporizzatore.
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Multivibratore bistabile
Detto anche �ip-�op, presente due stati stabili (SS) nei quali può
permanere inde�nitamente.
Il circuito passa da uno stato all’altro solo in seguito ad un comando
esterno. Trova largo impiego come cella di memoria e divisore di
frequenza (FF JK e FF T).
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Multivibratore astabile
E’ caratterizzato da due stati non stabili (uscita alta e bassa) tra i quali il
multivibratori oscilla senza bisogno di comandi esterni.
L’autoinnesco dell’oscillazione è reso possibile, sotto certe condizioni,
dalla sicura presenza di una quantità in�nitesima di rumore termico nel
sistema ampli�catore−rete di reazione, ampli�cata dall’anello di reazione.
Il periodo delle oscillazioni è determinato dalle costanti di tempo del
circuito.
L’astabile è un vero e proprio generatore di onde rettangolari.
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2.2 Astabile ad operazionale.
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ad we
operazionale
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Se colleghiamo all’uscita del Trigger di Schmitt un ramo di
temporizzazione RC e applichiamo la tensione del condensatore Vc
all’ingresso invertente del comparatore otteniamo un multivibratore
astabile (generatore di onda quadra).
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30 Principio di funzionamento
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Supponiamo inizialmente Vo = VoH.
C tende a caricarsi al valore +Vcc
con costante di tempo
RC,
ma
quando
Vc
(= V = V+ = VR2) raggiunge il
Tasti:
valore VT+ (tensione di soglia superiore del Trigger), Vo commuta
portandosi al valore –Vcc.
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Principio di funzionamento
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2.3 Generatore d’onda quadra e triangolare.
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Generatore di onda quadra e triangolare
Annulla
A questo punto Vc si inverte di polarità e C inizia a scaricarsi tendendo a
VoL con la stessa costante di tempo. Giunta però Vc alla soglia inferiore
VT
l’uscita ricommuta e il ciclo ricomincia. (L’analisi sarebbe identica se
partissimo dal valore Vout= Vcc).
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Con il seguente circuito è possibile ottenere sia un’onda quadra (Vo1) che
un’onda triangolare (Vo2).
Infatti esso è costituito da un Trigger di Schmitt non invertente (con Vref =
0) che alimenta un integratore invertente.
L’uscita Vo2 dell’integratore è a sua volta riportata all’ingresso del trigger
in modo da chiudere l’anello di reazione.
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Forme d’onda
approfondimento
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Relazioni matematiche
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Valgono le seguenti relazioni:
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2.4 Multivibratori a porte logiche.
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Multivibratori a porte logiche
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Le porte logiche TTL e CMOS vengono spesso usate per realizzare circuiti
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formatori d’onda, in particolare:
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multivibratori astabili (generatori di segnali di clock),
multivibratori monostabili
Tasti:(formatori di impulsi)
multivibratori bistabili (celle di memoria a �ip-�op).
approfondimento
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Principio di funzionamento
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Il principio che sta alla base dei multivibratori a porte logiche è che se si
collega l’ingresso con l’uscita di un blocco costituito da un numero pari di
porte NOT, si ottiene una reazione positiva.
In questo caso il punto di lavoro non può permanere nella zona di
transizione tra i due livelli ma viene sospinto energicamente al livello alto
o basso della transcaratteristica.
Perciò la con�gurazione costituita da 2 porte reazionate viene utilizzata
come blocco di commutazione nei circuiti a scatto.
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Monostabile a CMOS
La porta G2 funziona da NOT. Il circuito presenta uno stato stabile (Vo =
L), la cui rimozione è possibile mediante l’applicazione di un impulso
positivo (Vcomm) all’ingresso di G1.
Tale impulso positivo porta il circuito nello stato quasi-stabile (Vo=H), la
cui durata, To, dipende dalla costante di tempo RC e dalla tensione di
soglia VT = Vcc/2 tra stato H e L:
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Astabile a CMOS
E’ costituito da 2 porte NOT e da una rete di temporizzazione RC, posta in
retroazione, che �ssa un duty-cycle d=50% e un periodo dell’oscillazione T
al valore:
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Astabile con NOT a trigger di Schmitt
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Si può ottenere un astabile
grazie
ad una porta NOT con ingresso a
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Trigger di Schmitt.
Anche in questo caso d=50% e il periodo complessivo dell’onda quadra di
uscita vale:
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2.5 Multivibratori integrati
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Multivibratori integrati
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La maggior parte delle case costruttrici di componenti elettronici
producono generatori di funzioni integrati, in grado di fornire segnali di
forma d’onda diversa.
Questi segnali sono, tipicamente:
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Segnale sinusoidale
Segnale triangolare
Onda quadra
Per essi si possono variare alcuni parametri, come:
frequenza,
ampiezza,
duty-cycle.
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Monostabili integrati
Le principali caratteristiche dei monostabili integrati sono:
il numero e il tipo degli ingressi di trigger (di comando);
la retriggerabilità (capacità di cominciare un nuovo ciclo di
temporizzazione durante lo stato instabile);
la resettabilità;
la durata dell’impulso.
Monostabili di uso comune sono: 74121, 74122, 74123, 9602, 8853, 4098,
XR2240, 555.
Il 555 è uno dei più di�usi integrati dedicati alla temporizzazione, oltre
che alla realizzazione di multivibratori astabili e monostabili, attuabili con
l’aggiunta di pochi componenti esterni (resistenze, condensatori).
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555 come astabile
ToRa,
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Rbthis
eC
costituiscono
ramo
diand
temporizzazione.
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Il condensatore da 0,01 μF permette di mantenere �ssa la tensione di
riferimento al pin 6 (THR), isolando in continua il pin 5 dalla massa e
cortocircuitando invece eventuali disturbi.
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Il periodo T dell’onda quadra di uscita e il duty-cycle d valgono:
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555 come monostabile
Tasti:
Ra e C formano la rete di temporizzazione.
Il terminale di trigger, (pin 2), diventa l’ingresso sul quale applicare il
segnale di comando (impulso negativo di ampiezza Vcc).
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La durata dell’impulso vale:
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Limiti del comparatore in anello aperto
Il comparatore in anello aperto presenta un grave inconveniente.
Infatti, se al segnale analogico d’ingresso fosse sovrapposto un disturbo
(tensione casuale di rumore che ne modi�ca l’ampiezza), l’ampiezza del
segnale risultante potrebbe avere delle escursioni talora al di sopra e
talora al di sotto di Vref.
Ciò provocherebbe commutazioni indesiderate dell’uscita, fonte di
malfunzionamenti della circuiteria a valle del comparatore.
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Diodi e operazionali
L’utilizzo dei diodi nelle con�gurazioni circuitali ad operazionale permette
di ottenere dispositivi dal comportamento molto interessante:
raddrizzatore attivo a semplice e doppia semionda, che consente di
rendere unidirezionale un segnale bidirezionale,
rivelatore di picco attivo, che grazie alla presenza di un condensatore
carico permette di “bloccare” il valore dell’uscita al valore massimo
assunto dall’ingresso,
To�ssatore
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o limitatore
tensione,
“�ssa”
il valore
dell’uscita
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un determinato livello di potenziale, �ssato da un partitore.
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Retroazione negativa e positiva
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Nelle applicazioni lineari degli ampli�catori operazionali è sempre
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presente reazione negativa.
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Le applicazioni lineari con reazione negativa possono presentare una rete
di retroazione:
Tasti:
resistiva (come nelle con�gurazioni invertente e non, bu�er, sommatore,
di�erenziale, ecc.)
oppure reattiva (per esempio il circuito integratore, derivatore, �ltri attivi,
61
astabile, ecc).
Nelle applicazioni non lineari vi può essere reazione negativa o positiva.
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Ingressi a trigger di Schmitt
Gli ingressi a trigger di Schmitt rendono i dispositivi digitali immuni dai
cosiddetti jitter , o guizzi spurii.
Questi si manifestano sull’uscita quando i segnali di pilotaggio applicati
agli ingressi presentano transizioni troppo lente.
Ciò, infatti, potrebbe comportare, da parte dei circuiti collegati a valle,
una errata interpretazione di questi guizzi come segnali veri e propri.
In tal caso si dice che i dispositivi sono forniti di ingressi triggerati.
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Altre applicazioni del trigger di Schmitt.
1) Riformatore di impulsi. Se un eventuale disturbo che si sovrappone
all’ingresso Vin è tale da avere un’ampiezza minore dell’istèresi VH, esso
non viene avvertito, per cui non si producono commutazioni indebite
dell’uscita Vout.
2) Squadratore. Il Trigger di Schmitt viene usato per squadrare segnali di
forma qualsiasi, al �ne di renderli adatti ai sistemi digitali, funzionanti con
segnali binari (p.e. nella tecnica antirimbalzo nel caso di un interruttore
meccanico).
3) Regolatore del duty-cycle di un’onda rettangolare. Se l’ingresso Vin è
costituito da un generico segnale periodico, l’uscita Vout avrà la forma di
un segnale rettangolare, o quadro, oscillante tra due livelli: si comporta
quindi come squadratore di segnali di varia forma d’onda. Variando la
tensione Vref del trigger di Schmitt, quindi la tensione V+, è possibile
regolare il duty-cycle dell’onda in uscita.
Generatore
di forme
d’onda.
Il share
trigger
di processors.
Schmitt è
To4)
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data and
it with
To il
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I
agree.
fondamentale dei generatori di forme d’onda a multivibratore, ossia
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costituisce la base di molti circuiti a scatto (o in commutazione).
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Generatori di forme d’onda.
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In genere i generatori di forme d’onda rappresentano una vasta categoria
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di circuiti in grado di produrre segnali di forma diversa: impulsiva,
network. I tasti si trovano più in basso. Grazie.
quadra, rettangolare, triangolare, a rampa, a dente di sega, a gradinata,
sinusoidale, ecc.
Tasti:
I segnali impulsivi sono impiegati per il comando (trigger) o la
sincronizzazione di altri circuiti.
La rampa è la base dei tempi per l’oscilloscopio e i ricevitori TV.
61
L’onda quadra o rettangolare fa da clock nei circuiti digitali.
La gradinata è impiegata negli oscilloscopi campionatori e nei tracciatori
di curve.
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Formatore d’onda sinusoidale
Dal segnale triangolare è possibile ottenere un segnale sinusoidale,
tramite un ampli�catore con funzione di trasferimento non lineare.
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Generatore di onda quadra e triangolare.
Con opportune modi�che al circuito precedente è possibile intervenire
sia sulla simmetria sia sul valor medio delle forme d’onda quadra e
triangolare.
Si può dimostrare che una tensione di riferimento diversa da zero al
terminale negativo di A1 introduce un o�set sulle forme d’onda d’uscita e
quindi ne varia il valor medio.
Invece una tensione continua sul morsetto non invertente di A2 permette
di variare la simmetria della forma d’onda.
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Porte TTL e CMOS.
Le porte TTL, a causa delle correnti di ingresso non trascurabili e alla loro
struttura dell’ingresso, non consentono di produrre periodi o impulsi di
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clock.
Nelle porte CMOS, invece, grazie alla loro elevatissima impedenza
d’ingresso, si possono utilizzare resistenze di temporizzazione di valore

molto grande (M ) e produrre impulsi di durata molto elevata.
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Inoltre il poter ricorrere ad elevate resistenze consente spesso di evitare
l’uso di condensatori elettrolitici di grande valore.
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Tasti:
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Circuito integrato 555
L’integrato 555 ideato nei primi anni ‘70 è un temporizzatore di estrema
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precisione, versatile e di grande semplicità di utilizzo.
Trova impiego in svariate applicazioni dell’elettronica analogica.
Il suo nome è dovuto alla presenza al suo interno di tre resistenze da 5
kW.
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Circuito integrato 555
Lo schema a blocchi dell’integrato a tecnologia bipolare è costituito da:
3 resistori da 5 kW,
due comparatori,
un �ip-�op del tipo SR,
un BJT
un bu�er di uscita, in grado di erogare una corrente massima di 200 mA.
I tre resistori realizzano un partitore resistivo in grado di fornire le
tensioni di riferimento 2/3 di Vcc e 1/3 di Vcc, rispettivamente al
comparatore 1 e al comparatore 2.
Le uscite dei comparatori sono collegate agli ingressi di Reset e di Set del
�ip-�op, la cui uscita complementare pilota la base del BJT.
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555 come astabile
Supponiamo che inizialmente il condensatore C sia scarico: gli ingressi dei
due comparatori sui piedini 2 e 6 si trovano a livello basso.
Il comparatore 1 dà in uscita un livello basso, quindi il reset del �ip-�op è
a livello basso; il comparatore 2 dà in uscita un livello alto, settando il �ip�op e portando l'uscita Q a 1 e Q negato a 0.
Sul piedino 3 si ha Vout = H.
BJT this
è interdetto,
quindi
piedino
7 si
trova
isolato
da massa.
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C inizia a caricarsi attraverso la serie di Ra ed Rb.
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Quando Vc raggiunge il valore di 1/3 di Vcc, il comparatore 2 commuta e
si porta a livello basso (S=0) ma il �ip-�op non commuta perché anche
R=0, ed il condensatore continua a caricarsi.

Quando Vc raggiunge i 2/3 di Vcc, il comparatore 1 commuta, portando la
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sua uscita a livello alto resettando il �ip-�op (R=1) e portando l’uscita
negata a livello alto, che satura il transistor.
Sul piedino 3 si ha ora Vout=L.
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Il piedino 7 risulta collegato a massa e il condensatore si scarica
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attraverso la resistenza Rb.
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Quando Vc scende al di sotto di 1/3 di Vcc, il comparatore 2 commuta,
settando il �ip �op, portando la sua uscita a livello H e l’uscita negata a
Tasti:
livello L.
Ora si ha Vout=H e il BJT risulta quindi interdetto, il piedino 7 risulta non
più a massa, permettendo a C di ricaricarsi, ripetendo il ciclo precedente.
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555 come monostabile
In condizioni di riposo l’ingresso positivo (V+) del comparatore 1 è
mantenuto a + Vcc tramite la resistenza Ra, mentre l’ingresso negativo
(V-) è posto a (2/3)Vcc.
L’uscita del comparatore 1 è alta e resetta il �ip-�op, portando l’uscita
negata del �ip-�op a livello alto.
L’ingresso negativo del comparatore 2 viene mantenuto, mediante un
segnale di ingresso, ad un valore di tensione maggiore di 1/3 di Vcc.
L’uscita del comparatore è quindi Low.
In queste condizioni si ha quindi il reset del �ip-�op a livello alto e il set a
livello basso, saturando il BJT.
Nell’istante in cui all’ingresso negativo del comparatore 2 si ha una
tensione negativa, inferiore a 1/3 di Vcc, la sua uscita va H, settando il �ip�op e interdicendo il BJT, permettendo al condensatore C di caricarsi.
Il condensatore inizia quindi a caricarsi attraverso la resistenza Ra.
Appena Vc che è anche quella del piedino positivo del primo
comparatore, raggiunge i 2/3 di Vcc, l’uscita del comparatore va H
facendo condurre il transistor.
C si scarica rapidamente attraverso la bassa resistenza di uscita del BJT,
restando scarico �no all’arrivo del nuovo impulso.
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