Elettronica applicata/Comparatori di soglia

Indice del libro

Per recuperare un segnale digitale disturbato, è possibile interporre fra due circuiti digitali un comparatore di soglia, un modulo che realizza una funzione a gradino: converte un ingresso analogico in un valore logico in uscita.

Un comparatore è realizzato con un amplificatore operazionale privo della reazione negativa che contraddistingue i circuiti amplificatori (l'isteresi si ha con una reazione positiva) → il guadagno ad anello aperto è molto grande → nella transcaratteristica , la zona lineare , attraversata durante la commutazione, è molto ridotta (praticamente verticale), e quindi l'amplificatore opera nella zona non lineare: l'uscita satura rapidamente ai valori e in base al segno della tensione differenziale .

Comparatore di soglia senza isteresiModifica

Il comparatore di soglia senza isteresi confronta il segnale analogico d'ingresso   con una tensione di soglia  :

non invertente invertente
Simboli funzionali
Transcaratteristica  [1]
Comportamento
Circuito
  • se la tensione d'ingresso   è inferiore alla tensione di soglia  , la tensione di uscita   è allo stato basso  ;
  • se la tensione d'ingresso   è superiore alla tensione di soglia  , la tensione di uscita   è allo stato alto  .
  • se la tensione d'ingresso   è inferiore alla tensione di soglia  , la tensione di uscita   è allo stato alto  ;
  • se la tensione d'ingresso   è superiore alla tensione di soglia  , la tensione di uscita   è allo stato basso  .

ApplicazioniModifica

Convertitore A/DModifica

  Per approfondire, vedi 3.3 Conversione A/D.

Un comparatore di soglia senza isteresi è il modo più semplice per convertire una grandezza analogica   in una grandezza digitale   ad 1 bit:

ingresso   uscita  
  0
  1

Per convertire un ingresso su 2 bit occorrono 3 comparatori  ,   e   con tensioni di soglia rispettivamente  ,   e   che definiscono i 4 stati (intervalli) che i due bit possono codificare:

ingresso   uscita di   uscita di   uscita di   uscita  
  0 0 0 00
  1 0 0 01
  1 1 0 10
  1 1 1 11

Le uscite dei tre comparatori non sono in codice binario ma sono in codice termometrico → occorre una rete combinatoria, chiamata codificatore a priorità, che le ricodifica su due bit.

MonostabiliModifica

Generatore e allungatore di impulsoModifica
 
Generatore di impulso con cella RC passa-basso

Il generatore di impulso genera in uscita   un impulso di durata costante   in corrispondenza del fronte di salita in una transizione LH all'ingresso  , sfruttando le proprietà di ritardo di una cella RC passa-basso:

 
 

L'allungatore di impulso genera in uscita   un impulso di maggiore durata rispetto all'impulso all'ingresso  , e funziona in maniera analoga al generatore di impulso:

 

Il ritardatore può essere realizzato mediante:

  • gruppi RC o LC/RLC passa-basso: il ritardo è definito dai componenti passivi  ,  ,  , ma il segnale di uscita ha una variazione molto lenta;
  • sequenza di porte o inverter: il ritardo è legato al tempo di propagazione attraverso le porte logiche;
  • tecniche digitali: contatori, registri a scorrimento, ritardo legato alla cadenza del clock.
Monostabile derivativoModifica

All'arrivo di un impulso  , la cella RC passa-alto impone un decadimento sulla tensione di ingresso   del comparatore, generando in uscita   un'onda quadra di durata  , dove   è l'istante in cui la tensione   raggiunge il valore di soglia  :

 

La transizione HL dell'ingresso   genera un impulso negativo su  , ma non influenza l'uscita   perché avviene al di sotto della soglia  .

Monostabile rigenerativoModifica

L'impulso all'ingresso del monostabile derivativo tuttavia dev'essere sufficientemente lungo (durata maggiore di  ), altrimenti l'uscita avrebbe la transizione HL prima del raggiungimento della tensione di soglia  . Il monostabile rigenerativo aggiunge una reazione che riporta l'uscita   in OR all'ingresso  , in modo che l'uscita   continui a rimanere allo stato alto fino al raggiungimento della soglia  , indipendentemente dalla transizione HL dell'ingresso  .

Comparatore di soglia con isteresiModifica

In assenza di isteresi il rumore causa attraversamenti multipli della soglia:

Se il segnale è molto disturbato e oscilla frequentemente attorno al valore di soglia, è preferibile usare un comparatore di soglia con istèresi, o trigger di Schmitt, che ha due valori di soglia   e  : il valore di soglia   viene attivato quando il segnale di ingresso   è crescente nel tempo (da L a H), e viceversa, e l'uscita   commuta quando l'ingresso   attraversa la soglia più esterna.

non invertente invertente
Simboli funzionali
Transcaratteristica  [1]
Comportamento
Circuito
Stato alto  

 

 

 
Stato basso  

 

 

 
Valore di soglia medio  [1]

 

 

Parametri statici e dinamiciModifica

Parametri staticiModifica

La tensione differenziale   non deve superare la dinamica   per non danneggiare il comparatore. La tensione di modo comune d'ingresso, cioè il valor medio della tensione differenziale, non deve superare la dinamica   affinché sia garantito il corretto funzionamento del comparatore.

Poiché è un circuito digitale il comparatore ha vari altri parametri statici:

  • correnti di polarizzazione agli ingressi;
  • tensioni e correnti di offset, loro derive;
  • uscita: livelli   e  , correnti erogabili   e  .

Parametri dinamiciModifica

Le commutazioni della tensione d'uscita   sono soggette ritardi di propagazione e di transizione.

Comparatore integratoModifica

 
Il comparatore invertente non è altro che un inverter con ingresso a trigger

Il comparatore con isteresi può essere integrato all'interno di una porta logica. In questo caso viene utilizzato come uscita a collettore aperto: il segnale analogico viene convertito in un'onda quadra prima di essere ricevuto in ingresso dalla porta logica. Siccome le tensioni di uscita   e   di un normale comparatore con isteresi sono troppo elevate per la porta logica, si introducono un transistore collegato a massa, e una resistenza di pull-up   collegata a una tensione  , che riducono la dinamica in uscita:

  • stato basso:   (transistore in saturazione);
  • stato alto:   (transistore in interdizione).

NoteModifica

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 Qui si assume che le tensioni   e   siano simmetriche, cioè  , ma non è detto che sia così.