INTRO
I comparatori sono dei componenti base e molto usati in elettronica analogica. È simile ad un amplificatore operazionale, dispongono di due ingressi, uno invertente uno non invertente e una uscita. Funzionano in una regione non lineare e rispetto agli amplificatori operazionali lavorano con un feedback aperto, ovvero ad anello aperto. Sono utilizzati per effettuare una comparazione tra i due valori di tensione applicata agli ingressi e restituiscono in uscita solo due valori di tensione che indica quale dei due segnali in ingresso ha un valore maggiore di tensione.
Il simbolo è il seguente:
Se la tensione Vin+ è maggiore di Vin- l’uscita assumerà un valore pari alla tensione di alimentazione positiva Vs+, in caso contrario avrà un valore pari a Vs-. Possiamo assumere Vs+ come 1 logico e Vs- come 0 logico, quindi il comparatore diventa un elemento essenziale nella conversione ADC o più in generale per passare da una informazione analogica in una digitale.
PARAMETRI E CARATTERISTICHE CHE CARATTERIZZANO I COMPARATORI
Come detto in precedenza l’uscita del comparatore assumerà un valore 1 o 0 logico in base alla differenza di tensione tra gli ingressi. Ovviamente c’è da definire quanto grande deve essere la differenza tra i due ingressi affinché il comparatore commuti, il ritardo di commutazione e altri parametri che verranno illustrati qui sotto.
- RANGE TENSIONE DI MODO COMUNE (input common mode voltage range): è il range di tensione all’interno del quale gli ingressi devono rientrare affinché il comparatore funzioni. Vi sono comparatori chiamati rail-to-rail (R2R) nei quali gli ingressi devono rientrare nel range di alimentazione (se la tensione di alimentazione è 12V posso comparare tensioni di ingresso da 0 a 12V) oppure comparatori con range degli ingressi minore della tensione di alimentazione.
- OFFSET DI INGRESSO (input offset voltage): è un valore che indica quanto grande deve essere la differenza tra i due segnali affinché l’uscita del comparatore commuti.
Ad esempio la tensione di offset va da qualche mV a qualche decina di uV. Se un comparatore ha un offset di 1mV la commutazione 0->1 avverà quando la tensione Vin+ sarà più grande di 1mV rispetto la tensione Vin- mentre la commutazione 1->0 quando Vin+ sarà più piccola di 1mV rispetto Vin-. Il valore di offset dipende dalla tensione di alimentazione, dalla tensione di modo comune e anche dalla temperatura. Solitamente viene fornito il valore massimo nei datasheet.
- CORRENTE DI POLARIZAZIONE DEGLI INGRESSI (Input bias current): l’ngresso che idealmente non assorbe corrente in realtà assorbe una corrente di polarizzazione, questa corrente va tenuta sotto occhio perché può spostare la tensione di offset in particolare in progettazioni dove i segnali di ingresso arrivano da un generatore ad alta impedenza di uscita.
- RITARDO DI PROPAGAZIONE (Propagation delay): è un parametro molto importante se parliamo di segnali di ingresso molto veloci perché questo parametro limita la frequenza dei segnali di ingresso. Ci vorrà del tempo affinché la comparazione tra i segnali avvenga e l’uscita cambi e questo è proprio detto ritardo di propagazione che si misura come il tempo che intercorre tra il momento in cui Vin+ (o Vin- per commutazioni 1->0) supera il valore di Vin- più l’offset e il momento in cui l’uscita commuta.
- TENSIONE DI ALIMENTAZIONE: come tutti i componenti anche i comparatori hanno bisogno di una tensione minima per funzionare e non funzionano al di sopra di una certa tensione di alimentazione o si bruciano. Alcuni comparatori funzionano solo se la tensione è duale (+12V e -12V al terminale Vs-) mentre alcuni funzionano con Vs- connessa a GND ovvero a 0V (o al terminale negativo di una batteria che per noi è 0V).
- CORRENTE ASSORBITA: banalmente indica il consumo di corrente, anche questa dipende dalla temperatura e anche dalla tensione di alimentazione. È un parametro molto importante in progettazioni a bassa potenza in quanto questi componenti hanno un consumo non banale.
- TIPO DI USCITA: l’uscita può essere OPEN COLLECTOR oppure TTL o CMOS.
Se l’uscita è TTL o CMOS avrò in uscita o 1 logico o 0 logico mentre nelle uscite open collector ho bisogno di un resistore di pull-up, quindi connesso tra Vs+ e l’uscita open collector per avere su questa uscita o 1 logico (la resistenza di pull-up fa si che l’uscita raggiunge il valore di Vs+ perché il transistor d’uscita è spento) oppure 0 logico quando il transistor di uscita è acceso.
COMPARATORI E ISTERESI
È possibile applicare ai comparatori un feedback positivo per spostare volontariamente la tensione di offset e quindi fare in modo che l’uscita commuti quando la tensione di ingresso. Questo può servire quando ho un segnale di ingresso rumoroso e non voglio che l’uscita sia affetta da commutazioni non volute.
Lo schema è il seguente:
La resistenza R2 ed R1 formano la rete di feedback e vanno a spostare il punto di commutazione del comparatore. Supponiamo che l’uscita vari tra un valore positivo Vs quando si ha 1 logico e un valore negativo Vs per lo 0 logico. Questa tensione di uscita fa in modo che V+ sia diversa da Vin e quindi la tensione di commutazione si sposta proprio della porzione di tensione Vs(R1/R2) in più o in meno.
Ad esempio se Vs è uguale a 10V, R1/R2=0.001 allora la tensione di soglia per la commutazione 0->1 sarà uguale a Vin- più un valore di 10mV dovuto all’isteresi mentre per la commutazione 1->0 la soglia sarà Vin- meno un valore di 10mV.
Ad esempio se devo comparare un segnale che varia tra –Vs e +Vs e so che è affetto da un rumore di 5mV faccio in modo che 2Vs(R1/R2) sia leggermente maggiore di 5mV.
COMPARATORE A FINESTRA
Se si vuole sapere se il nostro segnale di ingresso è compreso tra due valori che chiameremo soglia alta (V1) e soglia bassa (V2) si utilizza un comparatore a finestra. Questo tipo di circuito è composto da due comparatori semplici come visto in precedenza, il segnale di ingresso da analizzare è connesso all’ingresso non invertente di uno dei due mentre all’altro comparatore verrà connesso all’ingresso invertente come da schema:
Se si utilizzano comparatori con uscita open collector basta usare una sola resistenza di pull-up.
- V1>V2 considerando come è costruita la rete resistiva
- Vin < V2 il transistor d’uscita del comparatore 2 è acceso e porta Vout a 0
- Vin > V2 il transistor d’uscita del comparatore 2 è spento e anche quello del comparatore 1 quindi l’uscita raggiunge il valore Vp
- Vin < V1 il transistor d’uscita del comparatore 1 è acceso e porta il segnale di uscita a 0.
Se ad esempio la tensione Vin è un segnale a dente di sega, avremo:
Quindi il segnale d’uscita è alto solo nell’intervallo V1-V2.
