ELETTRONICA II Prof. Dante Del Corso - Politecnico di Torino Parte E: Circuiti misti analogici e digitali Lezione n. 19 - E - 1: Comparatori di soglia Comparatori con isteresi
Circuiti misti analogici e digitali: Sono circuiti comprendenti amplificatori operazionali, porte logiche, transistori in linearita e in commutazione Ponte tra circuiti analogici e numerici (convertitori A/D e D/A trattati a parte) Scelta ottimale per alcune funzioni specifiche
Circuiti misti analogici e digitali Comparatori di soglia, comp. con isteresi Oscillatori, generatori di onde quadre e triangolari Interfacciamento tra AO e porte logiche, circuiti di protezione Multivibratori, generatori di clock Monostabili con AO e porte logiche
Circuiti misti analogici e digitali 1 Definizione funzionale di comparatore Comparatori invertenti e non invertenti Comparatori con isteresi Circuiti per comparatori Parametri dei comparatori Comparatori integrati
Comparatori di soglia Definizione funzionale: ingressi analogici (I, S), uscita binaria U (L/H, 0/1) esegue il confronto tra una grandezza I ed una soglia S I > S oppure I < S? I S COMPARATORE DI SOGLIA U
Comparatore di soglia Funzione di trasferimento I S COMPARATORE DI SOGLIA U H U I L S
Comparatori I ed S possono essere grandezze qualsiasi: I la quantita di carburante nel serbatoio S il livello della riserva U e lo stato dell indicatore (lampadina accesa o spenta) Se I ed S sono tensioni si ha un COMPARATORE DI TENSIONE
Comparatori di tensione V S COMP. VU : tensione di ingresso V S : tensione di soglia : tensione di uscita (H, L ) V S H L
A.O. ad anello aperto Guadagno ad anello aperto (A d ) molto grande Escursione dell uscita limitata dalle tensioni di alimentazione: H ~ V AL+ L ~ V AL- Zona lineare ( = V d A d ) molto ridotta Per tensioni differenziali di ingresso superiori a frazioni di mv, l uscita si porta a H o L, a seconda del segno della V d
A.O. ad anello aperto V R + - V d = - V R = A d V d H ~ V AL+ H L ~ V AL- V d L
Circuiti per comparatori Amplificatore Operazionale ad anello aperto + V S = V R V R - Comparatore non invertente V S
Comparatore invertente V R + - V S = V R V S e ancora un operazionale ad anello aperto
Circuiti misti analogici e digitali 1 Definizione funzionale di comparatore di soglia Comparatori invertenti e non invertenti Comparatori con isteresi Circuiti per comparatori Parametri dei comparatori Comparatori integrati
Segnale analogico con rumore ampiezza (V, I,...) tempo tempo (da lez. 1)
Segnale di ingresso con rumore il rumore causa attraversamenti multipli della soglia V S
Comparatori con isteresi due soglie: V S1 e V S2, con V S1 > V S2 il comparatore cambia stato quando viene attraversata V S1 con tensione V i crescente, oppure V S2 con tensione decrescente. V S1 V S2
Segnale di ingresso con rumore V S1 V S2 con isteresi senza isteresi
Comparatore invertente con isteresi caratteristica per tensioni decrescenti H L V S2 V S1 caratteristica per tensioni crescenti
Circuiti misti analogici e digitali 1 Definizione funzionale di comparatore di soglia Comparatori invertenti e non invertenti Comparatori con isteresi Circuiti per comparatori con isteresi Parametri dei comparatori Comparatori integrati
Sdoppiamento della soglia Nel caso di un comparatore invertente con isteresi la tensione di confronto vale V S1 per = H; V S2 per = L V S1 V S2 VI H L
Come sdoppiare la soglia Ottenere la tensione di confronto V S come combinazione di una tensione di riferimento V R e della tensione di uscita - V R + R1 V S R 2
Comparatore con isteresi invertente V R - + R1 V S R 2 = H : V S = V S1 = (R 1 H + R 2 V R )/(R 1 + R 2 ) = L : V S = V S2 = (R 1 L + R 2 V R )/(R 1 + R 2 )
Comparatore con isteresi non invertente - V R + R 1 V R R 2 = H : V R = (R 1 H + R 2 V S1 )/(R 1 + R 2 ) V S1 = (R 1 + R 2 ) V R - R 1 H )/R 2 = L : V R = (R 1 L + R 2 V S2 )/(R 1 + R 2 ) V S2 = (R 1 + R 2 ) V R - R 1 L )/R 2
- R 1 V S V R R 3 + R 2 D Z Il gruppo R 3 - D Z stabilizza le tensioni di soglia rispetto a variazioni delle alimentazioni
Reazione positiva Il segnale di uscita viene riportato sul morsetto positivo dell ingresso: e una REAZIONE POSITIVA L isteresi e dovuta alla presenza della reazione positiva EFFETTI REAZ POSITIVA
Effetti della reazione positiva Ogni minima variazione viene amplificata e riportata all ingresso con lo stesso segno Gli unici stati stabili in uscita sono H e L L amplificatore operazionale lavora fuori linearita (tranne che all istante delle commutazione) Si incrementa la velocita di commutazione dell uscita
Comparatore con isteresi Simbolo funzionale + VS1,V S2 Funzione di trasferimento L V S1,V S2 H
Comparatore senza e con isteresi + V R V S senza isteresi V S + V R V S1, V S2 con isteresi V S1 V S2
AO usato come comparatore Lo stadio di ingresso e fuori linearita (salvo che all istante della commutazione) Puo essere presente una forte tensione differenziale tra gli ingressi (diversamente da quanto avviene negli amplificatori in linearita ) Puo anche essere presente una tensione di Modo Comune (come per gli amplificatori non invertenti) Le tensioni applicate ai morsetti di ingresso devono rispettare i vincoli indicati nei data sheet (essere comprese entro le tensioni di alimentazione)
Parametri statici di un comparatore Massime tensioni di ingresso differenziali e di modo comune (non-danneggiamento) Dinamica di modo comune all ingresso (funzionamento) Correnti di polarizzazione agli ingressi Tensioni e correnti di offset, derive Uscita: livelli L e H, corrente erogabile
V CMAX V AL+ V ingresso MAX Dinamica di modo comune Campo ammesso per le tensioni di ingresso V CMIN V AL- MIN
Impedenza di ingresso AO ad anello aperto: molto alta Circuiti con isteresi: non invertenti: R 1 invertenti: molto alta Deve poter circolare la corrente di polarizzazione!
Ritardi di commutazione V S Parametri dinamici V O
Ritardi di commutazione V S Parametri dinamici V O t PLH t PHL t f
Esempio 1: analisi di un comparatore Determinare i valori delle soglie per il circuito: V R - + R V 1 S R 2 R 1 = 22 kω AO : µa 748 R 2 = 120 kω alim: + 15V, - 15V V R = 3 V
Esempio 2: progetto di comparatore Progettare un comparatore di soglia con: soglie a + 3 V e + 6 V amplificatore operazionale tipo 748, alimentato a +- 15 V configurazione non invertente
Progetto di comparatore La relazione tra V R, V S1 /V S2, H /L, R 1, R 2 permette di scrivere due equazioni: V S1 /V S2, H /L sono dati di progetto Le incognite sono: V R, R 1, R 2. 3 incognite; 2 equazioni? Usa un operazionale: vincoli sulla resistenza equivalente vista dagli ingressi e dall uscita.
Comparatori integrati Operazionali predisposti per lavorare ad anello aperto o con reazione positiva: Ampia dinamica di modo comune Alta velocita di commutazione, bassi ritardi di propagazione Uscita adatta a pilotare circuiti logici L isteresi deve essere aggiunta esternamente
Riepilogo sui comparatori Comparatori di soglia invertenti e non invertenti: definizione funzionale. AO ad anello aperto come comparatori. Comparatori con isteresi. AO con reazione positiva. Parametri statici e dinamici di un comparatore.