Comparadores, Rectificadores Y Configuración Exponencial

Comparadores

Los comparadores analógicos de tensión utilizan la posibilidad de funcionamiento del amplificador operacional en régimen de saturación o en zona no lineal, al no disponer de ninguna red de alimentación negativa. Pueden funcionar en lazo abierto o bien en retroalimentación positiva. Este régimen queda caracterizado porque la tensión de salida toma idealmente únicamente dos valores: +Vcc o –Vcc.

El amplificador operacional en bucle abierto (sin realimentar) se comporta como un comparador analógico simple.

El amplificador operacional en bucle abierto (sin realimentar) se comporta como un comparador analógico simple.

El amplificador operacional en bucle abierto (sin realimentar) se comporta como un comparador analógico simple.

La velocidad de conmutación del comparador queda limitada por el slew-rate del operacional.

Los fabricantes de amplificadores operacionales ofrecen modelos specíficos optimizados par su uso como comparadores (voltage comparators: LM311).

Los parámetros más importantes de un comparador son:

 Tensión de offset referida a la entrada muy pequeña

 Tensión diferencial máxima en la entrada elevada

 Slew rate elevado.

Por el contrario, los “comparadores” pueden tener una función de transferencia poco lineal ya que esa característica no es importante para esta aplicación.

Comparador en lazo abierto

Un comparador o detector analógico es un circuito que permite conocer si una señal de calor Vi desconocido es mayor o menor a una tensión de referencia VR conocida. La manera más simple de construir un comparador ideal de este tipo consiste en conectar un amplificador operacional como se muestra.

Para tensiones de entrada Vi < VR , el terminal no inversor está a mayor tensión que el inversor y Vo= +Vcc. Para las tensiones de entrada Vi > VR, el terminal no inversor está a menor tensión que el inversor y Vo= -Vcc. En la figura 12.16 se muestra la característica de transferencia inversora de este comparador. Si se intercambian de posición Vi y VR se obtendrá un comparador no inversor.

Comparador con histéresis

Una posible aplicación del comparador sería la generación de ondas cuadradas a partir de señales sinusoidales. La sondas cuadradas a su vez se podrían usar como señales de reloj en circuitos digitales. Para ello basta con comparar la tensión sinusoidal con la tensión de la tierra (0V), como se muestra en la figura.

Sin embargo este circuito tiene el inconveniente de ser muy sensible al ruido. Si la señal sinusoidal está degradada por pequeñas amplitudes de ruido se obtiene en la salida una señal con “glitches” en los flancos, tal y como podemos comprobar en la gráfica adjunta. Esta señal de salida no podría utilizarse como reloj ya que un circuito digital interpretaría cada uno de los glitches como un pulso de reloj completo (Los circuitos digitales suelen ser mucho más rápidos que los comparadores típicos).El problema expuesto en el circuito anterior podría solucionarse si el comparador tiene histéresis. La histéresis puede interpretarse como una resistencia que presenta el comparadora cambiar el estado de su salida, de modo que para llevarla a nivel bajo habría que llevar la entrada por debajo de una tensión umbral negativa, mientras que para cambiar la salida a nivel alto habría que superar una tensión umbral positiva. Estas tensiones umbrales definen el ancho del ciclo de histéresis que se observa en la característica de transferencia. Si la amplitud del ruido no supera los umbrales del ciclo de histéresis se obtendrá en la salida una onda cuadrada limpia de “glitches”:

La histéresis se consigue mediante una realimentación positiva a frecuencia nula(DC).Esta realimentación puede estar presente en el interior del comparador o se puede añadir externamente, lo que nos permitirá controlar las características del ciclo de histéresis. En el siguiente circuito tenemos un ejemplo de comparador con histéresis no inversor:

En el esquema hemos incluido un circuito limitador que en algunos casos podría no estar presente. Observemos que se trata de un comparador y no de un amplificador ya que la realimentación se hace hacia la entrada positiva. Para analizar estos circuitos y encontrar los umbrales de su ciclo de histéresis, VTH y VTL, partimos de considerar que en la salida sólo podemos tener dos tensiones posibles, que serán +VZ y −VZ, e intentaremos encontrar la tensión en la entrada, VI, que hace que la entrada positiva, VX, tenga la misma tensión que la entrada negativa (en este caso 0V), ya que esta es justo la tensión a la que cambiará la salida del circuito.

En la siguiente figura se muestra el esquema de un comparador con histéresis inversor. De nuevo observamos la realimentación positiva que lo diferencia de un amplificador no inversor. En este caso la salida conmutará cuando la tensión

VI coincida con la tensión VX que a su vez dependerá del voltaje en la salida.

Los comparadores con histéresis tienen múltiples aplicaciones dentro de los circuitos analógicos, entre las que cabe destacar su uso en los osciladores de relajación.

Comparador de Schmitt inversor

La realimentación positiva hace que el operacional se encuentre siempre en estado de saturación (Vo=Vcc o bien Vo=–Vcc), exceptuando las instantes de las transiciones entre los estados citados.

La tensión en la entrada no inversora es:

V2= Vo • R1 / (R1+R2)

Para realizar el análisis de este circuito se supone que la tensión de salida es inicialmente Vo= Vcc. En estas condiciones:

V2= Vcc • R1 / (R1+R2)

El supuesto Vo= Vcc, implica que Vi < V2. Si se hace crecer Vi, llegará un momento en que Vi > V2, instante en el que la salida conmutará a Vo= -Vcc . En este estado,

V2= -Vcc • R1 / (R1+R2) .

Si Vi continúa creciendo, Vo se mantiene en Vo= -Vcc.

Si ahora Vi decrece, llegará un momento en que Vi < V2, instante en el que Vo vuelve a ser Vcc.

Este comportamiento se puede representar de forma gráfica:

El comparador de Schmitt recibe también el nombre de comparador con histéresis.

Se denomina histéresis a la separación entre los tramos verticales de la gráfica. En este circuito, la histéresis

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