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Comparatori e Amplificatori Operazioniali: le differenze

Amp op

Amplificatori e comparatori presentano lo stesso simbolo elettrico e gli amplificatori possono essere usati anche come comparatori. A livello scolastico, in genere, vengono proposti per lo studio solo gli amplificatori operazionali, che possono svolgere funzioni sia da amplificatori che da comparatori. A livello professionale, però, ci sono delle considerazioni da fare. I comparatori sono degli amplificatori operazionali (op amp) specifici per essere utilizzati appunto come comparatori.

Che cos'è un comparatore e come differisce da un op-amp

La funzione base di un comparatore è quella di determinare se una tensione di input è più alta o più bassa di una tensione di riferimento. In teoria, ogni ogni amplificatore high-gain può essere usato per prendere questa semplice decisione, ma ci sono alcune differenze di base tra i dispositivi progettati come op amp e quelli progettati per essere usati come comparatori.
Per esempio, molti comparatori utilizzati nei circuiti digitali presentano dei latch sulle uscite e sono progettati per avere livelli di output compatibili con i livelli di tensione definiti dalle specifiche digitali. Ci sono anche altre differenze, importanti per i progettisti, ne parleremo di seguito.

In cosa differiscono amplificatori e comparatori

Un amplificatore operazionale è ottimizzato per fornire accuratezza e stabilità (sia DC che dinamica) per uno specifico range lineare di valori di output, in circuiti closed-loop. Basso offset, basso drift e ridotta corrente di bias sono parametri essenziali per un amplificatore. Tuttavia, quando un amplificatore open-loop viene utilizzato come comparatore, con i suoi output che oscillano tra i loro limiti, la sua capacità interna di compensazione, che si utilizza per fornire stabilità dinamica, causa un rallentamento dell'output nell'uscire fuori dalla saturazione. I comparatori, invece, sono di solito progettati per operare in open-loop, con output che oscillano tra limiti di tensione superiori o inferiori specificati.

Essi non richiedono i condensatori di compensazione di un op-amp e quindi possono essere abbastanza veloci.
Se la tensione di input verso un comparatore è maggiore (più positiva) della tensione di riferimento più l'offset Vos (con riferimento 0, è semplicemente l'offset) e l'overdrive richiesto (a causa del gain limitato e della non linearità dell'output), apparirà come output una tensione corrispondente ad 1 logico.
L'output sarà 0 logico quando l'input sarà inferiore di Vos e dell'overdrive richiesto.

In effetti, un comparatore può essere considerato come un convertitore analogico-digitale ad 1bit.

Ci sono diversi modi per specificare un comparatore ed un amplificatore. Per esempio, in un amplificatore operazionale, la tensione di offset è la tensione che deve essere applicata all'input, per guidare l'output verso un valore centrale specificato, corrispondente ad un input 0 ideale.

In un comparatore, il raggio di tensione specificata viene spostata tra 1 e 0 all'output. Il valore di output basso del comparatore (0 logico), viene impostato a meno di 0.4 V in comparatori con output compatibili TTL, mentre per un amplificatore a bassa tensione, il valore basso di output è molto vicino al suo rail negativo (ad esempio 0 in un sistema ad alimentazione singola).

Amplificatori e comparatori

La figura sopra mette a confronto i valori di output basso di modelli tipici di amplificatore e comparatore, con una tensione di input differenziale -1-mV applicata ad ognuno. Costruiti per confrontare due livelli il più velocemente possibile, i comparatori non hanno il condensatore di compensazione interna (capacità di Miller) che di solito si trova negli op-amp, e il loro output circuit è in grado di offrire un'eccitazione più flessibile rispetto a quello degli amplificatori.

Questa assenza di un circuito di compensazione fornisce ai comparatori una larghezza di banda molto ampia. A livello di output, dei comuni amplificatori operazionali utilizzano un circuito di output di tipo push-pull, essenzialmente per oscillazioni simmetriche tra tensioni di alimentazione specificate, mentre i comparatori di solito sono dotati di un output 'open-collector' con emettitore a massa.

Questo significa che l'output di un comparatore può essere riportato, attraverso una resistenza pull-up, ad una tensione differente dall'alimentazione positiva principale. Questa funzione permette al comparatore di interfacciarsi con una vasta serie di famiglie logiche, minore sarà il valore della resistenza di pullup, maggiore sarà la velocità di commutazione e l'immunità ai disturbi, a discapito però della dissipazione termica.
Siccome i comparatori sono raramente configurati con un feedback negativo, la loro impedenza di input differenziale non viene moltiplicata dal loop gain, come invece accade per i circuiti degli amplificatori operazioniali. Il risultato di tutto ciò, è che il segnale di input vede un cambio di carico e un piccolo cambio di corrente di input, nel momento in cui il comparatore si sposta.

Allora, in certe condizioni, l'impedenza di driving point deve essere tenuta in considerazione. Mentre il feedback negativo mantiene gli amplificatori all'interno della loro area di output lineare, mantenendo così piccole variazioni, il feedback positivo viene spesso usato per spingere i comparatori alla saturazione, e per fornire isteresi per ridurre la sensibilità al rumore. L'input di un comparatore, di solito, ospita ampie oscillazioni di segnale, mentre il suo output presenta un range limitato, a causa dei requisiti di interfacciamento. All'interno di un comparatore è quindi richiesta una gran quantità di cambiamenti rapidi di livello.

Le conclusioni

Quindi, viste le differenze che ci sono tra amplificatori e comparatori, possiamo trarre delle conclusioni. Un amplificatore può essere utilizzato con eccellente precisione a frequenze basse. Infatti, per la comparazione di segnali con una risoluzione a livello di microvolt, l'unica scelta pratica è rappresentata dagli amplificatori di precisione.

Essi possono anche rappresentare una soluzione economica per gli utenti di op amp a canale multiplo, quando è fattibile l'impiego di canali liberi dell'amplificatore per soddisfare i requisiti del comparatore.

Dei progettisti dotati di buon senso possono risparmiare del denaro mentre ottimizzano il proprio progetto, se decidono di prendersi il disturbo :) di comprendere le analogie e le differenze tra gli amplificatori ed i comparatori; di leggere interamente il datasheet dell'amplificatore per le corrette funzioni; di capire il trade-off nel tempo di recupero, nella velocità e nel consumo di energia. I progettisti, inoltre, dovrebbero attentamente verificare i progetti con amplificatori operazionali configurati come comparatori.

Liberamente tratto dall'application note di Analog Devices [PDF]

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ritratto di Bazinga

Effettivamente viene spesso

Effettivamente viene spesso fatta confusione e non solo, spesso per unificare il magazzino si è portati a minimizzare le differenze e quindi usare sempre l'operazionale ma questo non è possibile in tutti i progetti. Potrebbe essere una trascuratezza generata dalla poca analisi che viene fatta a livello scolastico, sull'importanza del comparatore.

Aggiungerei poi che ci sono comparatori com LM339 o LM393 (anche in rail-to-rail) a costi veramente irrisori quindi unificare potrebbe avere poco senso alla fine.

ritratto di Ciro I.

Che differenza c'è tra un

Che differenza c'è tra un amplificatore operazionale con transistor a giunzione bipolare e uno con transistor ad effetto di campo?

ritratto di FRANCESCO MAIORANO

differenza operazionali con transistors bipolari e ad effetto di

La differenza consiste nella diversa impedenza d'ingresso: gli operazionali i cui ingressi son costituiti dal gate di transistor ad effetto di campo, hanno un'impedenza d'ingresso più elevata. Quelli realizzati con transistor bipolari, hanno la base di un transistor bipolare come piedino d'ingresso, e quindi un'impedenza più bassa.

 

 

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