CENTRO TECNOLÓGICO ESTADUAL PAROBÉ CURSO DE ELETRÔNICA SISTEMAS ANALÓGICOS Prática: 4 Assunto: Amplificador Operacional - Parte IV Objetivos: Montar e testar as configurações de comparadores. Material necessário: Resistores diversos, potenciômetro de 10kΩ, CI 741, CI 339, led, diodo 1N 4148, gerador de sinais, fonte simétrica e osciloscópio. Elaboração: Carla e Jorge Henrique COMPARADORES São circuitos que se destinam a comparar dois sinais entre si. Normalmente um destes sinais é uma tensão de referência, e o outro é o sinal do monitoramento de uma variável, muitas vezes proveniente de um sensor. A resposta a essa comparação gera na saída do comparador um resultado binário, saturação positiva (nível alto), ou saturação negativa (nível baixo). Basicamente, há dois tipos de comparadores, os comparadores de malha aberta e os comparadores de malha fechada. Algumas configurações básicas são o objeto do estudo deste material. Comparador em Malha Aberta 1. Configurações com Amplificador Operacional (741) 1.1 Comparador não Inversor O sinal a ser comparado é aplicado na entrada não inversora do operacional e a referência é o terra (entrada inversora). Observando o circuito pode-se notar que devido à falta de realimentação negativa, malha aberta, não há controle do ganho do operacional, assim a saída satura, positivamente ou negativamente, conforme a entrada é maior ou menor que a referência. Colocando a relação entre Vi e Vo sob a forma de gráfico, temos a chamada Função de Transferência do comparador ideal. Amplificador Operacional Parte IV 1 de 6
Pelo gráfico observa-se que a saída apresenta uma mudança de estado quando o sinal passa por zero ou, matematicamente: Vo = { + Vsat quando Vi > 0 - Vsat quando Vi < 0 Podemos também representar o comportamento do comparador através das formas de onda da entrada e saída. Se, por exemplo, aplicarmos um sinal senoidal na entrada vi, temos: 1.2 Comparador Inversor Utilizando o mesmo raciocínio para o comparador inversor, obtêm-se: vo = { + Vsat quando vi < 0 - Vsat quando vi > 0 Amplificador Operacional Parte IV 2 de 6
Os dois comparadores vistos acima tinham como referência um sinal nulo, pois esta estava conectada ao terra. Se utilizarmos referência não nula, o comparador agora simplesmente vai mudar o ponto de comutação da saída, e isto será visto na parte prática. Tarefas: 1) Comparador com tensão de referência zero 1. Montar os dois próximos circuitos, aplicando em vi: a) 5 VCC; b) Onda senoidal de 5Vpp / 1KHz. 2. Observar as formas de onda da saída e da entrada, bem como a função de transferência; 3. Desenhar as formas de onda sincronizadas e a função de transferência. 2) Comparador com tensão de referência diferente de zero 1. Montar o circuito a seguir: 2. Medir a tensão de referência (entrada não inversora do operacional); 3. Atuar no potenciômetro e observar o que ocorre com o led; 4. Baseado no comportamento do led, explicar o comportamento do circuito. 5. Montar o circuito abaixo: 6. Injetar em vi um sinal senoidal de 5 VPP / 1KHz; 7. Observe as formas de onda da saída e da entrada, bem como a função de transferência; 8. Desenhar as formas de onda sincronizadas. 2. Configurações com CI Comparador (339) O CI 741, apesar de ser um amplificador operacional, pode ser utilizado na configuração de comparador, conforme visto anteriormente, mas devido a características de Amplificador Operacional Parte IV 3 de 6
seu circuito interno, o mesmo não apresenta transição suficientemente rápida na saída. Devido a isto, foram criados CI s especialmente para esta função, que são mais rápidos na troca de nível. Um modelo bastante utilizado é o CI 339. Abaixo vemos a configuração de um comparador não inversor que utiliza o CI 339. Note que na saída do comparador temos um resistor chamado de Rpull-up, ele é necessário porque o 339, assim como outros CI s comparadores, possuem a saída em coletor aberto. Essa característica também pode tornar o comparador compatível com famílias lógicas TTL e CMOS, graças à possibilidade de ligação da tensão +V a um potencial diferente da polarização do circuito integrado. Tarefas: 1. Montar o comparador a seguir: 2. Injetar na entrada Vi uma tensão senoidal de 5Vpp / 1KHz; 3. Observar com o osciloscópio as tensões de entrada Vi e de saída Vo; 4. Desenhar as formas de onda sincronizadas; 5. Repetir os itens 2. e 3. para o comparador abaixo: 6. Observar as diferenças entre os dois comparadores. 3. Comparador de Janela Como visto anteriormente, um comparador comum indica quando a tensão de entrada excede um certo limite (tensão de referência), fornecendo em sua saída nível alto ou baixo. Já um comparador de janela, detecta quando a tensão de entrada situa-se entre dois limites (duas referências), fornecendo em sua saída nível alto apenas nesta situação. Devido a essa característica, a sua função de transferência apresenta-se sob a forma de janela, daí o seu nome. Amplificador Operacional Parte IV 4 de 6
A seguir temos um circuito comparador de janela: Tarefa: 1. Montar o circuito acima; 2. Medir os valores das tensões de referência Vref 1 e Vref 2; 3. Injetar na entrada Vi um sinal alternado do maior valor de amplitude que você obtiver; 4. Observar e desenhar as formas de onda de Vi e Vo sincronizadas. Comparador em Malha Fechada O comparador em malha fechada, ou Schimitt-Trigger como também é conhecido, diferencia-se dos anteriores por apresentar no mesmo ponto de referência dois valores diferentes de tensões. Este deslocamento, gerado por duas tensões de referência, garante a este tipo de comparador maior imunidade a ruído do que os comparadores anteriores. 1.1 Comparador Inversor Tarefa: 1. Montar o circuito a seguir: 2. Injetar na entrada Vi um sinal de 5Vpp / 1KHz; 3. Observar a forma de onda na entrada não inversora do 339; 4. Observar e desenhar as formas de onda de Vi e de Vo sincronizadas. Amplificador Operacional Parte IV 5 de 6
1.2 Comparador não Inversor Tarefa: 1. Pesquisar e reproduzir o esquema elétrico do comparador não inversor em malha fechada; 2. Obter as curvas e equações do circuito. Amplificador Operacional Parte IV 6 de 6