Vout Vo1. Vo0 Vt. Vin. D3x - Presentazione della lezione D3. D3a COMPARATORI SENZA ISTERESI

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1 D3x - Presentazione della lezione D3 1/1- Obiettivi»Passaggio da un segnale analogico ad uno digitale»comparatori di soglia senza isteresi»comparatori di soglia con isteresi (utilizzando AO)»Tensioni di soglia e isteresi»schmitt Trigger e progetto di generatori di clock D3a COMPARATORI SENZA ISTERESI 1/5- Impostazione Spesso si vuole passare da un segnale analogico ad uno digitale fissando una soglia: < >! out = 0, = Vo0! out = 1, = Vo1 Vo1 Vo0

2 D3a COMPARATORI SENZA ISTERESI 2/5- Condizioni In questo modo e possibile convertire un segnale analogico in uno digitale ad 1 bit (convertitore analogico/digitale) >VOH <VOL t Il comparatore deve avere una dinamica di ingresso pari almeno a quella del segnale analogico e livelli di uscita compatibili con la logica con la quale deve interfacciarsi (VOH e VOL). D3a COMPARATORI SENZA ISTERESI 3/5- Simboli e tipi Un comparatore NON INVERTENTE SENZA isteresi ha il simbolo Un comparatore INVERTENTE SENZA isteresi ha il simbolo H H L L

3 D3a COMPARATORI SENZA ISTERESI 4/5- Realizzazione Un comparatore SENZA isteresi puo essere realizzato con un Amplificatore Operazionale NON reazionato D3a COMPARATORI SENZA ISTERESI PROBLEMA: Che cosa succede in caso di transizione lenta dell ingresso in presenza di rumore? 5/5- False commutazioni caso senza rumore caso con rumore FALSE COMMUTAZIONI!!!!!!!

4 1/10- Elimina le false commutazioni caso senza isteresi caso con isteresi 2/10- Simboli e tipi Un comparatore NON INVERTENTE CON isteresi ha il simbolo Un comparatore INVERTENTE CON isteresi ha il simbolo H H L L

5 3/10- Realizzazione del non-invertente SI SFRUTTA LA REAZIONE POSITIVA Vp Gnd 4/10- Amplificatori e comparatori a confronto non confondiamo la controreazione degli amplificatori con la reazione positiva dei comparatori amplificatore invertente comparatore non-invertente Vp Gnd Vp

6 Vp 1 se > Vsat poni = Vsat può compresi =, al variare di, può solo assumere uno dei due valori VsatH, VsatL assumere tra Vsat tutti e i - Vsat valori 5/10- Amplificatori e comparatori a confronto amplificatore non-invertente comparatore invertente Vp Gnd Vp Vp 1 se > Vsat poni = Vsat può compresi =, al variare di, può solo assumere uno dei due valori VsatH, VsatL assumere tra Vsat tutti e i - Vsat valori

7 6/10- Analisi statica del comparatore invertente: domande Vp A 0 Val Gnd noti: Vp>0, VsatH, VsatL, domanda 1 per =0, quale valore può assumere? domanda 2 quale valore di forza un cambiamento al valore di? domanda 3 quale nuovo valore di riporta al primitivo valore? 7/10- Analisi statica del comparatore invertente: risposte risposta 1 solo il valore VsatH risposta 2 il valore che porta V - = V, quando =VsatH, cioè Vp VsatH = 2 in queste condizioni commuta da VsatH a VsatL

8 risposta 3 il valore che porta V - = V, quando =VsatL, cioè Vp VsatL = 1 in queste condizioni commuta da VsatL a VsatH 8/10- Analisi statica del comparatore non-invertente: domande Vp A 0 Val Gnd noti: Vp>0, VsatH, VsatL, domanda 1 per =0, quale valore può assumere? domanda 2 quale valore di forza un cambiamento al valore di? domanda 3 quale nuovo valore di riporta al primitivo valore? 9/10- Analisi statica del comparatore non-invertente: risposte risposta 1 solo il valore VsatL risposta 2 il valore che porta V - = V, quando =VsatL, cioè Vp VsatL Vp VsatL = 2 in queste condizioni commuta da VsatL a VsatH

9 risposta 3 il valore che porta V - = V, quando =VsatH, cioè Vp VsatH Vp VsatH = 1 in queste condizioni commuta da VsatH a VsatL 10/10- Caratteristica di trasferimento comparatore invertente comparatore non-invertente VsatH VsatH VsatL VsatL D3c TRIGGER DI SCHMITT 1/2- Necessità LO SLEW RATE LIMITA LA VELOCITA DI COMMUTAZIONE DEL COMPARATORE: AD ESEMPIO PER IL 741 s.r. = 0.5V/us! per un escursione di 5 V sono necessari ben 10 µs! il segnale logico sale molto lentamente (vanificando l effetto della reazione positiva)

10 ! I comparatori per le logiche sono progettati con tempi di commutazione di ns (Schmitt Trigger)! Alcuni comparatori hanno lo stadio di uscita open-collector per poter fornire diversi livelli logici di uscita D3c TRIGGER DI SCHMITT 2/2- Alcuni dati si chiamano SCHMITT TRIGGER gli stadi comparatori veloci delle famiglie logiche sui data sheet sono riportate le soglie VIL e VIH dei comparatori esistono diversi dispositivi logici con gli ingressi di tipo Schmitt Trigger (not, and, or, nand, etc...) D3d IL COMPARATORE DIVENTA OSCILLATORE 1/5- Enunciato dell applicazione C R VIH = 2.7 V VIL = 0.8 V C = 10 nf VOH = 3.15 V VOL = 0.5 V R = 1 kω

11 dimostrare che lo schema rappresenta un generatore d onda quadra e calcolarne la frequenza di oscillazione D3d IL COMPARATORE DIVENTA OSCILLATORE 2/5- Andamento della tensione Vc Gnd C R Si suppone C scarico per t=0 Per t=0, =VOH C si carica attraverso R con un esponenziale da 0 verso VOH quando Vc attraversa VIH, commuta su VOL C si scarica attraverso R con un esponenziale da VIH verso VOL quando Vc attraversa VIL, commuta su VOH C si carica attraverso R con un esponenziale da VIL verso VOH Da questo punto i fenomeni si ripetono periodicamente D3d IL COMPARATORE DIVENTA OSCILLATORE 3/5- Grafico della tensione Vc=f(t) VOH VIL VIH VOL Vc 4V

12 D3d IL COMPARATORE DIVENTA OSCILLATORE 4/5- Funzioni Vc=f(t) Andamento di Vc durante t1 (con origine posta all inizio di t1): Vc = VOH Calcolo di t1: VIH t1 = = VOH (VIL (VIL VOH RC ln VOH VIL VIH VOH)e VOH)e t/τ t1/ τ 3.15 = 10 ln µs = 16.5 Andamento di Vc durante t2 (con origine posta all inizio di t2): Vc = VOL Calcolo di t2: VIL = VIH t2 = RC ln VIL (VIH VOL)e VOL (VIH VOL)e t2/ τ t/τ VOL 2.7 = 10 ln VOL µs = 20µs 0.5 µs D3d IL COMPARATORE DIVENTA OSCILLATORE 5/5- Calcolo della frequenza e alcune domande Periodo T = t1t2 = µs = 36.5 µs frequenza = 27.4 khz discutiamo insieme le rispose alle domande: Che cosa limita la massima frequenza?

13 Che cosa la frequenza minima? Quali sono i limiti nella scelta di R e di C?