I comparatori sono dispositivi che consentono di comparare (cioè di confrontare ) due segnali. Di norma uno dei due è una tensione costante di riferimento Vr. Il dispositivo attivo utilizzato per realizzare un comparatore è l amplificatore operazionale, connesso in modo da funzionare solo nella sua regione di saturazione, positiva o negativa. Il Modello Base Il modello base vede un AO utilizzato ad anello aperto in cui uno dei due ingressi è messo a massa e all altro si applica il segnale da confrontare Vi. In tal caso il livello di riferimento è lo zero Vr=0. Se la Vi è applicata all ingresso non invertente si ha un comparatore non invertente per cui basta che la Vi assuma un piccolissimo valore positivo che la Vo si spinga al valore +Vsat=+Vcc, ed un piccolissimo valore negativo perché l uscita si porti a -Vsat=-Vcc. Caratteristiche di trasferimento ideali di comparatori non invertente.. Se la Vi è applicata all ingresso invertente si avrà un comparatore invertente con la seguente caratteristica: Caratteristiche di trasferimento ideali di comparatori non invertente e invertente Chiaramente la caratteristica di trasferimento reale si discosta un po da quella ideale in quanto intorno allo zero vi è una zona di transizione in cui la caratteristica si presenta inclinata e non verticale, questo tratto corrisponde al campo di funzionamento lineare dell AO. L intervallo che la tensione di ingresso deve coprire per far passare l uscita dall uno all altro livello definisce la sensibilità del comparatore. Poiché la tensione di riferimento è nulla, il comparatore cambia stato quando la tensione di ingresso passa per lo zero (questi comparatori vengono chiamati zero-crossing detector. caratteristica di trasferimento reale
Per spostare il livello di soglia basta applicare ad uno dei due terminali una tensione di riferimento Vr diversa da zero, invece che alla massa. La tensione differenziale si annulla quando i due livelli di tensione agli ingressi saranno eguali e quindi la caratteristica di trasferimento taglierà l asse delle ordinate in corrispondenza di quel valore. Per generare un livello di riferimento si può usare un partitore resistivo collegato fra la massa e una delle alimentazioni (a seconda se si vuole la soglia positiva o negativa). Un condensatore tra alimentazione e massa ha la funzione di abbattere eventuali disturbi sull ingresso dovuti all ondulazione residua delle tensioni di alimentazione. Alimentando l AO con una sola tensione positiva (o negativa), potremo avere un comparatore con (mediante sempre partitore resistivo) soglia positiva(o negativa) e tensioni d uscita prossimi a zero e alla tensione di alimentazione +Vcc (-Vcc). Comparatore non invertente e relativa caratteristica di riferimento
Per ottenere in uscita dei livelli di tensione diversi dalla tensione di saturazione dell operazionale si connettono in cascata dei limitatori, normalmente realizzati tramite due diodi zener con polarità opposte in modo che : Per Vi<Vr Va=+Vcc; il diodo Dz1 conduce inversamente e Dz2 direttamente Vo=Vz1+Vγ Per Vi>Vr Va=-Vcc; il diodo Dz2 conduce inversamente e Dz1 direttamente Vo=-Vz2-Vγ Comparatore invertente con i livelli di uscita variabili
In un comune comparatore quando il segnale di ingresso è prossimo a quello di riferimento, i disturbi possono produrre rapide variazioni indesiderate della tensione di ingresso attorno alla soglia di riferimento con conseguenti commutazioni multiple dell uscita, che il segnale di per sé non avrebbe causato, provocando errate interpretazioni del segnale in uscita e malfunzionamenti nei circuiti successivi. Occorre tenere conto anche che la variazione in uscita non è immediata (la caratteristica non è verticale) ma è presente un pur piccolo intervallo di tensione entro il quale la risposta del circuito è lineare, specie se il segnale in ingresso presenta delle variazioni molto lente. Per ovviare a questi inconvenienti si realizzano i comparatori con isteresi o trigger di Smith che si basano su uno schema a retroazione positiva e presentano due soglie di scatto (o tensioni di riferimento). La soglia più positiva V+, produce la commutazione quando il segnale in ingresso è crescente, l altra V - quando l ingresso è decrescente. Perché un disturbo possa produrre in uscita commutazioni indesiderate occorre che la sua ampiezza superi la distanza che separa le due soglie, ma se il trigger viene dimensionato tenendo conto dell intensità dei disturbi, questa eventualità diventa assai improbabile. Inoltre il tempo di transizione è fisso e
dipende solo dai parametri propri del trigger e non è influenzato dalla rapidità di variazione del segnale di ingresso. La distanza fra le due soglie viene spesso chiamata isteresi del trigger Lo schema più elementare del trigger vede le due tensioni di soglia uguali in valore e opposte in configurazione invertente e non invertente con le seguenti caratteristiche di trasferimento Trigger invertente a soglie simmetriche Osserviamo che: La tensione di ingresso (o tensione di soglia) che provoca la commutazione del trigger è propria quella che rende uguali le tensioni dei due ingressi dell AO V+= V - L ampiezza dell isteresi è pari alla differenza fra le due tensioni di soglia V+ e V -. Trigger invertente con soglie non simmetriche Se poi consideriamo anche una tensione di riferimento V avremo il seguente schema:
con : V+= tensione di soglia quando Vo=Voh(l uscita è nello stato alto) V - = tensione di soglia quando Vo=Vol(l uscita è nello stato basso) Vm= valore medio dell isteresi Vh= larghezza dell isteresi Si nota come: la larghezza dell isteresi è indipendente dalla tensione costante di riferimento V e dipende solo dalle resistenze il valore medio dell isteresi dipende sia dalla tensione costante V, sia dal valore assunto dalle resistenze. Per dimensionare un trigger si procede nel seguente modo: Dalla specifica riguardante Vh si ricava il rapporto R1/(R1+R2); scegliendo a piacere R1 troviamo R2. Dalla specifica riguardante Vm si ricava il valore di V.