-VCircuitos No Lineales.

Curso: Circuitos Integrados Lineales. Elaborado por: Ing. Fco. Navarro H.

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5.1 Comparadores de Voltaje.


La función de un comparador de Voltaje consiste en realizar la comparación entre dos señales, una señal de entrada y otra señal de referencia fija, y dependiendo del nivel de éstas, establecer una señal de salida de valor máximo o mínimo.




Se utiliza el amplificador operacional en lazo abierto, (idealmente ganancia infinita, sin retroalimentación), o un amplificador de ganancia alta con retroalimentación positiva.




La salida del circuito comparador opera dentro de los límites fijados por los voltajes de saturación, +Vsat y – Vsat. Para limitar el voltaje de salida a un valor definido, diferente a ±Vsat, se pueden utilizar zeners o en su defecto CI de aplicación específica como comparadores. Curso: Circuitos Integrados Lineales. Elaborado por: Ing. Fco. Navarro H.

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Tipos de Comparadores de Voltaje.


Comparadores Sin Histéresis (lazo abierto)  




Comparadores Con Histéresis (retroalimentación positiva)  




Comparador de Cruce por Cero:
Inversor y No Inversor Comparador de Nivel:
Vref > 0V, (Inversor y No Inversor)
Vref < 0V, (Inversor y No Inversor) Comparador de Cruce por cero: (Inversor y No Inversor) Comparador de Nivel:
Vref > 0V, (Inversor y No Inversor)
Vref < 0V, (Inversor y No Inversor)

Comparadores de IC de Propósito General: 

LM311 Curso: Circuitos Integrados Lineales. Elaborado por: Ing. Fco. Navarro H.

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Comparador de cruce por cero, No Inversor.




Si Vi > 0V ⇒ Vo= +Vsat.




Si Vi < 0V ⇒ Vo= −Vsat.

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Comparador de cruce por cero, Inversor.




Si Vi > 0V ⇒ Vo= −Vsat.




Si Vi < 0V ⇒ Vo= +Vsat.

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Comparadores de Nivel


Se establece un voltaje de referencia fijo, Vref, de valor positivo (Vref > 0V) o negativo (Vref 0V




Si Vi > Vref ⇒ Vo= +Vsat




Si Vi < Vref ⇒ Vo= −Vsat.

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Comparador de Nivel, Inversor, con Vref > 0V.




Si Vi > Vref ⇒ Vo= −Vsat




Si Vi < Vref ⇒ Vo= +Vsat.

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Comparador de Nivel, No Inversor, con Vref −Vref ⇒ Vo= +Vsat




Si Vi < −Vref ⇒ Vo= −Vsat.

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Comparador de Nivel, Inversor, con Vref < 0V.




Si Vi > −Vref ⇒ Vo= −Vsat




Si Vi < −Vref ⇒ Vo= +Vsat.

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Ejemplo Comparador de Nivel, Sin Histéresis.


Proponga un circuito comparador de nivel que indique con un voltaje positivo de salida, +Vsat, cuando una señal de entrada sinusoidal de 5Vpico, es mayor que un voltaje de referencia de 1.63V, obtenido a partir de un divisor de tensión con resistencias. Indique el tipo de comparador. Muestre los cálculos y el circuito propuesto.  Dibuje la señal de salida y entrada en un mismo grafico en función del tiempo, mostrando la relación entre las señales.  Dibuje la función de transferencia del circuito.  

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Efectos del Ruido en la entrada sobre la operación de Comparación.


El ruido, representado como fluctuaciones indeseadas sobre la señal de entrada, puede provocar una operación errática del circuito comparador al producir conmutaciones sucesivas que no responden a la forma de onda original de la señal de entrada.

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Reducción de los Efectos del Ruido con la Histéresis.





Para que el comparador sea menos sensible al ruido, puede retroalimentarse en forma positiva, y así establecer una Histéresis alrededor del voltaje de referencia. La Retroalimentación Positiva se realiza tomando una fracción del voltaje de salida y aplicándolo a la entrada (+). VUTP =

R2 ⋅ (+ Vout (max) ) R1 + R2

VLTP =

R2 ⋅ (− Vout (max) ) R1 + R2

VHistéresis = VUTP − VLTP Curso: Circuitos Integrados Lineales. Elaborado por: Ing. Fco. Navarro H.

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Histéresis Siempre que un circuito cambia de un estado a otro con cierta señal y luego regresa del segundo al primer estado con una señal de entrada diferente, se dice que el circuito presenta histéresis.

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Comparador de Nivel con Histéresis, No Inversor, con Vref > 0V.

n=

R2 R1

Vctr ≠ Vref  1  −V VUT = Vref 1 +  − SAT n  n

VLT

 1  +V = Vref 1 +  − SAT n  n

VHisteresis = VUT − VLT =

Vctr

(+ VSAT ) − (− VSAT ) n

V + VLT  1 = UT = Vref 1 +  2  n

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Comparador de Nivel con Histéresis, Inversor, con Vref > 0V.

n=

R2 R1

Vctr ≠ Vref VUT =

n (Vref ) + + VSAT n +1 n +1

VHisteresis = VUT − VLT =

VLT =

n (Vref ) + − VSAT n +1 n +1

Vctr =

(+ VSAT ) − (− VSAT ) n +1

VUT + VLT  n  = Vref   2  n + 1

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Comparador de Ventana.



El circuito detecta cuando una señal de entrada se encuentra entre dos límites, uno superior y otro inferior. Los límites superior e inferior son establecidos por voltajes de referencia, VU y VL.  

Si, VU > vin > VL ⇒ Vo= 0V; Si, VU < vin < VL ⇒ Vo= +Vsat;

vin dentro de la ventana vin fuera de la ventana

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Ejemplo Comparador de Nivel con Histéresis


Determine los valores superior e inferior de los voltajes de umbral y grafique la curva de histéresis para el circuito comparador de la siguiente figura. Considere que +Vout(max) = +5V y −Vout(max) = −5V.

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Ejemplo Comparador de Nivel con Histéresis


Proponga un circuito comparador de nivel con histéresis, No Inversor, que cumpla con las siguientes especificaciones:   

VUT = +12V VLT = +8V ±Vsat= ±15V.




Dibuje la relación entre las señales de salida y entrada en función del tiempo.




Muestre la función de transferencia del circuito.

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Comparadores en IC de propósito general, LM311.

Figura 9.4, pag 415

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Comparadores en IC de propósito general, LM311.


Los terminales de salida del colector y emisor son accesibles externamente para permitir que el usuario polarice Qo con un voltaje diferente a la alimentación del integrado (p.ej. ±15V, 0 a 5V).Típica aplicación para conversión de niveles de voltaje analógico en niveles digitales (interfaces).




El transistor de salida Qo, se comparta como un interruptor, abierto o cerrado, dependiendo de la comparación entre las entrada Vp y Vn.




Los terminales 5 y 6 permiten la anulación del voltaje offset de desvió, y la entrada 6 puede utilizarse como terminal de habilitación del comparador.

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Comparadores en IC de propósito general, LM311.


Operación:  Si, Vp  Si, Vn

> Vn ⇒ Qo en corte (abierto), Vo= VCC(lógico); > Vp ⇒ Qo se satura (cerrado), Vo= VEE(lógico);

Figura 9.5, pag 416

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Tiempos de Respuesta, LM311.


Aproximadamente, 200ns con resistencia externa en el orden de KiloOhmios.

Figura 9.7, pag 417

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Ejemplo comparador, LM311.


Para el circuito controlador de temperatura de la siguiente figura:  




Explique la operación del circuito como comparador. Obtenga los valores de las resistencia, R1 y R3, para que el punto de referencia se pueda ajustar a cualquier temperatura entre 50°C y 100°C por medio de un potenciómetro de 5KΩ.

Considere que: El sensor de temperatura LM335 (diodo), produce un voltaje dependiente de la temperatura de acuerdo con V(T)=T/100, donde T está dada en grados Kelvin. (0°C=273.15°K). La resistencia R5 polariza el sensor.  Para que el circuito funcione en un amplio rango de voltajes de alimentación, se estabiliza el voltaje del puente del transductor por medio del Zener LM329 y R4. 

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Comparador de Ventana con LM339.


Para VTL < VI < VTH, ⇒ Vo= +Vcc; Qo1 y Qo2 apagados.




Para VI > VTH, ⇒ Vo= 0V; Qo1 encendido.




Para VI < VTH, ⇒ Vo= 0V; Qo2 encendido.

Operación: Si, Vp > Vn ⇒ Qo abierto Vo= VCC; Si, Vn > Vp ⇒ Qo cerrado Vo= GND; Curso: Circuitos Integrados Lineales. Elaborado por: Ing. Fco. Navarro H.

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Ejemplo comparador de ventana, LM339.


Explique el Funcionamiento del Circuito comparador.




Especifique los valores de los componentes adecuados para que el LED se encienda con VCC dentro de la banda de 5V ±5%.




Nota: diodo de referencia Zener de 2.5V (Iz≈ 1mA), un LED (ILED≈ 10mA y VLED≈ 1.5V), IB(n2222) ≈ 1mA y las resistencias que se requieran.

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Comparador de Nivel con Histéresis, Inversor (Disparador Schmitt, Inversor – LM311) Para que VOH ≈ VCC debe R4 0 para Vi < 0

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5.2.1 Rectificadores de media onda


El análisis del circuito se facilita si se consideran por separado los casos vI > 0 y vI < 0.

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Rectificadores de media onda

Circuito equivalente del HWR básico para entradas positivas y negativas. Curso: Circuitos Integrados Lineales. Elaborado por: Ing. Fco. Navarro H.

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Rectificadores de media onda 

1) vI > 0: En respuesta a una entrada positiva, la salida del amp op vAO también se volverá positiva, encendiendo el diodo y creando por lo tanto la ruta de retroalimentación negativa mostrada en la figura. Esto permite aplicar el principio del corto virtual y escribir vO=vI. Al colocar el diodo dentro del ciclo de retroalimentación se elimina cualquier error debido a su caída de voltaje.



2)vI < 0: Ahora la salida del amp op se vuelve negativa, apangando el diodo y por ende causando que la corriente a través de R se convierta en cero. Por lo tanto, vo=0. Como se ilustra en la figura, el amp op ahora esta operando en el modo de lazo abierto, y como vP 0 Vo = – (R2/R1)Vi para Vi < 0

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Rectificadores de media onda


Se identifican dos caso.  1) vI

> 0:Una entrada positiva ocasiona que D1 conduzca, lo que crea una ruta de retroalimentación negativa alrededor del amp op, lo que indica que D1 ahora sujeta la salida del amp op en vAO= –Vd(enc). Además, D2 esta apagada, por lo tanto no fluye corriente a través de R2 y, por ende, vO=0.

 2) vI

< 0: Una entrada negativa ocasiona que el amp op se vuelva positivo, por lo que D2 se enciende. Lo anterior crea una ruta de retroalimentación negativa alternativa por medio de D2 y R2. En forma clara, D1 ahora esta apagado, y se obtiene vo=(–R2/R1)v1. Además, vAO=vo+vD2(enc). Curso: Circuitos Integrados Lineales. Elaborado por: Ing. Fco. Navarro H.

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5.2.2 Rectificadores de Onda Completa


Sea R1= R2= R4= R, R3= R/2 y R5= AR, entonces, A=R5/R.

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Rectificadores de onda completa


El AO1 proporciona rectificación de media onda inversora, y AO2 suma a vI y a la salida HWR vHW en una relación 1 a 2 para obtener v0= – (R5/R4)vI – (R5/R3)vHW. Considerando que vHW= – (R2/R1)vI para vI>0. y vHW=0 para vI0, D1 esta encendido, lo que permite que AO1 conserve su entrada inversora en la tierra virtual. Con la salida de AO1 fija en –Vd1(enc), D2 esta pagado, lo que permite que R4 transmita VI a AO2. De este ultimo, que actúa como un amplificador no inversor, se obtiene vo=APvI.



Para VI