Introducere. Tipuri de comparatoare.

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II) 2. Circuite analogice de comutaţie. Circuitele cu funcţionare în regim de comutaţie au două stări stabile între care suferă o trecere rapidă : o stare de conducţie şi o stare de blocare. Circuitele pot fi folosite pentru controlul unor semnale de transmis care să fie digitale (având doar două valori discrete posibile la intrare) sau analogice (când semnalele la intrare variază în mod continuu). În cele ce urmează se vor studia circuitele de comutaţie analogice care sunt şi ele de două tipuri : a) circuite comparatoare: la care chiar semnalul aplicat la intrare, prin nivelul său, provoacă comutarea ieşirii într-o anumită stare; b) comutatoare analogice: la care semnalele aplicate în intrări (circuitul având de regulă mai multe intrări) sunt transmise la ieşire sau blocate, în funcţie de comanda aplicată asupra unei intrări speciale (numită intrare de comandă). 2.1. Comparatoare de tensiune. 2.1.1. Introducere. Tipuri de comparatoare. Comparatorul de tensiune este un circuit, care are două intrări şi o ieşire, având structura unui AO fără reacţie. Pe una din intrări se aplică o tensiune fixă, denumită tensiune de prag V P, iar pe cealaltă intrare se aplică o tensiune care este comparată cu V P. În urma comparaţiei stabileşte una din cele două valori posibile la ieşire: v in v in V 0 v V P 0 0 01 V 0 v V P 02 (2.1) Se constată că pentru vin VP starea ieşirii este nedefinită şi această situaţie nu trebuie să apară. De obicei se aplică o reacţie care modifică la comutarea circuitului nivelul V P. 89

CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE După modul în care se aplică la intrări cele două tensiuni care se compară pot fi : 1) Comparator neinversor la care v in se aplică pe intrarea neinversoare iar V P pe intrarea inversoare. vin VP v0 V0S (2.2) vin VP v0 V0J unde V 0 S este nivelul înalt al tensiunii de ieşire, V 0 J este nivelul coborât al tensiunii de ieşire În cele mai multe cazuri comparatorul este alimentat, ca şi AO, cu tensiune dublă simetrică Vcc, V cc. În aceste cazuri V 0 S este egal aproximativ cu Vcc, iar V 0 J este egal cu aproximativ Vcc. În fig. 2.1. se prezintă schema de principiu a unui comparator neinversor şi caracteristica de transfer. Fig.2.1.Schema de principiu a unui comparator neinversor şi caracteristica de transfer în cazul alimentării simetrice. 2) Comparator inversor la care v in se aplică pe intrarea inversoare iar V P pe intrarea neinversoare. În acest caz : 90

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II) vin VP v0 V0V v (2.3) in VP v0 V unde explicaţiile pentru mărimile notate au fost prezentate anterior. Cele două tipuri de comparatoare descrise se numesc cu intrare diferenţială, tensiunile de comparat fiind aplicate pe intrări diferite. Este posibil ca cele două tensiuni să fie aplicate pe aceeaşi intrare, caz în care comparatorul se numeşte cu intrare sumatoare, iar tensiunile de comparat trebuie să aibă semne opuse. În forma lui cea mai simplă un comparator este capabil să formeze un semnal logic. În fig.2.2.se prezintă acţiunea comparatorului din fig.2.1. asupra unui semnal cu variaţie analogică. os Fig.2.2.Acţiunea comparatorului neinversor diferenţial asupra unui semnal analogic. 3) Comparator cu fereastră. Comparatorul cu fereastră este folosit pentru a stabili dacă tensiunea de intrare se află în interiorul sau în exteriorul unui domeniu ales. În fig.2.3. se prezintă schema bloc a acestui circuit care conţine două comparatoare. Pe intrarea neinversoare a comparatorului C se aplică nivelul de comparaţie coborât V, iar pe intrarea 1 inversoare a comparatorului C 2 se aplică nivelul de comparaţie ridicat PJ 91

CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE V PS. Prin modul de conectare al diodelor D 1 şi D 2 tensiunea de ieşire v 0 va fi nulă în interiorul ferestrei şi maximă în exteriorul ei. Fig.2.3. Comparator cu fereastră şi caracteristica de transfer. 4) Comparator cu histerezis. În funcţionarea comparatoarelor de tensiune apar două probleme : Comutarea ieşirii de la nivelul de jos la cel de sus se face într-un timp finit dat de viteza de variaţie a semnalului aplicat la intrare şi de viteza de creştere a comparatorului (SR slew rate). La acest timp se adaugă şi durata necesară trecerii comparatorului din regiunea de saturaţie în regiunea liniară de funcţionare. Dacă semnalul de intrare trece lent prin valoarea tensiunii de prag stabilită şi suplimentar apar chiar zgomote în circuit atunci starea ieşirii devine incertă şi apar basculări între cele două nivele. Comparatorul cu histerezis reduce efectele prezentate prin structura sa care are prevăzută o reacţie pozitivă care creşte amplificarea circuitului peste limita de stabilitate provocând o comutare prin avalanşă, proces care continuă chiar dacă dispare cauza. Se obţin două mari avantaje: a) creşte viteza de comutare, bascularea devine independentă de viteza semnalului aplicat la intrare şi este limitată doar de rata de creştere a AO cu care este realizat comparatorul; b) răspunsul ieşirii comparatorului este sigur,chiar la viteze lente de variaţie a semnalului la intrare şi în prezenţa zgomotelor, deoarece 92

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II) comutările au loc la valori de prag diferite între care apare o tensiune de histerezis. În fig.2.4. se prezintă schema electrică a unui comparator inversor cu histerezis. Tensiunea de prag se obţine din tensiunea de ieşire prin divizorul realizat cu rezistoarele R şi R. Tensiunea de ieşire are valorile V 0 S şi V 0 J astfel că vor rezulta două valori pentru tensiunea de prag date de relaţiile: VPJ V0J R R f f R (2.4) R (2.5) VPS V0S R R f Fig.2.4. Schema electrică a unui comparator inversor cu histerezis. În fig.2.5. este dată caracteristica de transfer a comparatorului cu histerezis din fig.2.4. La creşterea tensiunii de intrare tensiunea de ieşire evoluează pe curba 1-2-3-4 având iniţial nivelul V 0 S care se menţine până la V PS, iar la scăderea tensiunii pe intrare de la un nivel superior lui V PS, tensiunea de ieşire evoluează pe curba 4-3 -2-1, fiind la nivelul până ce tensiunea de intrare coboară sub nivelul V PJ. 93 V 0 J

CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE Nivelele de prag pot fi modificate prin acţionarea rezistorului semireglabil R. Fig.2.5.Caracteristica de transfer a circuitului din fig.2.4. Acest mod de realizare a tensiunilor de prag conduce la o funcţionare în jurul originii axelor. În fig.2.6. se prezintă o variantă de comparator care realizează acelaşi domeniu pentru histerezis dar tensiunile de prag sunt ambele pozitive. Fig.2.6. Comparator cu histerezis la care tensiunile de prag sunt ambele pozitive. Montajul este capabil sa urmărească evoluţia unei mărimi si să semnalizeze iesirea din domeniul acceptat putând comanda elementele de reglaj în aşa fel încât să o menţină în "fereastră". 94

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II) Fig.2.7. Caracteristica de transfer a circuitului din fig.2.6. 2.1.2. Aplicaţii ale comparatoarelor. Cele mai multe aplicaţii ale comparatoarelor utilizează comparatoare integrate. Un comparator tipic este circuitul LM339 ale cărui caracteristici sunt prezentate la sfârşitul acestui capitol. O particularitate este tranzistorul de ieşire cu colectorul în gol care necesită conectarea unei rezistenţe externe de sarcină la o tensiune pozitivă, de regulă tensiunea Vcc care alimentează circuitul. În fig. 2.8. se prezintă schema unui comparator neinversor realizat cu LM339 (1/4 din capsula care conţine 4 comparatoare identice). Fig.2.8. Schema unui comparator neinversor realizat cu LM339. 95

CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE 1) Formarea semnalelor dreptunghiulare din semnale analogice. O astfel de transformare este prezentată în fig.2.2. Dacă intrarea inversoare a unui comparator neinversor este ţinută la zero, la ieşire vor fi obţinute impulsuri dreptunghiulare de tensiune care au acelaşi sens cu tensiunea de intrare, realizându-se un detector de trecere prin zero. În fig.2.9. se prezintă diagramele de funcţionare ale unui astfel de circuit. Fig.2.9. Diagramele de funcţionare ale unui detector de trecere prin zero. 2) Comparatorul cu fereastră este un circuit utilizat la supravegherea unei mărimi electrice. Dacă tensiunea de intrare se află în interiorul "ferestrei" dioda LED este aprinsă (fig.2.10.). Fig.2.10. Realizarea unui comparator cu fereastră cu indicator optic. 96

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II) Un astfel de circuit permite sortarea automată a componentelor electronice în liniile de producţie industriale. 3) Conversia analog-digitală şi digital-analogică a semnalelor reprezintă o categorie specială a aplicaţiilor specifice comparatoarelor. Aceste aspecte vor fi discutate în capitolul 4. 2.1.3. Comparatorul LM339. Unul dintre cele mai utilizate comparatoare integrate este LM339. Circuitul conţine 4 comparatoare care au fiecare o schemă electrică ca în fig.2.11. Fig.2.11. Schema electrică a unuia din cele patru comparatoare conţinute în circuitul LM339 produs de ST MICROELECTRONICS. Se observă că pentru a funcţiona, comparatorul trebuie conectat cu terminalul de ieşire la +V cc printr-un rezistor. Aceasta este o structură numită cu colectorul în gol care permite alegerea optimă a rezistorului de sarcină în funcţie de aplicaţie. 97

CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE Caracteristici electrice principale ale circuitului LM339ST. Simbol Parametrul Valori Unitati V cc Tensiune de alimentare ±18 +36 V V id Tensiune diferenţială de intrare ±36V V V i Tensiune de intrare -0,3 +36 V t r Timp de răspuns (R s = 5,1KΩ) 1,3 μs P d Putere disipată DIP14 SO14 TSSOP14 1500 830 710 mw T stg Temperatură de stocare -65 +150 T j Temperatura joncţiunii +150 0 C 0 C Fig.2.12. Schema de conexiune a terminalelor la LM339-ST 2.2. Comutatoare analogice. 2.2.1. Introducere. Un circuit de comutare analogică este în principiu un "întrerupător electronic" comandat care permite sau nu permite trecerea semnalului de la intrare la ieşire. Există foarte multe aplicaţii ale comutatoarelor analogice din care pot fi enumerate: multiplexoare şi demultiplexoare analogice; modulatoare de tip chopper (tocător); circuite de eşantionare şi memorare; divizoare de tensiune programabile; circuite de conversie A/N şi N/A; generarea de semnale. 98

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II) Un comutator electronic trebuie să satisfacă câteva cerinţe: 1) Să aibă o rezistenţă echivalentă redusă în regim de conducţie de ordinul 10 100 (de ex. la MMC 4066 r ON 80 ) ; 2) Să prezinte o rezistenţă foarte mare în starea de blocare 9 ( r OFF 10 ) ; 3) Să nu existe cuplaj între circuitul de comandă şi calea comandată ; 4) Să aibă o liniaritate bună în raport cu nivelul semnalului transmis:max 0,5% distorsiuni la nivelul maxim de intrare ; 5) Timp de răspuns scurt la tensiunea de comandă. În cazul existenţei a mai multe canale f 10MHz ; 6) Rezistenţe în starea de conducţie cât mai apropiate. În cazul existenţei a mai multe canale r ON 5 ; 7) Diafonie (cuplaj) cât mai redus între comutatoare (crosstalk): - 50dB tipic. Comutatoarele analogice pot comuta fie tensiunea, fie curentul. A) Comutarea tensiunii se poate face utilizând schemele de principiu din fig.2.11. în care comutatorul este reprezentat ca un element "mecanic", comandat de o tensiune dreptunghiulară. Fig.2.13. Comutatoare analogice de tensiune : a) tip serie ; b) tip serie- paralel. Condiţia este ca la ieşire, în momentul închiderii comutatorului tensiunea v 0 să fie identică cu v in. B) Comutarea curentului poate fi realizată prin schemele de principiu din fig.2.12. 99

CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE Fig.2.14. Comutatoare analogice de curent : a) tip paralel ; b) tip paralel-serie. Curentul de ieşire este identic cu curentul de intrare independent de valoarea sarcinii. 2.2.2. Realizarea circuitelor comutatoare analogice. Comutatoarele analogice pot fi realizate prin utilizarea unor dispozitive active "clasice" ca : diodele, tranzistoarele bipolare şi tranzistoarele cu efect de câmp. În continuare se vor analiza variante de comutare cu tranzistoare cu efect de câmp care realizează în prezent cele mai performante circuite de comutare. În fig.2.15. se prezintă schema unui comutator analogic de tensiune tip serie realizat cu TECJ cu canal n. Dacă tensiunea de comandă, care se aplică între grila şi sursa tranzistorului, este negativă şi mai mare decât tensiunea de prag, V P, tranzistorul este blocat şi nu permite trecerea semnalului de intrare vin spre ieşire. Dacă tensiunea de comandă aduce tensiunea între grila şi sursa tranzistorului la zero, atunci tranzistorul intră în conducţie, iar semnalul de intrare v in este transmis la ieşire. Dezavantajul acestui circuit este cuplajul de nivel între tensiunea de comandă şi tensiunea de intrare care impune anumite condiţii de lucru. 100

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II) Fig.2.15. Comutator analogic cu tranzistor TECJ canal n. Există pericolul ca pentru a aduce tranzistorul în conducţie, tensiunea grilă-sursă să devină pozitivă, ceea ce înseamnă absorbţie de curent în circuitul de grilă şi cuplajul nepermis cu semnalul de intrare. Comutatorul cu TECMOS este cea mai utilizată variantă de circuit, realizând caracteristici deosebite. Se apelează la proprietatea de izolare totală a grilei faţă de canal, indiferent de polaritatea tensiunii aplicate acesteia faţă de sursă. Pentru a se asigura o excursie mare a tensiunii de intrare, atât la valori pozitive cât şi la valori negative faţă de masă, se utilizează o structură formată din două tranzistoare TECMOS complementare conectate în paralel, unul tip n şi celălalt tip p, realizându-se o structură de tip CMOS. În fig.2.16. este prezentată o astfel de poartă de transmisie (comutator CMOS - transmission gate). Fig.2.16. Poarta de transmisie CMOS şi simbolul acesteia. 101

CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE Poarta CMOS este deschisă când intrarea de control A este la nivelul de sus V DD şi intrarea A este la nivelul de jos V SS. În acest caz rezistenţa serie între intrare şi ieşire este foarte mică, ceea ce înseamnă că poarta este în conducţie. Dacă intrarea de control A este în starea de jos V SS iar A este la nivelul de sus V DD, poarta ajunge în stare de blocare având o rezistenţă intrare-ieşire foarte mare 9 ( r OFF 10 ). Poarta de transmisie CMOS prezentată este simetrică din punct de vedere al transmisiei semnalului. 2.2.3. Aplicaţii ale comutatoarelor analogice. A. Multiplexoare şi demultiplexoare analogice. În circuitele electronice apare necesitatea ca un anumit bloc să fie conectat succesiv la diferite surse de semnal fără ca acestea să se influenţeze. Metoda utilizată este divizarea în timp, adică folosirea pe rând a resurselor blocului de către fiecare din semnale un interval de timp. Un ciclu de funcţionare va avea o durată n, dacă numărul total de semnale este n. Acesta este procesul de multiplexare analogică în domeniul timp. Procesul complementar este demultiplexarea analogică în care n semnale care ajung prin aceeaşi linie sunt ghidate succesiv către n ieşiri. În fig.2.17. se prezintă schema bloc a unui multiplexor analogic. Acesta are n intrări la care se aplică simultan semnalele şi n intrări de comandă care pot comuta câte o intrare la ieşirea comună. Multiplexorul este astfel comandat încât la un moment dat numai o singură intrare este conectată la ieşire. 102

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II) Fig.2.17. Schema bloc a unui multiplexor analogic cu n intrări. În fig.2.18. este prezentată schema bloc a unui demultiplexor analogic cu m ieşiri. Fiind conectat cu intrarea la o linie (cale) de capacitate ridicată prin care circulă m semnale decalate în timp, multiplexorul este capabil să le dirijeze succesiv către cele m ieşiri ale sale. Desigur că pentru o funcţionare corectă trebuie să existe un sistem de sincronizare care să aplice la momentul potrivit comanda asupra celor m comutatoare. Circuitele de multiplexare şi demultiplexare analogică au numeroase aplicaţii dintre care : Comutatoare analogice audio care schimbă sursa de semnal conectată către amplificatorul de putere; Selectoare pentru programul recepţionat în sistemele audio-video (comandă acordul electronic prin diode VARACTOR) ; Reglarea nivelului de tensiune prin comutarea unor reţele de rezistoare în mod controlat ; Sisteme de achiziţii de date cu multe canale ; Transmisia analogică de date prin multiplexare. 103

CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE Fig.2.18. Schema bloc a unui demultiplexor analogic cu m ieşiri. B. Circuite de eşantionare şi memorare.(s/h - sample and hold) Unui circuit S/H i se aplică un semnal analogic pe care acesta îl urmăreşte (eşantionează) şi la momente de timp convenabil alese extrage eşantioane de nivel pe care le memorează. Circuitul are deci două etape în funcţionare: 1) faza de eşantionare (urmărire),s, în care semnalul de la ieşire reproduce semnalul de la intrare ; 2) faza de memorare,h, când semnalul de la ieşire este constant şi egal cu valoarea avută în faza de eşantionare la aplicarea comenzii de memorare. Un circuit S/H este prezentat în fig.2.18. Este format dintr-un comutator analogic de tensiune serie şi un condensator C care realizează memorarea nivelului în faza H. Când comutatorul K este închis se obţine v0 vin, iar capacitatea se încarcă la această tensiune. La deschiderea comutatorului condensatorul C rămâne încărcat la ultima valoare. 104

FLORIN MIHAI TUFESCU DISPOZITIVE ŞI CIRCUITE ELECTRONICE (II) Fig.2.19. Descrierea procesului de eşantionare şi memorare. În funcţionarea circuitelor S/H apar limitări legate de viteza de urmărire a semnalului de ieşire faţă de cel aplicat la intrare şi de durata memorării în condensator, fiind necesar un condensator cu pierderi foarte mici. Apar două constante de timp: a) constanta de timp de intrare i R i C care este de dorit să fie cât mai mică pentru a creşte viteza de urmărire şi b) constanta de timp de ieşire 0 R S C care trebuie să fie cât mai mare pentru a permite o memorare de durată acceptabilă. Pentru îmbunătăţirea performanţelor se pot utiliza repetoare cu AO ca în fig.2.21. Fig.2.20. Schema electrică de principiu a unui circuit S/H. 105

CIRCUITE ANALOGICE DE COMUTAŢIE Fig.2.21. Circuit S/H cu performanţe îmbunătăţite utilizând 2 AO. Principala aplicaţie a circuitelor de eşantionare şi memorare este în conversia analog-digitală a semnalelor,ca circuite ce se află înaintea convertorului analog-digital pentru a aplica acestuia o tensiune constantă pe durata efectuării conversiei. Fig. 2.22. Schema unui circuit S/H cu TECJ şi AO LM116. 106