Otras aplicaciones de comparadores

Los comparadores se usan en muchos circuitos electrónicos y facilitan además

el paso de señales entre tecnologías diferentes

Comparadores con una sola fuente de alimentación

Como sabemos un amplificador operacional típico, como el 741, puede trabajar con una sola fuente de alimentación positiva y llevando a tierra el terminal – VEE , como se observa en la figura 1. En estas condiciones el voltaje de salida tiene sólo una polaridad, es decir, un voltaje positivo baja o alta.

Por ejemplo, con VCC igual a + 15 V, la variación de la salida fluctúa aproximadamente entre 1,5 V (estado bajo) y cerca de 13,5 V (estado alto).

>

>

V o u t

+ V c c

F i g 1

V r e f

R 2

+ V c c

V i n

R 1

C p a s o

V o u t

V i n B a j o

A l t o

Cuando Vin es mayor que Vref la salida está a nivel alto, como se advierte en la figura 1. cuando Vin es menor que Vref , la salida tiene un nivel bajo. En cualquier caso, la salida tiene polaridad positiva. E la mayoría de las aplicaciones digitales se prefiere este tipo de salida positiva.

Circuitos integrados comparadores.

Un amplificador operacional como el 741 se puede usar como comparador, pero tiene limitadores de velocidad. Como sabemos, la velocidad de respuesta (slew rate) limita la velocidad de variación del voltaje de salida.En un 741, la salida no puede cambiar más rápidamente que a 0,5 V/µs,. Debido a este hecho. Un 741 tarda más de 50 µs en conmutar entre una salida baja de – 13,5 V y una salida alta de +13,5 V. Una solución a este problema consiste en utilizar un amplificador operacional con velocidad de respuesta más rápida, como el LM318. Éste tiene un SR de 70 V/µs, pudiendo conmutar de – 13,5 a + 13,5 V aproximadamente en 0,3 µs.

Otra solución adecuada es la eliminación del condensador de compensación

que se encuentra en un amplificador operacional típico. En circuitos lineales con amplificadores operacionales, este condensador atenúa la ganancia de voltaje en lazo abierto a razón de 20dB por década y evita oscilaciones. Un comparador siempre se utiliza como un circuito no lineal, por lo que no es necesario incluir un condensador de compensación. Un fabricante puede rediseñar el amplificador operacional típico suprimiendo el condensador de compensación. Cuando un amplificador integrado se ha optimizado para usarse como un comparador, el dispositivo se incluye en una sección aparte del catálogo del fabricante. Por ello , normalmente encontramos en un manual de fabricante una sección de amplificadores operacionales y otra sobre comparadores.

Dispositivos con colector abierto.

La figura 2(a), es un diagrama interno simplificado de un comparador. La etapa de polarización de entrada es un amplificador diferencia (Q1 y Q2).Una fuente de corriente Q6 suministra la corriente de polarización. El amplificador diferencial excita una carga activa Q4. La etapa de salida es únicamente el transistor Q5 con el colector abierto. El fabricante, como

( a )

V o u t

Q 3

Q 2Q 5

R e s t o d e l_

V o u tR

Q 4

( b )

_

Q 6

F i g 2

c i r c u i t o

Q 5

+

Q 7

+

+ V c c

+ V

Q 1

puede observarse, frecuentemente deja abierto este colector, lo que permite al usuario controlar la variación de la salida del comparador.El amplificador operacional típico estudiado en clases anteriores tenía una etapa a la que se podía denominar “etapa activa de pull-up”, ya que contiene dos dispositivos clase B en contrafase conectados. Con este arranque activo, el dispositivo superior conduce y eleva la salida a su estado en nivel alto. Por otra parte, la etapa de salida con colector abierto de la figura 2(a) necesita un componente externo al que conectarse.Para que el circuito funcione, el usuario tiene que conectar el colector abierto

de Q5 a una resistencia externa y una fuente de alimentación, como se ve en la figura 2(b). La resistencia recibe la alimentación cuando Q5 está en corte. Cuando Q5 está saturado, el voltaje de salida está a nivel bajo. Básicamente, la etapa de salida es un transistor de conmutación. Por ello , el comparador produce una salida de dos estados, ya sea un voltaje de nivel alto o bajo.Sin condensador de compensación en el circuito, la salida en la figura 2(a) puede variar rápidamente, debido a que sólo pequeñas capacidades parásitas permanecen en el circuito. Una limitación en la velocidad de conmutación es la capacidad de Q5. La capacidad equivalente en la salida es la suma de la capacidad de colector y la capacidad parásita de las conexiones. La constante de tiempo de la salida es el producto de la resistencia de pull-up y de la capacidad de salida. Por esta razón, cuanto menor sea la resistencia de pull-up en la figura 2(b), con mayor rapidez puede cambiar el voltaje de salida. Generalmente R es del orden de cientos de ohms, o como máximo de algún kiloohms.Ejemplos de comparadores integrados con una etapa de salida con colector abierto son el LM311, el LM339 y el NE 529. El LM339 es un comparador cuádruple, es decir, reúne cuatro comparadores en un solo integrado.

Debido a su bajo costo y a su fácil uso, se ha convertido en un comparador popular en aplicaciones de propósito general.

Conexión con dispositivos TTL

El la figura 3(a) se muestra la forma en que el LM339 se puede conectar como interfaz con dispositivos TTL. Obsérvese que la salida de colector abierto está conectada a una alimentación de + 5 V a través de una resistencia de pull-up de 1 KΩ. Por esto, la salida puede ser = 0 o + 5 V, como se ve en la figura 3(b). Este tipo de excitación es ideal para dispositivos TTL por estar diseñados para trabajar con tensiones de alimentación de + 5 V.

1 K

( a ) ( b )

V i n

R 1

0 V

F i g 3

A c t o s T T L

V i n

R 2

_

V C C

>V r e f

+

+ 1 5 V

+ 5 V

>+ 5 V

+ 1 5 V

V o u t

Ejemplo:En la figura 4(a) el voltaje de entrada es una señal sinusoidal con un valor de pico de 10 V. Cuál es el punto de conmutación del circuito? Qué valor toma la frecuencia de corte del circuito de desacople? Cómo es la señal de salida?.

Solución: Como se aplica un voltaje de + 15 V a un divisor de voltaje de razón 3:1, el voltaje de referencia es: Vref = + 5 V.Este es el punto de conmutación del comparador. Cuando la señal sinusoidal alcanza este nivel, el voltaje de salida conmuta su estado.

2 0 0 K

1 0 0 K 1 0 u f

1 0 V p

( b )( a )

+

f i g 4

_

V o u t

+ 1 5 V

+ 1 5 V

V r e f

- 1 5 V

La frecuencia de corte del circuito de desacople es:

HzFKK

fC 239,0)10)(100//200(2

1 ==µπ

Debido a esta baja frecuencia de corte, cualquier rizado del orden de los 60 Hz que se produzca en la fuente de alimentación será fuertemente atenuada.Ejemplo:Cuál es el ciclo de trabajo de la señal de salida de la figura 4(b)?Solución: El ciclo de trabajo se define como la anchura del pulso dividido por el periodo de la señal. El ciclo de trabajo en esta señal es igual al ángulo de conducción dividido entre 360º. En la figura 4(b), la señal sinusoidal tiene un voltaje de 10 Vpico. De esta forma, el voltaje de entrada tiene una función del tipo:

θsenVin 10=

La salida rectangular conmuta entre sus estados cuando el voltaje de entrada alcanza los + 5 V. En ese momento, la ecuación anterior tiene unos valores: θsen105 =Ahora hallamos el ángulo θ para estos valores:

5,0=θsenO sea que: º150,º305,0 yarcsen ==θ

La primer solución, θ = 30º, sucede cuando la salida cambia de nivel bajo a alto. La segunda solución, θ = 150º, cuando lo hace de alto a bajo. El ciclo de trabajo es:

333,0º360

º30º150

º360=−== uctorÁngulocond

D

El ciclo de trabajo de la figura 4(b) es del 33,3 %.

Comparador de ventana

Un comparador de ventana indica el momento en que el voltaje de entrada excede cierto límite o umbral. Un comparador de ventana (también llamado detector de límite doble) detecta cuándo el voltaje de entrad está entre dos límites.Para construir un comparador de ventana se utilizan dos comparadores con umbrales distintos.Nivel de salida bajo entre los límites: La figura 5(a) muestra un comparador de ventana que produce un nivel bajo de salida de voltaje cuando el voltaje de entrada está entre unos límites inferior y superior. El circuito tiene un PCI y un PCS. El voltaje de referencia se puede obtener de un divisor de voltaje, unos diodos zener o de otros circuitos. La figura 5(b) muestra la función de transferencia de un comparador se ventana. Cuando Vin es menor que PCI o mayor que PCS, la salida está a nivel alto. Cuando Vin está entre PCI y PCS, la salida está a nivel bajo. Éste es el funcionamiento teórico, para cuyo análisis supondremos que

PCI = 3 V y PCS = 4 V. Cuando Vin < 3 V, el comparador A1 tiene una salida positiva y A2 negativa. El diodo D1 conduce y D2 está en corte. De esta forma, el voltaje de salida está a nivel alto. Igualmente cuando Vin > 4 V, el comparador A1 tiene una salida negativa y A2 positiva. El diodo D1 está en corte y D2 conduce. El voltaje de salida está en nivel alto. Cuando 3 V < Vin < 4 V, A1 y A2 tienen una salida negativa, D1 y D2 están en corte y el voltaje de salida está en nivel bajo.

+ 3 V

+ 4 V

>P C S

V i n

>( b )

+

F i g 5

+ V i n

_

_

V o u tA 1

A 2 P C I

D 1

D 2

P C I

R L

V o u t+ V s a t

( a )

P C S

Nivel de salida alto entre los límites:La figura 6(a) muestra otro comparador de ventana. El circuito utiliza un LM339, comparador cuádruple que necesita una resistencia externa de pull-

Up. Si el voltaje de alimentación de pull-up es de +5 V, la salida puede excitar circuitos TTL. La figura 6(b) muestra la función de transferencia. Se observa que el voltaje de salida está en nivel alto cuando el voltaje de entrada está entre los dos límites.Para este análisis supondremos los mismos voltajes de referencia del ejemplo anterior. Cuando Vin < 3 V, el comparador inferior lleva la salida a cero. Cuando Vin > 4 V, el comparador superior lleva la salida a cero. Cuando 3 V < Vin < 4V, el transistor de salida de ambos comparadores está en corte, con lo que la salida sube a +5 V.

_

V i n

+

_

+ 3 V

R

( a )

+

R

V o u t

+ 1 2 V

V i n>

+ 1 2 V

2 R + 4 V

F i g 6

1 K

( b )

>

+ 1 2 V

P C S

V o u t

+ V s a t

P C I

+ 5 V

3 3 9

3 3 9

3 R