Comparadores con Amplificadores Operacionales

Para poder comenzar con la explicación del contenido referente a los comparadores mediante el uso de amplificadores operacionales, es necesario contar con ciertos conocimientos previos, misma información que se presenta a continuación:

Lazo Abierto: Un AO que se encuentre en una configuración en lazo abierto se caracterizará por el hecho de que la señal de entrada no está influenciada por la señal de salida, un ejemplo sería el comparador simple:[pic 1]

Como se puede observar, el voltaje de salida Vo no tiene ninguna influencia sobre el voltaje de entrada Vi o el voltaje formado por el divisor de tensión. En este caso, la ganancia que se presentará de forma implícita en el arreglo anterior será la ganancia propia del amplificador, cuyo valor será diferente dependiendo del dispositivo con el que se esté trabajando, aunque suelen oscilar entre magnitudes de las 10,000 y 100,000 veces.

Lazo Cerrado: Se considera que un AO está en una configuración en lazo cerrado cuando la señal de entrada se ve influenciada por la señal de salida, un ejemplo sería la configuración de seguidor de tensión:

[pic 2]

Dicha influencia es muy sencilla de detectar gracias a que en el arreglo donde se disponga el amplificador se podrá observar un lazo o un camino que vaya desde la salida hasta alguna de las entradas, es este lazo el que recibe el nombre de realimentación y puede presentarse de dos maneras diferentes, positiva o negativamente, dependiendo de a qué entrada vaya dirigida; Haciendo uso de ella se pueden conseguir diversos efectos, entre los que destacan el controlar la ganancia del amplificador por medio de arreglos resistivos, eliminar efectos de rebote en la salida, etc.  

Realimentación positiva: Es aquella realimentación que genera un proceso cíclico en el que el voltaje de salida genera un aumento en el voltaje de entrada y por ende nuevamente un aumento en el voltaje en la salida, y así hasta que el sistema se sature, este fenómeno se conoce también como sistema inestable.  En los AO tendremos una realimentación positiva cuando el voltaje de salida tenga influencia sobre la entrada no inversora. [pic 3]

Se puede ver como hay una realimentación desde la salida,  a la entrada no inversora. Al amplificar la señal hasta la saturación en la salida siempre tendremos Vcc o -Vcc, fenómeno característico de las configuraciones comparadoras por medio de AO.

 Realimentación negativa: Es aquella realimentación que produce una disminución en la ganancia del amplificador. En los AO la realimentación negativa se dará cuando la salida  vaya a la entrada inversora. [pic 4]

Circuitos comparadores con Amplificadores Operacionales

Un amplificador operacional es un dispositivo electrónico demasiado versátil gracias a que cuenta con una amplia funcionalidad, una de ellas, y de las más destacadas, es utilizarlo como comparador. La configuración en comparador es la única aplicación que tiene el amplificador operacional en lazo abierto; Esta se encarga de analizar la señal de un voltaje de entrada dispuesto en una de sus terminales con respecto a un voltaje de referencia ubicado en su otra terminal, para de esta manera determinar cuál de las dos señales es mayor, basta con que se presente una mínima diferencia entre ellas para que se produzca la salida máxima en el amplificador, pudiendo ser positiva (+Vsat) o negativa (-Vsat)

+Vsat  🡪 Voltaje de saturación positivo

-Vsat  🡪 Voltaje de saturación negativo

Estos voltajes de saturación serán los mismos que el amplificador recibe de alimentación, pero con la particularidad de que presentan una cierta caída, son proporcionados por el fabricante y varían entre amplificador y amplificador

[pic 5]

La ecuación que define a la configuración característica de un comparador por medio de AO´s es la siguiente:

[pic 7][pic 6]

El voltaje de referencia generalmente es aquél introducido en la terminal inversora del amplificador, de tal manera que si V1 es más grande que V2, la salida del operacional será +Vsat, lo que indicará que la señal V1 es más grande que V2, y si V2 es más grande que V1, la salida del operacional será -Vsat, lo que indicaría que V2 es verdaderamente más grande que V1.

[pic 8]

Para vida de que el AO funcione como un comparador, es necesario hacer que entre en saturación, este fenómeno se presenta cuando las terminales de entrada diferencial reciben valores de tensión que van más allá de la tensión diferencial máxima, tensión definida a partir de las siguientes ecuaciones:

[pic 9]

 :        [pic 10]

Cuando se rebasan los valores de Ed máx., solamente se podrán obtener como salidas de la configuración los voltajes de saturación, mientras que cuando se mantengan los valores de entrada por debajo de Ed máx., se obtendrán como valores de salida voltajes amplificados en función a la ganancia en lazo abierto del dispositivo, es decir, para este caso el AO ya no actuará como un comparador sino que como un amplificador señales.

Comparadores no inversores e inversores

Dependiendo de la polaridad que dispongan los voltajes de entrada a la configuración en comparador por medio de amplificadores, será la polaridad que se adquirirá en la salida de los dispositivos:

No inversor:

En este comparador la tensión de referencia se aplica a la entrada inversora, mientras que la señal a detectar será aplicada a la entrada no inversora. La tensión de referencia puede ser positiva o negativa

[pic 11]

• Si la señal a detectar tiene una tensión superior a la tensión de referencia, la salida será una tensión igual a +Vsat.
• Si la señal de entrada tiene una tensión inferior a la señal de referencia, la salida será igual a –Vsat.

Inversor:

En este comparador la tensión de referencia se aplica a la entrada no inversora, mientras que la señal a detectar se será aplicada a la entrada inversora. La tensión de referencia puede ser positiva o negativa. [pic 12]

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