2.3: Comparador simple de amplificador operacional

Ahora que tienes una idea de lo que es un amplificador operacional y cuáles son algunos parámetros típicos, echemos un vistazo a una aplicación. Lo único que salta a la atención de la mayoría de la gente es la ganancia muy alta del amplificador operacional promedio. El LF411 típico se mostró aproximadamente\(A_{vol}\) a 200,000. Con ganancias tan altas, es obvio que incluso señales de entrada muy pequeñas pueden forzar la salida a saturar (recorte). Echa un vistazo a Figura\(\PageIndex{1}\). Aquí un amplificador operacional está siendo suministrado por\(\pm\) 15 V, y está impulsando una\(\Omega\) carga de 10 k. Como se ve en nuestro modelo de la Figura 2.2.5,\(V_{out}\) debe ser igual al voltaje de entrada diferencial multiplicado por la ganancia del amplificador operacional,\(A_{vol}\).

\[ V_{out} = A_{vol}(V_{in+}−V_{in-}) \nonumber \]

\[ V_{out} = 200,000\times (0.1\ V−0\ V) \nonumber \]

\[ V_{out} =20,000\ V \nonumber \]

Figura\(\PageIndex{1}\): Comparador (entrada única).

El amplificador operacional no puede producir 20,000 V. La hoja de datos enumera una oscilación de salida máxima de solo\(\pm\) 13.5 V cuando se usan suministros de\(\pm\) 15 V. La salida se truncará a 13.5 V. Si la señal de entrada se reduce a solo 1 mV, la salida seguirá recortada a 13.5 V. Esto se mantiene cierto incluso si aplicamos una señal a la entrada inversora, como en la Figura\(\PageIndex{2}\).

\[ V_{out} = A_{vol}(V_{in+}−V_{in-}) \nonumber \]

\[ V_{out} = 200,000\times (0.5\ V−0.3\ V) \nonumber \]

\[ V_{out} = 40,000\ V \nonumber \]

\[ V_{out} = 13.5\ V, \text{due to clipping} \nonumber \]

Figura\(\PageIndex{2}\): Comparador (entrada dual).

Simulación por Computadora

En la Figura se muestra una simulación de Figura\(\PageIndex{2}\) usando Multisim\(\PageIndex{3}\). El amplificador operacional LF411 se selecciona de la biblioteca de componentes, y aún no es necesario preocuparse por el maquillaje interno del modelo. Este modelo en particular incluye los efectos de las limitaciones de la fuente de alimentación (es decir, saturación de salida) que el muy simple modelo dependiente-fuente presentado anteriormente no hace. Se utilizan fuentes de CC individuales para las señales de entrada. Aunque no se aplican señales de CA, es perfectamente válido para ejecutar una simulación en modo transitorio. Se muestra el primer milisegundo de la tensión de salida. Verifica el cálculo manual, indicando un nivel de CC de poco más de 13.5 V.

Figura\(\PageIndex{3a}\): Ejemplo comparativo en Multisim.

Figura\(\PageIndex{3b}\): Salida del comparador.

Para cualquier conjunto razonable de entradas, siempre y cuando la señal no inversora sea mayor que la señal inversora, la salida será saturación positiva. Si intercambias las señales de entrada para que la señal inversora sea la más grande, lo contrario será cierto. Siempre y cuando la señal inversora sea mayor que la señal no inversora, la salida será saturación negativa. Si las señales inversoras y no inversoras son idénticas,\(V_{out}\) deberían ser 0 V. En el mundo real, esto no sucederá. Debido a pequeñas discrepancias y desplazamientos en la etapa de amplificador diferencial, se producirá una saturación positiva o negativa. No tienes manera rápida de saber en qué dirección irá. Es por esta razón que no es práctico amplificar una señal muy pequeña, digamos alrededor de 10\(\mu\) V. Entonces podría preguntarse: “¿De qué sirve este amplificador si siempre se engancha? ¿Cómo puedo lograr que amplifique una señal simple?” Bueno, para usos normales de amplificación, tendremos que agregar algunos componentes adicionales, y mediante el uso de retroalimentación negativa (siguiente capítulo), crearemos algunos amplificadores útiles y muy bien controlados. Esto no quiere decir que nuestro estéril circuito op amp sea inútil. Todo lo contrario, acabamos de crear un comparador.

Un comparador tiene dos estados de salida: Alto y bajo. En otras palabras, se trata de una salida digital, lógica. Nuestro comparador tiene un alto potencial de estado de 13.5 V, y un potencial de estado bajo de -13.5 V. Las señales de entrada, en contraste, son potenciales analógicos continuamente variables. Un comparador, entonces, es una interfaz entre circuitos analógicos y digitales. Una entrada se considerará la referencia, mientras que la otra entrada se considerará la línea de detección. Tenga en cuenta que la señal de entrada diferencial es la diferencia entre la entrada de detección y la entrada de referencia. Cuando cambia la polaridad de la señal de entrada diferencial, la salida lógica del comparador cambia de estado.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

La figura\(\PageIndex{4}\) muestra un detector de fugas de luz que podría ser utilizado en el cuarto oscuro de un fotógrafo. Este circuito utiliza una celda de sulfuro de cadmio (CDs) que se utiliza como resistencia sensible a la luz. La entrada inversora del amplificador operacional se está utilizando como entrada de referencia, con un nivel de CC de 1 V. La entrada no inversora se está utilizando como entrada de detección. En condiciones normales (sin luz), la celda CDs actúa como una resistencia muy alta, tal vez 1\(\Omega\) M. En estas condiciones, se configura un divisor de voltaje con la\(\Omega\) resistencia de 10 k, produciendo aproximadamente 150 mV en la entrada no inversora. Recuerde, no se produce ninguna carga del divisor porque el LF411 utiliza una entrada JFET. Debido a que la entrada no inversora es menor que la entrada inversora, la salida del comparador es saturación negativa, o aproximadamente -13.5 V. Si el nivel de luz ambiental aumenta, la resistencia de la celda CdS disminuye, elevando así la señal aplicada a la entrada no inversora. Eventualmente, si el nivel de luz es lo suficientemente alto, la señal de entrada no inversora excederá la referencia de 1 V, y la salida del comparador se moverá a saturación positiva, aproximadamente +13.5 V. Esta señal podría usarse entonces para activar alguna forma de alarma audible. Un circuito del mundo real necesitaría la flexibilidad de una referencia ajustable en lugar de la referencia fija de 1 V. Al intercambiar la celda CDs y la\(\Omega\) resistencia de 10 k, y ajustar la referencia, se puede producir un circuito inverso (es decir, una alarma que detecta la oscuridad).

Los circuitos de este tipo se pueden utilizar para detectar una variedad de condiciones de sobrenivel/bajo nivel, incluyendo temperatura y presión. Todo lo que se necesita es un dispositivo de detección apropiado. Los comparadores también se pueden utilizar con señales de entrada de CA.

Figura\(\PageIndex{4}\): Alarma de luz.

Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

En ocasiones, es necesario cuadrar una señal de CA para su posterior procesamiento. Es decir, debemos convertirlo en una forma de onda de pulso equivalente. Un ejemplo de esto podría ser un contador de frecuencia. Un contador de frecuencia funciona contando el número de transiciones de alto a bajo o bajo a alto en la señal de entrada durante un período de tiempo específico. Para contar con precisión, se requieren buenas transiciones de borde. Debido a que una onda sinusoidal simple cambia relativamente lentamente en comparación con una onda cuadrada de igual frecuencia, algunas inexactitud pueden introducirse en las lecturas. Podemos convertir la entrada en una salida de tipo pulso haciéndola pasar por el comparador de la Figura\(\PageIndex{5}\). Tenga en cuenta que la señal de referencia es ajustable de −15 a +15 V. Normalmente, la referencia se establece para 0 V. Siempre que la entrada sea mayor que la referencia, la salida será saturación positiva. Cuando la entrada es menor que la referencia, la salida será saturación negativa. Al hacer la referencia ajustable, tenemos control sobre el ciclo de trabajo de salida, y también podemos compensar los desplazamientos de CC en la señal de entrada. Un conjunto típico de señales de entrada/salida se da en la Figura\(\PageIndex{6}\).

Figura\(\PageIndex{5}\): Circuito “Cuadrado”.

Figura\(\PageIndex{6}\): Salida del circuito “cuadrado”.

Hay algunas limitaciones con nuestro sencillo comparador de amplificador operacional. Para cambios de señal muy rápidos, un amplificador operacional típico no podrá rastrear con precisión su salida. Además, el rango de señal de salida es bastante amplio y es bipolar. No es en absoluto compatible con circuitos lógicos TTL normales. Se requiere un circuito limitador adicional para una interfaz adecuada. Para ayudar a reducir estos problemas, una serie de circuitos han sido especialmente optimizados para fines comparadores. Vamos a echar un vistazo más de cerca a algunos de ellos en el Capítulo Siete.