El comparador es un circuito electrónico de toma de decisiones que hace uso de un amplificador operacional de ganancia muy alta en su estado de bucle abierto, es decir, no hay resistencia de retroalimentación.
El comparador Op-amp compara un nivel de voltaje analógico con otro nivel de voltaje analógico, o algún voltaje de referencia preestablecido, V REF y produce una señal de salida basada en esta comparación de voltaje. En otras palabras, el comparador de voltaje del amplificador operacional compara las magnitudes de dos entradas de voltaje y determina cuál es la más grande de las dos.
Hemos visto en tutoriales anteriores que el amplificador operacional se puede usar con retroalimentación negativa para controlar la magnitud de su señal de salida en la región lineal que realiza una variedad de funciones diferentes. También hemos visto que el amplificador operacional estándar se caracteriza por su ganancia de bucle abierto A O y que su voltaje de salida viene dado por la expresión: V OUT = A O (V + - V-) donde V + y V-corresponden a los voltajes en los terminales de no inversión y de inversión respectivamente.
Por otro lado, los comparadores de voltaje usan retroalimentación positiva o ninguna retroalimentación (modo de bucle abierto) para cambiar su salida entre dos estados saturados, porque en el modo de bucle abierto la ganancia de voltaje de los amplificadores es básicamente igual a A VO . Entonces, debido a esta alta ganancia de bucle abierto, la salida del comparador oscila completamente hacia su riel de suministro positivo, + Vcc o completamente hacia su riel de suministro negativo, -Vcc en la aplicación de una señal de entrada variable que pasa algún valor de umbral preestablecido.
El comparador de amplificador operacional de circuito abierto es un circuito analógico que opera en su región no lineal ya que los cambios en las dos entradas analógicas, V + y V- hacen que se comporte como un dispositivo digital biestable , ya que el disparo hace que tenga dos salidas posibles estados, + Vcc o -Vcc . Entonces podemos decir que el comparador de voltaje es esencialmente un convertidor de analógico a digital de 1 bit, ya que la señal de entrada es analógica pero la salida se comporta digitalmente.
Considere el circuito comparador de voltaje básico del amplificador operacional acontinuación.
Circuito comparador de amplificador operacional
Con referencia al circuito comparador de amplificador operacional anterior, asumamos primero que V IN es menor que el nivel de voltaje de CC en V REF , ( V IN
REF ). Como la entrada no positiva (positiva) del comparador es menor que la entrada inversora (negativa), la salida será BAJA y, a la tensión de alimentación negativa, -Vcc producirá una saturación negativa de la salida.
Si ahora aumentamos la tensión de entrada, V IN, de modo que su valor sea mayor que la tensión de referencia V REF en la entrada inversora, la tensión de salida cambia rápidamente HIGH hacia la tensión de alimentación positiva, + Vcc, lo que da como resultado una saturación positiva de la salida. Si reducimos nuevamente la tensión de entrada V IN , de modo que sea un poco menor que la tensión de referencia, la salida del amplificador operacional regresa a su tensión de saturación negativa que actúa como detector de umbral.
Entonces podemos ver que el comparador de voltaje del amplificador operacional es un dispositivo cuya salida depende del valor del voltaje de entrada, V IN con respecto a algún nivel de voltaje de CC, ya que la salida es ALTA cuando el voltaje en la entrada no inversora es mayor que el voltaje en la entrada inversora, y BAJO cuando la entrada no inversora es menor que el voltaje de entrada inversora. Esta condición se cumple independientemente de si la señal de entrada está conectada a la entrada inversora o no inversora del comparador.
También podemos ver que el valor del voltaje de salida depende completamente del voltaje de la fuente de alimentación de los amplificadores operacionales. En teoría, debido a la op-amplificadores de alta ganancia en bucle abierto la magnitud de su tensión de salida podría ser infinito en ambas direcciones, ( ± ∞ ). Sin embargo, prácticamente, y por razones obvias, está limitado por los rieles de suministro de los amplificadores operacionales que dan V OUT = + Vcc o V OUT = -Vcc .
Dijimos antes que el comparador básico de amplificador operacional produce una salida de voltaje positivo o negativo al comparar su voltaje de entrada con un voltaje de referencia de CC preestablecido. Generalmente, un divisor de voltaje resistivo se usa para establecer el voltaje de referencia de entrada de un comparador, pero se puede usar una fuente de batería, un diodo Zener o un potenciómetro para un voltaje de referencia variable como se muestra.
Tensiones de referencia del comparador
En teoría, el voltaje de referencia de los comparadores se puede configurar para que esté en cualquier lugar entre 0v y el voltaje de alimentación, pero existen limitaciones prácticas en el rango de voltaje real, dependiendo del dispositivo de comparación del amplificador operacional que se utilice.
Comparadores de voltaje positivo y negativo
Se puede usar un circuito comparador de amplificador operacional básico para detectar un voltaje de entrada positivo o negativo, dependiendo de qué entrada del amplificador operacional conectamos la fuente de voltaje de referencia fija y el voltaje de entrada también. En los ejemplos anteriores, hemos utilizado la entrada inversora para establecer el voltaje de referencia con la tensión de entrada conectada a la entrada no inversora.
Pero igualmente podríamos conectar las entradas del comparador al revés invirtiendo la señal de salida a la que se muestra arriba. Luego, se puede configurar un comparador de amplificador operacional para operar en lo que se llama una configuración de inversión o de no inversión.
Comparador de voltaje positivo
La configuración básica para el comparador de voltaje positivo, también conocido como un circuito comparador que no invierte, detecta cuando la señal de entrada, V IN es ARRIBA o más positiva que el voltaje de referencia, V REF produce una salida en V OUTque es ALTA como se muestra.
Circuito comparador no inversor
En esta configuración no inversora, la tensión de referencia se conecta a la entrada inversora del amplificador operacional con la señal de entrada conectada a la entrada no inversora. Para simplificar las cosas, hemos asumido que las dos resistencias que forman la red divisora de potencial son iguales y: R1 = R2 = R . Esto producirá un voltaje de referencia fijo que es la mitad del voltaje de suministro, es decir, Vcc / 2 , mientras que el voltaje de entrada es variable desde cero hasta el voltaje de suministro.
Cuando V IN es mayor que V REF , la salida de los comparadores de amplificador operacional se saturará hacia el riel de alimentación positivo, Vcc . Cuando V IN es menor que V REF, la salida de los comparadores de amplificador operacional cambiará de estado y se saturará en el riel de alimentación negativo, 0v como se muestra.
Comparador de voltaje negativo
La configuración básica para el comparador de voltaje negativo, también conocido como un circuito comparador inversor, detecta cuando la señal de entrada, V IN es ABAJO o más negativa que el voltaje de referencia, V REF produce una salida en V OUT que es ALTA como se muestra.
Inversor del circuito comparador
En la configuración de inversión, que es lo opuesto a la configuración positiva anterior, la tensión de referencia se conecta a la entrada no inversora del amplificador operacional, mientras que la señal de entrada se conecta a la entrada inversora. Luego, cuando V IN es menor que V REF, la salida de los comparadores de amplificador operacional se saturará hacia el riel de alimentación positivo, Vcc .
Del mismo modo, lo contrario es cierto, cuando V IN es mayor que V REF , la salida de los comparadores de op-amp cambiará de estado y se saturará hacia el riel de suministro negativo, 0v .
Luego, dependiendo de qué entradas de amplificador operacional usamos para la señal y el voltaje de referencia, podemos producir una salida inversora o no inversora. Podemos tomar esta idea de detectar una señal de señal negativa o positiva un paso más allá combinando los dos circuitos comparadores de amplificador operacional de arriba para producir un circuito comparador de ventana.
Comparador de ventanas
Un comparador de ventanas es básicamente el comparador inversor y el inversor no inversor anteriormente combinados en una sola etapa de comparador. El comparador de la ventana detecta los niveles de voltaje de entrada que están dentro de una banda o ventana específica de voltajes, en lugar de indicar si un voltaje es mayor o menor que algún punto de referencia de voltaje fijo o preestablecido.
Esta vez, en lugar de tener solo un valor de voltaje de referencia, un comparador de ventana tendrá dos voltajes de referencia implementados por un par de comparadores de voltaje. Uno que activa un comparador de amplificador operacional en la detección de algún umbral de voltaje superior, V REF (SUPERIOR) y otro que activa un comparador de amplificador operacional en la detección de un nivel de umbral de voltaje más bajo, V REF (INFERIOR) . Luego, los niveles de voltaje entre estos dos voltajes de referencia superior e inferior se denominan "ventana", de ahí su nombre.
Usando nuestra idea anterior de una red divisoria de voltaje, si ahora usamos tres resistores de igual valor para que R1 = R2 = R3 = R podamos crear un circuito comparador de ventana muy simple como se muestra. Además, como los valores de resistencia son todos iguales, las caídas de tensión en cada resistencia también serán iguales en un tercio de la tensión de alimentación, 1 / 3Vcc . Luego, en este sencillo ejemplo, podemos establecer el voltaje de referencia superior a 2 / 3Vcc y el voltaje de referencia inferior a 1 / 3Vcc . Considere el circuito comparador de ventana a continuación.
Circuito comparador de ventana
Cuando V IN está por debajo del nivel de voltaje más bajo, V REF (LOWER) que equivale a 1 / 3Vcc , la salida será BAJA. Cuando V IN supera este nivel de voltaje inferior de 1 / 3Vcc , el primer comparador de amplificador operacional lo detecta y cambia la salida HIGH a Vcc .
A medida que V IN sigue aumentando, pasa el nivel de voltaje superior, V REF (SUPERIOR) a 2 / 3Vcc y el segundo comparador de amplificador operacional lo detecta y cambia la salida a LOW. Entonces, la diferencia entre V REF (SUPERIOR) y V REF (MÁS BAJA) (que es 2 / 3Vccc - 1 / 3Vcc en este ejemplo) crea la ventana de conmutación para la señal positiva.
Supongamos ahora que V IN está en su valor máximo e igual a Vcc . Cuando V INdisminuye, pasa el nivel de voltaje superior V REF (SUPERIOR) del segundo comparador de amplificador operacional que cambia la salida ALTA. A medida que V IN continúa disminuyendo, pasa el nivel de voltaje más bajo, V REF (LOWER) del primer comparador de amplificador operacional, una vez más, cambia la salida LOW.
Luego, la diferencia entre V REF (SUPERIOR) y V REF (INFERIOR) crea la ventana para la señal de marcha negativa. Así que podemos ver que cuando V IN pasa por encima o por debajo de los niveles de referencia superior e inferior establecidos por los dos comparadores de amplificador operacional, la señal de salida V OUT será ALTA o BAJA.
En este ejemplo simple, hemos establecido el nivel de disparo superior en 2 / 3Vcc y el nivel de disparo inferior en 1 / 3Vcc (porque usamos tres resistores de igual valor), pero puede haber cualquier valor que elijamos ajustando los umbrales de entrada. Como resultado, el ancho de la ventana se puede personalizar para una aplicación determinada.
Si utilizáramos una fuente de alimentación doble y configuráramos los niveles de disparo superior e inferior para decir ± 10 voltios y V IN fuera una forma de onda sinusoidal, entonces podríamos usar este circuito comparador de ventana como un detector de cruce de cero de la onda sinusoidal que produciría una salida , ALTO o BAJO cada vez que la onda sinusoidal cruce la línea de cero voltios de positivo a negativo o de negativo a positivo.
Podemos tomar esta idea de detectar niveles de voltaje aún más conectando una serie de comparadores de amplificador operacional diferentes, todos ellos usando una señal de entrada común, pero cada comparador usa un voltaje de referencia diferente establecido por nuestra ahora conocida red divisora de voltaje a través de la fuente . Considere el siguiente circuito detector de nivel de voltaje.
Detector de nivel de voltaje del comparador
Como se mencionó anteriormente, la red divisora de voltaje proporciona un conjunto de voltajes de referencia para los circuitos comparadores de amplificador operacional individuales. Para producir los cuatro voltajes de referencia se requerirán cinco resistencias. La unión en el par inferior de resistencias producirá una tensión de referencia que es un quinto de la tensión de alimentación, 1 / 5Vcc utilizando resistencias de igual valor. El segundo par 2 / 5Vcc , un tercer par 3 / 5Vcc y así sucesivamente, con estos voltajes de referencia que aumentan en una cantidad fija de un quinto ( 1/5 ) hacia 5 / 5Vcc, que en realidad es Vcc .
A medida que aumenta el voltaje de entrada común, la salida de cada circuito del comparador de amplificador operacional cambia a su vez, comenzando con el comparador inferior, A 4 y hacia arriba hacia A 1 a medida que aumenta el voltaje de entrada. Así, al establecer los valores de las resistencias en la red divisora de voltaje, los comparadores pueden configurarse para detectar cualquier nivel de voltaje. Un buen ejemplo del uso de la detección e indicación de nivel de voltaje sería para un monitor de condición de batería.
Además, al aumentar el número de comparadores de amplificador operacional en el conjunto, se pueden crear más puntos de activación. Por ejemplo, si tuviéramos ocho comparadores de amplificador operacional en la cadena y alimentáramos la salida de cada comparador a un codificador digital de 8 a 3 líneas, podríamos crear un convertidor analógico a digital muy simple, (ADC) que convertiría la señal de entrada analógica en un código binario de 3 bits (0 a 7).
Comparador de amplificador operacional con comentarios positivos
Hemos visto aquí que los amplificadores operacionales pueden configurarse para funcionar como comparadores en su modo de bucle abierto, y esto está bien si la señal de entrada varía rápidamente o no es demasiado ruidosa. Sin embargo, si la señal de entrada, V IN cambia lentamente o hay ruido eléctrico, entonces el comparador de amplificador operacional puede oscilar cambiando su salida entre los dos estados de saturación, + Vcc y -Vcc, ya que la señal de entrada oscila alrededor de la señal de entrada. Tensión de referencia, nivel V REF . Una forma de superar este problema y evitar que el amplificador operacional oscile es proporcionar una retroalimentación positiva alrededor del comparador.
Como su nombre lo indica, la retroalimentación positiva es una técnica para realimentaruna parte o fracción de la señal de salida que está en fase a la entrada no inversora del amplificador operacional a través de un divisor de potencial configurado por dos resistencias con la cantidad de retroalimentación siendo proporcional a su ratio.
El uso de retroalimentación positiva en un comparador de amplificador operacional significa que una vez que la salida se activa en la saturación en cualquiera de los niveles, debe haber un cambio significativo en la señal de entrada V IN antes de que la salida vuelva al punto de saturación original. Esta diferencia entre los dos puntos de conmutación se denomina histéresis y produce lo que comúnmente se denomina circuito de activación de Schmitt. Considere el siguiente circuito comparador de inversión.
Invertir comparador de amplificador operacional con histéresis
Para el circuito comparador de inversión anterior, V IN se aplica a la entrada inversora del amplificador operacional. Los resistores R 1 y R 2 forman una red divisora de voltaje a través del comparador que proporciona una retroalimentación positiva con parte del voltaje de salida que aparece en la entrada no inversora. La cantidad de realimentación está determinada por la relación de resistencia de los dos resistores utilizados y que se da como:
Ecuación del divisor de voltaje
Donde: β (beta) se puede utilizar para indicar la fracción de realimentación.
Cuando la señal de entrada es menor que la tensión de referencia, V IN
REF , la tensión de salida será ALTA, V OH e igual a la tensión de saturación positiva. Como la salida es ALTA y positiva, el valor del voltaje de referencia en la entrada no inversora será aproximadamente igual a: + β * Vcc, llamado Punto de disparo superior o UTP.
A medida que aumenta la señal de entrada, V IN también se iguala a esta tensión superior del punto de disparo, nivel V UTP en la entrada no inversora. Esto hace que la salida de los comparadores cambie de estado a BAJO, V OL e igual a la tensión de saturación negativa como antes.
Pero la diferencia esta vez es que se crea un segundo valor de voltaje de punto de disparo porque ahora aparece un voltaje negativo en la entrada no inversora que es igual a: -β * Vcc como resultado del voltaje de saturación negativo en la salida. Entonces, la señal de entrada ahora debe caer por debajo de este segundo nivel de voltaje, llamado Punto de disparo inferior o LTP para que la salida de los comparadores de voltaje cambie o vuelva a su estado positivo original.
Así que podemos ver que cuando la salida cambia de estado, la tensión de referencia en la entrada no inversora también cambia creando dos valores de tensión de referencia diferentes y dos puntos de conmutación diferentes. Uno llamado el Punto de Disparo Superior Inferior (UTP) y el otro llamado el Punto de Disparo Inferior (LTP). La diferencia entre estos dos puntos de disparo se llama histéresis .
La cantidad de histéresis está determinada por la fracción de realimentación, β de la tensión de salida realimentada a la entrada no inversora. La ventaja de la retroalimentación positiva es que el circuito de disparo Schmitt del comparador resultante es inmune al disparo errático provocado por el ruido o las señales de entrada que cambian lentamente dentro de la banda de histéresis, lo que produce una señal de salida más limpia, ya que la salida de los comparadores de amplificador operacional solo se dispara una vez.
Así que para voltajes de salida positivos, V REF = + β * Vcc , pero para voltajes de salida negativos, V REF = -β * Vcc . Entonces podemos decir que la cantidad de histéresis de tensión se dará como:
También podemos producir un circuito comparador de amplificador operacional sin inversión con histéresis incorporada cambiando los terminales de entrada y de referencia como se muestra:
Comparador de inversor no inversor con histéresis
Tenga en cuenta que las flechas en el gráfico de histéresis indican la dirección de cambio en los puntos de disparo superior e inferior.
Comparador Ejemplo No1
Se utilizará un amplificador operacional con retroalimentación positiva para producir un circuito de disparo Schmitt. Si la resistencia, R 1 = 10kΩ y la resistencia, R 2 = 90kΩ , cuáles serán los valores de los puntos de conmutación superior e inferior de la tensión de referencia y el ancho de la histéresis si el op-amp está conectado a una potencia dual de ± 10v suministro.
Dado: R 1 = 10kΩ , R 2 = 90kΩ . Fuente de alimentación + Vcc = 10v y -Vcc = 10v .
Fracción de retroalimentación:
Punto de disparo de voltaje superior, V UTP
Punto de disparo de voltaje inferior, V LTP
Ancho de histéresis:
Luego, la tensión de referencia V REF cambia entre + 1V y -1V a medida que la salida se satura de un nivel al otro. Esperamos que podamos ver en este ejemplo simple que el ancho de esta histéresis, 2 voltios en total, se puede aumentar o reducir simplemente ajustando la relación del divisor de voltaje de las resistencias de realimentación R 1 y R 2 .
El comparador de voltaje
Aunque podemos usar amplificadores operacionales como el 741 como un circuito comparador básico, el problema con esto es que los amplificadores operacionales solo están optimizados para operación lineal. Ahí es donde los terminales de entrada se encuentran virtualmente en el mismo nivel de voltaje y su etapa de salida está diseñada para producir un voltaje de salida lineal que no está saturado por largos períodos de tiempo. También los amplificadores operacionales estándar están diseñados para ser utilizados en aplicaciones de circuito cerrado con retroalimentación negativa desde su salida hasta su entrada inversora.
Por otro lado, un comparador de voltaje dedicado es un dispositivo no lineal que permite una saturación intensa, debido a su ganancia muy alta, cuando las señales de entrada difieren en una cantidad relativamente pequeña. La diferencia entre un comparador de amplificador operacional y un comparador de voltaje está en la etapa de salida, ya que un amplificador operacional estándar tiene una etapa de salida que está optimizada para operación lineal, mientras que la etapa de salida de un comparador de voltaje está optimizada para operación saturada continua ya que siempre está destinado a estar cerca de un riel de suministro o el otro y no en el medio.
Los comparadores comerciales, como el comparador único LM311, el comparador cuádruple LM339 o el comparador diferencial doble LM393, son comparadores de voltaje que vienen en un paquete IC estándar que opera desde una fuente única o doble. Estos comparadores de voltaje dedicados están diseñados para el único propósito de cambiar la salida muy rápidamente de un estado saturado al otro, ya que los transistores utilizados para una etapa de salida de comparadores de voltaje generalmente son transistores de conmutación.
Dado que los comparadores de voltaje convierten una señal de entrada lineal en una señal de salida digital, se usan comúnmente para conectar dos señales eléctricas diferentes con diferentes voltajes de referencia o de fuente. Como resultado, la etapa de salida del comparador de voltaje generalmente se configura como un interruptor de transistor de colector abierto (o drenaje) con estados abierto o cerrado en lugar de voltajes de salida reales como se muestra.
Circuito comparador de voltaje
En este caso, la salida del colector abierto del comparador de voltaje se conecta a una fuente de voltaje a través de una única resistencia de pull-up (y un LED de indicación) que lleva la salida única a la fuente de alimentación. Cuando el interruptor de salida es ALTO, crea una ruta de alta impedancia, por lo tanto, no fluye corriente como V OUT = Vcc .
Cuando el comparador cambia de estado y el interruptor de salida es BAJO, crea una ruta de baja impedancia a tierra y la corriente fluye a través de la resistencia de pull-up (y el LED) causando una caída de voltaje en sí misma con la salida al nivel de suministro más bajo. suelo en este caso.
Entonces podemos ver que hay muy poca diferencia entre el símbolo esquemático de un comparador de amplificador operacional y un comparador de voltaje o sus circuitos internos. La diferencia principal en la etapa de salida con la configuración de colector abierto o drenaje es útil para activar relés, lámparas, etc. Al impulsar un transistor desde la salida, se obtiene una capacidad de corriente de conmutación mayor que la de la salida del comparador solo.
Resumen del comparador de amplificador operacional
En este tutorial sobre el comparador de amplificador operacional , hemos visto que un circuito comparador es básicamente un amplificador operacional sin retroalimentación, es decir, el amplificador operacional se usa en su configuración de bucle abierto, y cuando la tensión de entrada, V IN excede a tensión de referencia preestablecida, V REF , la salida cambia de estado.
Debido a la muy alta ganancia de bucle abierto del amplificador operacional, usarlo con retroalimentación positiva o incluso sin retroalimentación en absoluto hace que la salida se sature a su riel de suministro, lo que produce uno de los dos voltajes de salida distintos dependiendo de los valores relativos de sus dos entradas Este comportamiento biestable no es lineal y forma la base del comparador de amplificador operacional y los circuitos de activación de Schmitt.
Las etapas de salida de los comparadores dedicados, como el LM311 único, el LM393 dual o el LM339 cuádruples están diseñados para operar en sus regiones de saturación permitiendo que estos circuitos de comparador de voltaje sean ampliamente utilizados en aplicaciones de convertidor analógico a digital y para varios tipos de Circuitos de detección de nivel de tensión.
El comportamiento de conmutación errático de un comparador de bucle abierto se puede superar fácilmente agregando retroalimentación positiva entre la salida y la entrada del comparador. Con retroalimentación positiva, el circuito tiene histéresis y la salida se produce entre dos puntos de conmutación diferentes, UTP y LTP.
Los comparadores de ventana de amplificador operacional son un tipo de circuito comparador de voltaje que usa dos comparadores de amplificador operacional para producir una salida de dos estados que indica si el voltaje de entrada está o no dentro de un rango particular o ventana de valores utilizando dos voltajes de referencia. Una tensión de referencia superior y una tensión de referencia inferior.
Si bien los amplificadores y comparadores operacionales pueden parecer similares, son muy diferentes y están diseñados para ser utilizados en diferentes aplicaciones, ya que un amplificador operacional puede usarse como un comparador, un comparador de voltaje no puede usarse como un amplificador operacional debido a que no se utiliza. Etapa de salida lineal.
Sabemos por tutoriales anteriores que un amplificador operacional es un dispositivo analógico con una entrada analógica diferencial y una salida analógica y, si se opera en su configuración de bucle abierto, su salida actúa como una salida de comparación. Pero los comparadores de voltaje dedicados (LM311, LM393, LM339) están ampliamente disponibles, los cuales funcionarán mucho mejor que un comparador de amplificador operacional estándar .
