COMPARATOARE ELECTRONICE

Comparatoarele electronice sunt circuite electronice care primesc la intrare un semnal analogic si in functie de valoarea acestuia comuta iesirea intr-o stare numerica bine precizata.

Starea iesirii poate fi la un nivel V_0L mic de tensiune, stare numita "0" logic si notata uneori cu "L" (Low) sau poate fi la un nivel V_0H mare de tensiune, stare numita "1" logic si notata uneori cu "H" (High).

Tensiunea de prag V_P este acea tensiune de intrare care separa cele 2 nivele ale tensiunii in iesire.

Spre exemplu, in figura 5.1, sunt prezentate formele de unda la intrarea unui comparator la care iesirea este definita astfel

V_i - V_P < 0 => V₀ = V_{OL ,}

V_i - V_P > 0 => V₀ = V_OH.

Pentru (V_i < V_P) iesirea este in starea L iar pentru (V_i >V_P) iesirea este in starea H.

Uneori comparatorul poate lucra conform logicii inversate fata de situatia din figura 5.1 (V_i > V_P V_OL, V_i < V_P V_OH).

Observatie : De fapt circuitele de comparatie integrate au doua iesiri, una notata Q care stabileste V_0H pentru V_i > V_P si alta notata care stabileste V_0H pentru V_i < V_P.

Comparatoarele fara reactie au o caracteristica de transfer cu tranzitia iesirii exact la valoarea V_P, ca in figura 5.2.

Comparatoarele cu reactie pozitiva determina o caracteristica de transfer cu histerezis, in sensul ca tranzitia LH are loc la o tensiune V_pm diferita de tensiunea V_pM la care are loc tranzitia H L , ca in figura 5.3.

Astfel spus starea H se mentine si pentru tensiuni de intrare mai mici decat tensiunea la care s-a stabilit. Starea H a iesirii s-a stabilit la V_pM si se mentine, la scaderea tensiunii de intrare, pana se creeaza conditii de basculare inversa ( pana cand V_i = V_pm) Starea L se mentine, la cresterea tensiunii de intrare , in tot intervalul V_pm , V_pM.

Comparatoarele sunt realizate cu amplificatoare operationale (AO) sau amplificatoare Norton (AN).

In figura 5.4 este prezentat un comparator fara histerezis obtinut dintr-un amplificator operational la care la una din intrari s-a conectat tensiunea de referinta V_REF iar la cealalta intrare s-a conectat tensiunea variabila V_i.   

Tranzitia iesirii are loc atunci cand = V_i - V_REF 0 , ceea ce inseamna ca tensiunea de prag este tensiunea de referinta (V_P = V_REF).

In figura 5.5 este prezentata caracteristica de transfer a circuitului din figura 5.4.

Tranzitia iesirii de la V_0L la V_0H are loc intr-un timp finit, fiind egala cu viteza de variatie a tensiunii de intrare V_i, dar la viteze mari de variatie a tensiunii de intrare viteza de comutare a iesirii va fi limitata de timpul de comutare a elementelor fizice din constructia AO. Spre exemplu amplificatorul BA741 limiteaza viteza maxima de crestere a tensiunii la 0,5 V/s .

Pentru ca tranzitia din starea V_0L in V_0H (si invers) sa se faca cu viteza maxima pe care o permite AO, se introduce o reactie pozitiva care sa determine un proces de comutare in avalansa.

In figura 5.6a este prezentata schema de principiu a unui comparator cu reactie realizat cu un AO, caracteristica de transfer fiind prezentata in figura 5.6b.

Deoarece tensiunea de iesire ia valorile V_0L si V_0H => prin intermediul divizorului de tensiune format din R₁ si R_R la intrarea AO se transmite tensiunea V_P care are 2 valori

, .

Spre exemplu daca R₁ = R_R si tensiunea de alimentare a AO este V= 15V atunci

V_0L=- V=-15 V ; V_0H= +V= +15 V; V_pm = -7,5V; V_pM =+7,5V.

Ciclul de histerezis poate fi deplasat pe axa tensiunilor de intrare prin conectarea rezistentei R₁ la o sursa de referinta V_REF. Pentru R₁ = R_R avem relatiile

V_p = ,

V_pm = ,

V_pM = .

Tensiunile de prag sunt simetrice fata de V_REF.

Spre exemplu pentru V_REF = +V =>V_pm = 0, V_pM = +V (dar tensiunea la iesire ramane V_OL=-V, V_OH=+V).

Pentru a stabilii precis valorile tensiunilor de iesire V_0L,V_0H si pentru a avea tensiuni de prag nesimetrice se folosesc doua amplificatoare operationale, ca in figura 5.7.

Iesirile celor doua AO sunt intrari de comanda pentru bistabilul de tip RS din figura 5.7. Iesirea V₀ a bistabilului este in starea H numai daca ambele intrari sunt in starea H, altfel spus numai daca ambele conditii ale AO sunt indeplinite.

Comparatoarele cu circuite integrate sunt realizate asa incat sa raspunda urmatoarelor cerinte:

timpi de comutare mici ;

nivele de tensiune de iesire compatibile cu circuitele logice ;

iesirea sa fie "open -colector" , pentru a putea realiza functia SI cablat, adica iesirile a doua circuite sa poata fi conectate fara elemente aditionale;

sa permita inhibarea iesirii circuitului printr-un sistem de inhibare sau sa existe un pin de autorizare a functionarii .

Circuitele electronice uzuale sunt CLB 2711, BM339,BM39, ROB31, ROB760. Sunt caracterizate prin urmatoarele valori ale parametrilor:

timpul de raspuns este cuprins intre 200-18 ns;

tensiunea de decalaj de 1, ., 2mV , reprezentata de diferenta tensiunilor de intrare V_i - V_REF care asigura nivelul de prag;

curentul necesar polarizarii intrarilor I_i = 0,2,,8 μA.

Circuitul integrat CLB 2711EC are pe capsula 2 comparatoare, fiecare avand schema din figura 5.8.

Intrarile STR₁, STR₂ sunt intrari de "strob" sau de autorizare care permit transferul catre iesirea OUT a rezultatului compararii numai daca sunt in starea H.

In cazul in care ambele semnale STR₁ = STR₂ = H sunt active iesirea OUT are valoarea H daca unul din comparatoarele C₁ sau C₂ este in stare H.

In figura 5.9 este prezentat simbolul unui comparator (1/2 CLB7211EC ).

Pentru a obtine un semnal logic TTL la iesirea circuitului integrat se conecteaza un tranzistor bipolar care sa adapteze nivelele de tensiune, ca in figura 5.10.

In colectorul tranzistorului T este conectat un releu electronic RL, care isi inchide contactele daca circula curent prin tranzistor, ceea ce se indeplineste daca tranzistorul primeste un semnal de comanda pe baza. Tabelul contine starile releului (releu comandat = 1) in functie de starea intrarilor comparatorului, caruia ii corespunde caracteristica statica din figura 5.11.

Fig. 5.11.

Comparatorul dublu cu reactie pozitiva totala

In figura 5.12 este prezentat un comparator cu reactie pozitiva totala realizat cu 1/2 CLB7211EC, a carui caracteristica de transfer este prezentata in figura 5.13.

La intrarile comparatorului C₁ se aplica tensiunea de intrare V_i (la intrarea directa) si tensiunea de referinta V_REF (la intrarea inversoare). Comparatorul C₁ va avea iesirea in starea H daca V_i > V_REF.

Comparatorul C₂ primeste la intrarea neinversoare tensiunea de iesire V₀ iar la intrarea neinversoare primeste o tensiune de referinta fixa, de valoare mica si anule 0,5V.

Initial, la alimentarea circuitului, V₀ = V_0L = 0V < 0,5V rezulta ca iesirea comparatorului C₂ este in starea L si ramane asa.

Daca V_i > V_REF => tensiunea de iesire a C₁ va creste corespunzatoare starii H => V₀ = V_OH ceea ce inseamna ca la intrarea comparatorului C₂ se va aplica o tensiune mare pe intrarea neinversoare V_i2 = V_0H > V_REF = 0,5V, ceea ce face ca si iesirea comparatorului C₂ sa basculeze in starea H.

Daca V_i se modifica in raport cu V_REF , spre exemplu V_i scade sub valoarea tensiunii de referinta circuitul nu isi modifica starea iesirii. Nu se modifica nimic pentru ca iesirea este in starea H si la intrarea comparatorului C₂ avem V_i2 = V_0H > V_REF = 0,5V care comparator "tine" iesirea in starea H.

Pentru ca circuitul sa iasa din starea memorata se impune ca la intrarea V_i sa se aplice un semnal ( V_i < V_REF) care sa creeze conditii de basculare a iesirii in starea L si apoi sa se conecteze, pentru scurt timp, iesirea la masa cu comutatorul K. Iesirea va fi in starea L si la intrarea comparatorului C₂ vor fi conditii de basculare a iesirii in starea L.

Detectorul de varf (sau de valoare extrema)

Circuitul din figura 5.14, realizat cu 1/2 CLB7211EC, indeplineste functia de detector de varf al tensiunii V_i aplicata la intrare, in sensul ca testeaza la diferite momente de timp valoarea tensiunii de la intrare, o compara cu valoarea din intervalul precedent de testare si in functie de rezultatul comparatiei efectueaza una din urmatoarele

daca tensiunea curenta este mai mare ca valoarea din intervalul precedent, memoreaza tensiunea curenta;

daca tensiunea curenta este mai mica ca valoarea din intervalul precedent, nu face nimic (lasa neschimbata valoarea memorata).

STR - este un semnal dreptunghiular care activeaza sau inhiba procesul de comparare. In timpul cat STR este in starea H este permisa functionarea comparatoarelor, ceea ce inseamna ca in acel interval de timp se testeaza valoarea tensiunii de intrare.

C_M - este condensatorul de memorare a valorii maxime.

D - este o dioda care nu permite decat incarcarea condensatorului de memorare si previne descarcarea acestuia intre doua testari.

INV - este un circuit analogic care primeste la intrare tensiunea V_i si furnizeaza la iesire aceeasi tensiune dar cu semnul schimbat (furnizeaza

-V_i ).

Daca V_i > V₀ iesirea 10 a comparatorului trece in starea H si completeaza sarcina de pe condensatorul C_M de memorare pana la valoarea tensiunii aplicate la intrare, deci, deci creste tensiunea V₀. pana la egalitatea V₀ = V_i . Cu alte cuvinte memoreaza valoarea maxima.

Blocul INV a fost prevazut in schema pentru ca detectorul de varf sa poata functiona atat pentru tensiuni de intrare pozitive cat si pentru tensiuni de intrare negative.

Daca tensiunile de intrare sunt pozitive functioneaza comparatorul C₁ iar pentru tensiuni negativa va functiona comparatorul C₂. De remarcat ca si in cazul tensiunilor de intrare negative tensiunea de iesire ramane tot pozitiva, pentru ca C_M se incarca de la iesirea comparatorului care este pozitiva cand comparatorul este activ.

Contactul K se actioneaza numai la inceputul unui ciclu de testare a valorii de varf, pentru ca procesul sa inceapa cu condensatorul C_M la tensiune zero (descarcat).

Particularitati ale comparatorului BM339

Circuitul BM 339 contine 4 comparatoare cu colectorul in gol (tranzistorul de iesire este de tipul NPN cu emitorul la masa si colectorul conectat la borna de iesire a comparatorului ) ceea ce inseamna ca se impune a conecta iesirea printr-o rezistenta R_L la sursa de alimentare V_CC , ca in figura 5.15.

In cadrul figurii 5.15 au fost indicate in ordine fiecare din pinii de intrare si pinii de iesire ale fiecarui comparator (spre exemplu unul din comparatoare are bornele de intrare 9 si 8 iar iesirea este la pinul 14).

Daca circuitul este alimentat cu o sursa duala ca in figura 5.15, intrarile circuitului pot fi de orice polaritate. Iesirea comparatorului se gaseste in una din starile V_0L = -V, V_0H = +V.

Daca circuitul este alimentat cu o sursa cu punct de masa, ca in figura 5.16, tensiunile de intrare se impune sa fie pozitive iar iesirea se gaseste in una din starile V_0L=0V, V_0H=+V.

In figura 5.17 este prezentat un comparator prevazut cu un circuit auxiliar, format din tranzistorul T , care functioneaza corect daca tensiunea V_STR este suficient de mica pentru a mentine tranzistorul blocat. Pentru tensiuni V_STR > 0,7V tranzistorul este saturat si iesirea este in starea V_0L indiferent de starea intrarilor. Semnalul V_STR indeplineste functia de semnal de autorizare.

Bascularea comparatorului realizat cu BM339 are loc cand I_i+ > I_i- .

Tensiunea de referinta V_REF poate fi  obtinuta din tensiunea sursei de alimentare +V ().

Daca unul din comparatoarele circuitului integrat nu este folosit in aplicatie, se vor conecta la masa atat intrarile cat si iesirea acestuia.

Interfata cu BM339 intre circuite analogice si circuite TTL

In figura 5.18 este prezentat un circuit pentru formarea nivelelor logice TTL dintr-un semnal analogic V_i.

Circuitul "SI" este utilizat pentru formarea fronturilor semnalului si adaptarea nivelelor de tensiune,

Pragul corespunzator valorii unu logic este stabilit de tensiunea de referinta.

Daca semnalul numeric se impune sa fie TTL rezistenta de sarcina se adopta R_L = 10K, iar pentru circuite MOS se inlocuieste sursa de alimentare (spre exemplu +15V) si R_L = 100K .

Interfata cu BM339 intre circuite TTL si circuite MOS

In figura 5.19 este prezentat un circuit de interfata intre semnalele furnizate de circuite TTL si circuite de tipul MOS.

Daca V_i < V_REF tensiunea de iesire a comparatorului este la valoarea sursei de alimentare negative, ceea ce inseamna ca tensiunea de intrare a circuitului MOS va fi V_iL= -12V, corespunzand unei intrari in zero logic.

Daca V_i > V_REF tensiunea de iesire a comparatorului este la valoarea sursei de alimentare pozitive, ceea ce inseamna ca tensiunea de intrare a circuitului MOS va fi V_iL= +5V, corespunzand unei intrari in unu logic.

Tinand seama de cele de mai sus rezulta ca tensiunea V_REF trebuie sa se afle la limita superioara a nivelului de zero logic furnizat de circuitele TTL V_REF = 1,5V.

Se remarca faptul ca in cazul acestei scheme, ca si in cazul schemei din figura 1.18 semnalele TTL aflate in interiorul zonei de incertitudine (1,5V,.,2,5V) sunt interpretate de circuitele MOS drept unu logic - pentru ca tensiunea de referinta se afla la limita superioara a nivelului de zero logic TTL.

Modalitati de crestere a curentului furnizat de BM339

In conditiile in care iesirea unuia din comparatoarele circuitului integrat BM339 nu este capabila sa furnizeze curentul pe care il cer circuitele conectate la iesirea acestuia (ori sunt prea multe porti logice, ori este un dispozitiv de putere) se conecteaza la iesirea respectiva un amplificator de curent. Cea mai simpla modalitate consta in conectarea unui tranzistor la iesirea CI, ca in figura 5.20.

Functionarea circuitului are loc astfel

pentru V_i >V_R =+V T este saturat => V₀=0V;

pentru V_i <V_R =0V T este blocat => V₀=+V.

Cand tranzistorul este blocat curentul absorbit de circuitele externe este limitat de rezistorul R_C, iar iesirea integratului nu este solicitata decat de curentul invers al tranzistorului.

Formator de impulsuri dreptunghiulare cu BM339

Datorita diferitelor prelucrari un semnal analogic, cu toate ca initial era de forma dreptunghiulara, va fi distorsionat si nu va fi de o forma adecvata prelucrarii numerice. Din acest motiv se folosesc circuite de formare a semnalului.

Aceste circuite trebuie sa refaca fronturile semnalului si sa permita decelarea corecta a semnalelor logice.

Circuitul din figura 5.21 formeaza semnale logice pentru a fi utilizate in circuite numerice MOS, dintr-un semnal analogic. Semnalul analogic V_i este considerat unu logic daca V_i este pozitiv si este considerat zero logic daca V_i este negativ.

Deoarece tensiunea de referinta a comparatorului este V_REF = 0V avem

V_i<0 => V_OL= -V , adica iesirea este in zero logic;

V_i>0 => V_OM=+V , adica iesirea este in unu logic.

Poarta de numarare cu BM339

In figura 5.22 este prezentata schema de principiu a unei porti de numarare, de fapt este prezentata o portiune dintr-un convertor analog-numeric.

	Fig. 5.22.

Comparatorul C are iesirea in starea H cat timp tensiunea V_i este mai mare decat V_REF, circuitul SI transferand catre numarator impulsurile furnizate de oscilatorul OSC. Iesirea este basculata in starea L si numararea este inhibata cand tensiunea V_REF devine mai mare ca V_i.

Pentru a obtine un convertor analog-numeric tensiunea V_REF trebuie sa fie liniar crescatoare in timp.

Realizarea practica, cu CLB2711, a schemei de principiu a portii este prezentata in figura 5.23 (pentru explicatii vezi si figura 5.12).

Circuit basculant monostabil cu BM339

In figura 5.24 este prezentat modul de realizare a unui circuit mobostabil cu BM339.

	Fig. 5.24.

In intervalul de timp cat V_i < V_REF iesirea comparatorului C₁ este in starea L, ceea ce inseamna V₀ = 0V.

Cand tensiunea creste si V_i >V_REF comparatorul C₁ basculeaza in starea H si iesirea va fi la nivelul sursei de alimentare. Condensatorul se incarca de la V₀, prin rezistorul R catre valoarea sursei de alimentare, ca in figura 5.25.

Cat circula curent de incarcare prin rezistorul R tensiunea v > 0,5V ; comparatorul C₂ mentine tensiunea de la iesire la valoarea sursei de alimentare. Condensatorul creste V_C la valoarea iesirii V_C = +V iar cand curentul prin R se anuleaza, v=0 si comparatorul C₂ isi schimba starea din H in L. Tensiunea de la iesire revine in starea L.

Timpul cat se incarca condensatorul stabileste regimul tranzitoriu al circuitului .