Explicación detallada de los circuitos comparadores
Explicación detallada de los circuitos comparadores
Tema de hoy: comparadores, su principio de funcionamiento y su sensibilidad.
I. ¿Qué es un comparador?
Un comparador tiene dos terminales de entrada de voltaje analógico, UIN+ y UIN−, y un terminal de salida de estado digital, UOUT. La salida tiene solo dos estados, que se utilizan para indicar el nivel de voltaje relativo entre las dos entradas:
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UH representa un nivel alto y UL un nivel bajo. Los valores de voltaje específicos dependen de la definición del sistema. En los sistemas digitales comunes, 3,3 V representa un nivel alto y 0 V un nivel bajo; en algunos sistemas, 12 V o 5 V representan un nivel alto y 0 V un nivel bajo.
La esencia de los niveles alto y bajo: niveles de voltaje que se pueden distinguir claramente.
Métodos para implementar un comparador:Comparador dedicado
Amplificador operacional utilizado como comparador (no recomendado)
II. Uso de un amplificador operacional como comparador
El uso de un amplificador operacional como comparador tiene limitaciones importantes y, por lo general, no se recomienda. En aplicaciones con requisitos bajos, se puede utilizar un amplificador operacional como comparador.
III. Comparador simple con amplificador operacional
1. Comparador ideal
Cuando se utiliza como comparador, un terminal de entrada suele conectarse a un voltaje fijo, llamado referencia, denotado como UREF. El otro terminal de entrada está conectado a la tensión medida uI, que se utiliza para evaluar la relación entre la tensión medida y la de referencia.
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La figura anterior muestra un amplificador operacional ideal y su relación entrada-salida. La salida solo tiene dos estados: UH y UL. Un comparador implementado con un amplificador operacional tiene una ganancia de lazo abierto extremadamente alta (no opera bajo realimentación negativa):
Cuando la tensión de entrada es mayor que la tensión de referencia, la diferencia multiplicada por la ganancia de lazo abierto generalmente supera la tensión de alimentación positiva, lo que provoca que la salida real del amplificador operacional se sature en la tensión de alimentación positiva (amplificador operacional de riel a riel).
Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de referencia, la diferencia (negativa) multiplicada por la ganancia de lazo abierto generalmente cae por debajo de la tensión de alimentación negativa, lo que provoca que la salida del amplificador operacional se sature en la tensión de alimentación negativa.
2. Comparador práctico
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La región roja discontinua de esta curva representa la zona de insensibilidad del comparador. Esto ocurre cuando la tensión de entrada está muy cerca de la tensión de referencia, momento en el que la salida se convierte en un valor indeterminado. Para un comparador compuesto por un amplificador operacional ideal, la zona de insensibilidad es cero.
Esto plantea una pregunta: ¿una zona de insensibilidad menor siempre es mejor? En otras palabras, ¿un comparador más sensible siempre es mejor?
IV. Sensibilidad de un comparador
Un comparador excesivamente sensible suele causar problemas en un sistema. Esto se debe a que las señales de entrada reales no son ideales; contienen ruido.
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Si se amplía la región azul de la figura, se observa que, en un comparador muy sensible, la señal de ruido fluctúa y suele caer por debajo del punto de referencia en ciertos momentos, lo que provoca que el comparador oscile. Esto genera numerosos pulsos de corta duración, como se muestra en la figura, que a menudo resultan imprecisos.
Por ejemplo, en algunos lugares existen restricciones de conteo de personas y se instalan transmisores y receptores infrarrojos en las entradas y salidas. Cada vez que una persona pasa, se genera un pulso. Sin embargo, la señal que llega al comparador contiene interferencias. Si entra una persona, pero como se muestra en la figura se generan siete pulsos, el sistema interpretaría erróneamente que han entrado siete personas.
Este problema puede solucionarse mediante software, evaluando la duración de los pulsos (los pulsos muy cortos no pueden corresponder a la entrada de una persona) y filtrando las interferencias. Otra alternativa es aplicar una comparación por histéresis en la etapa del circuito analógico.
Si la tensión de referencia se cambia de un valor a dos, el comparador deja de ser de umbral único. Un comparador con una sola tensión de referencia se denomina comparador de umbral único.
V. Comparador de histéresis
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Como se muestra, las dos líneas amarillas representan dos voltajes de referencia. Se observa que la señal de ruido dentro de la banda amarilla de la derecha se filtra. Si bien aún existe interferencia de ruido, el resultado es claramente mucho mejor que en el caso de un solo umbral. Cuanto más próximos estén estos dos voltajes de referencia, más se asemejará el comportamiento al de un comparador de un solo umbral.
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Principio: Cuando la tensión de entrada es suficientemente negativa, la tensión en la entrada negativa del amplificador operacional siempre es menor que la de la entrada positiva, por lo que la salida debe ser la tensión de alimentación positiva +VCC (aproximadamente). En este caso, la entrada positiva del amplificador operacional actúa como referencia de comparación, igual a kVCC:k = R1 / (R1 + R2)
A medida que la tensión de entrada aumenta gradualmente, el punto de operación se desplaza hacia la derecha a lo largo de la línea roja. Al llegar al punto B, la tensión de entrada supera kVCC. En ese momento, la tensión en la entrada positiva es menor que la de la entrada negativa, y la salida cambia a −VEE, es decir, cae bruscamente desde el punto B. Al mismo tiempo, la referencia de comparación cambia inmediatamente de kVCC a −kVEE. Esto significa que, incluso si la tensión de entrada experimenta un ligero cambio inverso, el comparador no volverá a su valor original.
En la figura: partiendo del punto A, la salida cambia en el punto B. Desde B hasta el punto C, la línea roja continúa hacia la derecha y luego regresa a lo largo de la línea verde hasta kVCC. El comparador no cambia y continúa a lo largo de la línea verde hasta llegar al punto D, donde finalmente regresa al punto A (de nuevo al nivel alto).
Extensión: El estado de salida de este comparador no solo está relacionado con el estado de entrada, sino también con el estado de salida actual. Esto provoca que la curva característica de voltaje de entrada-salida presente un bucle de histéresis, de ahí el nombre de comparador de histéresis.
Aunque un comparador de histéresis parece menos sensible, la ventaja es que solo una entrada clara y fuerte puede provocar un cambio en la salida, y una vez que cambia, se requiere una acción inversa fuerte para volver a su estado original.
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VI. Diferentes tipos de comparadores de histéresis
El circuito descrito anteriormente es solo un tipo de comparador de histéresis. Su característica de transferencia de voltaje gira en sentido horario y sus dos voltajes umbral son simétricos respecto a 0 V. Al introducir un voltaje de referencia UREF, se obtiene un comparador de uso más común.
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Análisis: Supongamos que el nivel alto de salida del amplificador operacional es UOH (para un amplificador operacional ideal, esto equivale a VCC) y el nivel bajo de salida es UOL. Para la señal de entrada, el circuito tiene dos puntos de conmutación: el superior se denomina UR+ y el inferior, UR−.
Sea k el coeficiente de retroalimentación positiva. Cuanto más cerca esté k de 1, mayor será la retroalimentación y más amplia la ventana de histéresis: k = R1 / (R1 + R2)
Cuando la salida está en un nivel alto, el punto de conmutación es:UR+ = UOH·k + UREF·(1 − k)
Cuando la salida está en un nivel bajo, el punto de conmutación es:UR− = UOL·k + UREF·(1 − k)
Si UOH = −UOL, es decir, la salida es simétrica, entonces:UR+ = (1 − k)·UREF + 0.5·UWD UR− = (1 − k)·UREF − 0.5·UWD
Aquí, UWD representa la amplitud de voltaje entre los dos umbrales de comparación, también llamada voltaje de ventana. UWD = UREF+ − UREF− = (VCC + VEE) · (R1 / (R1 + R2))
Extensión: Al seleccionar adecuadamente la estructura del circuito y los valores de las resistencias, se pueden implementar comparadores de histéresis que cumplan con requisitos de diseño específicos. Se pueden ajustar la dirección de la histéresis, el umbral central y la tensión de la ventana del umbral.
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VII. Simulación TINA-TI
1. Comparador de cruce por cero
Una fuente de ruido VG2 se superpone a la fuente de señal VG1:
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Forma de onda:
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Vista ampliada del punto de cruce por cero:
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2. Comparador de cruce por cero con histéresis
Histéresis añadida:
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Forma de onda:
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Vista ampliada del punto de cruce por cero:
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VIII. Características (Desventajas)
La salida del amplificador operacional depende de la tensión de alimentación y puede no coincidir con los niveles lógicos digitales.
Los amplificadores operacionales presentan un tiempo de recuperación de sobrecarga considerable, lo cual resulta desfavorable para operaciones de alta velocidad.
Los amplificadores operacionales tienen una sensibilidad excesivamente alta.
IX. Comparadores específicos (Comparadores prácticos)
A continuación se muestra la hoja de datos del LM311/LM111:
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Simulación DYE-TI:
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Forma de onda:
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Tema de hoy: comparadores, su principio de funcionamiento y su sensibilidad.
I. ¿Qué es un comparador?
Un comparador tiene dos terminales de entrada de voltaje analógico, UIN+ y UIN−, y un terminal de salida de estado digital, UOUT. La salida tiene solo dos estados, que se utilizan para indicar el nivel de voltaje relativo entre las dos entradas:
UH representa un nivel alto y UL un nivel bajo. Los valores de voltaje específicos dependen de la definición del sistema. En los sistemas digitales comunes, 3,3 V representa un nivel alto y 0 V un nivel bajo; en algunos sistemas, 12 V o 5 V representan un nivel alto y 0 V un nivel bajo.
La esencia de los niveles alto y bajo: niveles de voltaje que se pueden distinguir claramente.
Métodos para implementar un comparador:Comparador dedicado
Amplificador operacional utilizado como comparador (no recomendado)
II. Uso de un amplificador operacional como comparador
El uso de un amplificador operacional como comparador tiene limitaciones importantes y, por lo general, no se recomienda. En aplicaciones con requisitos bajos, se puede utilizar un amplificador operacional como comparador.
III. Comparador simple con amplificador operacional
1. Comparador ideal
Cuando se utiliza como comparador, un terminal de entrada suele conectarse a un voltaje fijo, llamado referencia, denotado como UREF. El otro terminal de entrada está conectado a la tensión medida uI, que se utiliza para evaluar la relación entre la tensión medida y la de referencia.
La figura anterior muestra un amplificador operacional ideal y su relación entrada-salida. La salida solo tiene dos estados: UH y UL. Un comparador implementado con un amplificador operacional tiene una ganancia de lazo abierto extremadamente alta (no opera bajo realimentación negativa):
Cuando la tensión de entrada es mayor que la tensión de referencia, la diferencia multiplicada por la ganancia de lazo abierto generalmente supera la tensión de alimentación positiva, lo que provoca que la salida real del amplificador operacional se sature en la tensión de alimentación positiva (amplificador operacional de riel a riel).
Cuando la tensión de entrada es menor que la tensión de referencia, la diferencia (negativa) multiplicada por la ganancia de lazo abierto generalmente cae por debajo de la tensión de alimentación negativa, lo que provoca que la salida del amplificador operacional se sature en la tensión de alimentación negativa.
2. Comparador práctico
La región roja discontinua de esta curva representa la zona de insensibilidad del comparador. Esto ocurre cuando la tensión de entrada está muy cerca de la tensión de referencia, momento en el que la salida se convierte en un valor indeterminado. Para un comparador compuesto por un amplificador operacional ideal, la zona de insensibilidad es cero.
Esto plantea una pregunta: ¿una zona de insensibilidad menor siempre es mejor? En otras palabras, ¿un comparador más sensible siempre es mejor?
IV. Sensibilidad de un comparador
Un comparador excesivamente sensible suele causar problemas en un sistema. Esto se debe a que las señales de entrada reales no son ideales; contienen ruido.
Si se amplía la región azul de la figura, se observa que, en un comparador muy sensible, la señal de ruido fluctúa y suele caer por debajo del punto de referencia en ciertos momentos, lo que provoca que el comparador oscile. Esto genera numerosos pulsos de corta duración, como se muestra en la figura, que a menudo resultan imprecisos.
Por ejemplo, en algunos lugares existen restricciones de conteo de personas y se instalan transmisores y receptores infrarrojos en las entradas y salidas. Cada vez que una persona pasa, se genera un pulso. Sin embargo, la señal que llega al comparador contiene interferencias. Si entra una persona, pero como se muestra en la figura se generan siete pulsos, el sistema interpretaría erróneamente que han entrado siete personas.
Este problema puede solucionarse mediante software, evaluando la duración de los pulsos (los pulsos muy cortos no pueden corresponder a la entrada de una persona) y filtrando las interferencias. Otra alternativa es aplicar una comparación por histéresis en la etapa del circuito analógico.
Si la tensión de referencia se cambia de un valor a dos, el comparador deja de ser de umbral único. Un comparador con una sola tensión de referencia se denomina comparador de umbral único.
V. Comparador de histéresis
Como se muestra, las dos líneas amarillas representan dos voltajes de referencia. Se observa que la señal de ruido dentro de la banda amarilla de la derecha se filtra. Si bien aún existe interferencia de ruido, el resultado es claramente mucho mejor que en el caso de un solo umbral. Cuanto más próximos estén estos dos voltajes de referencia, más se asemejará el comportamiento al de un comparador de un solo umbral.
Principio: Cuando la tensión de entrada es suficientemente negativa, la tensión en la entrada negativa del amplificador operacional siempre es menor que la de la entrada positiva, por lo que la salida debe ser la tensión de alimentación positiva +VCC (aproximadamente). En este caso, la entrada positiva del amplificador operacional actúa como referencia de comparación, igual a kVCC:k = R1 / (R1 + R2)
A medida que la tensión de entrada aumenta gradualmente, el punto de operación se desplaza hacia la derecha a lo largo de la línea roja. Al llegar al punto B, la tensión de entrada supera kVCC. En ese momento, la tensión en la entrada positiva es menor que la de la entrada negativa, y la salida cambia a −VEE, es decir, cae bruscamente desde el punto B. Al mismo tiempo, la referencia de comparación cambia inmediatamente de kVCC a −kVEE. Esto significa que, incluso si la tensión de entrada experimenta un ligero cambio inverso, el comparador no volverá a su valor original.
En la figura: partiendo del punto A, la salida cambia en el punto B. Desde B hasta el punto C, la línea roja continúa hacia la derecha y luego regresa a lo largo de la línea verde hasta kVCC. El comparador no cambia y continúa a lo largo de la línea verde hasta llegar al punto D, donde finalmente regresa al punto A (de nuevo al nivel alto).
Extensión: El estado de salida de este comparador no solo está relacionado con el estado de entrada, sino también con el estado de salida actual. Esto provoca que la curva característica de voltaje de entrada-salida presente un bucle de histéresis, de ahí el nombre de comparador de histéresis.
Aunque un comparador de histéresis parece menos sensible, la ventaja es que solo una entrada clara y fuerte puede provocar un cambio en la salida, y una vez que cambia, se requiere una acción inversa fuerte para volver a su estado original.
VI. Diferentes tipos de comparadores de histéresis
El circuito descrito anteriormente es solo un tipo de comparador de histéresis. Su característica de transferencia de voltaje gira en sentido horario y sus dos voltajes umbral son simétricos respecto a 0 V. Al introducir un voltaje de referencia UREF, se obtiene un comparador de uso más común.
Análisis: Supongamos que el nivel alto de salida del amplificador operacional es UOH (para un amplificador operacional ideal, esto equivale a VCC) y el nivel bajo de salida es UOL. Para la señal de entrada, el circuito tiene dos puntos de conmutación: el superior se denomina UR+ y el inferior, UR−.
Sea k el coeficiente de retroalimentación positiva. Cuanto más cerca esté k de 1, mayor será la retroalimentación y más amplia la ventana de histéresis: k = R1 / (R1 + R2)
Cuando la salida está en un nivel alto, el punto de conmutación es:UR+ = UOH·k + UREF·(1 − k)
Cuando la salida está en un nivel bajo, el punto de conmutación es:UR− = UOL·k + UREF·(1 − k)
Si UOH = −UOL, es decir, la salida es simétrica, entonces:UR+ = (1 − k)·UREF + 0.5·UWD UR− = (1 − k)·UREF − 0.5·UWD
Aquí, UWD representa la amplitud de voltaje entre los dos umbrales de comparación, también llamada voltaje de ventana. UWD = UREF+ − UREF− = (VCC + VEE) · (R1 / (R1 + R2))
Extensión: Al seleccionar adecuadamente la estructura del circuito y los valores de las resistencias, se pueden implementar comparadores de histéresis que cumplan con requisitos de diseño específicos. Se pueden ajustar la dirección de la histéresis, el umbral central y la tensión de la ventana del umbral.
VII. Simulación TINA-TI
1. Comparador de cruce por cero
Una fuente de ruido VG2 se superpone a la fuente de señal VG1:
Forma de onda:
Vista ampliada del punto de cruce por cero:
2. Comparador de cruce por cero con histéresis
Histéresis añadida:
Forma de onda:
Vista ampliada del punto de cruce por cero:
VIII. Características (Desventajas)
La salida del amplificador operacional depende de la tensión de alimentación y puede no coincidir con los niveles lógicos digitales.
Los amplificadores operacionales presentan un tiempo de recuperación de sobrecarga considerable, lo cual resulta desfavorable para operaciones de alta velocidad.
Los amplificadores operacionales tienen una sensibilidad excesivamente alta.
IX. Comparadores específicos (Comparadores prácticos)
A continuación se muestra la hoja de datos del LM311/LM111:
Simulación DYE-TI:
Forma de onda:
08 Apr 2026
