Amplificador Operacional como Comparador

El Amplificador Operacional como comparador

Por: Gustavo A. Ruiz Robredo ruizrg@unican.es.

Los comparadores son circuitos no lineales que, como su nombre indica, sirven para comparar dos señales (una de las cuales generalmente es una tensión de referencia) y determinar cuál de ellas es mayor o menor.

La tensión de salida tiene dos estados (binaria) y se comporta como un convertidor analógico – digital de 1 bit.

Su utilización en las aplicaciones de generación de señal, detección, modulación de señal, etc., es muy importante y constituye un bloque analógico básico en muchos circuitos. La función del comparador es comparar dos tensiones obteniéndose como resultado una tensión alta (V_OH) o baja (V_OL).

En la figura 9.1.a se presenta el símbolo para representar comparadores, que es el mismo que el utilizado para amplificadores operacionales. La operación de un comparador, representado en la VTC de la figura 9.1.b, se puede expresar como:

En el caso de que la tensión V_n esté fijada a 0, entonces la tensión de salida V₀ = V_OL o V₀ = V_OH en función de si V_pp >0, respectivamente. El comparador acepta señales analógicas a la entrada y proporciona señales binarias a la salida. Este elemento constituye un nexo de unión entre el mundo analógico y digital.

Los OAs pueden actuar como comparadores cuando la ganancia diferencial en lazo abierto sea alta (>10.000) y la velocidad no sea un factor crítico. Como ejemplo, el OA 741 se comporta como un elemento de entrada lineal si la tensión de entrada en modo diferencia está comprendida entre los valores –65 µV < V_d < +65 µV.

Fuera de ese rango la etapa de salida del amplificador entra en saturación y puede comportarse como comparador.

En la figura 9.2.a se muestra una aplicación sencilla del OA 741 como comparador. El amplificador carece de realimentación y la VTC de la figura 9.2.b indica que siempre que V_i > V_T, entonces la salida es baja, y viceversa, si V_iT la salida es alta.

Los límites alto y bajo de V_o son establecidos por las tensiones de alimentación; en este caso ±15 V. La figura 9.2.c muestra un ejemplo del comportamiento de este circuito a una entrada V_i analógica.

Aunque los OAs funcionalmente pueden actuar como comparadores, sus limitaciones hacen que sean inservibles para muchas aplicaciones. Tienen una limitación en frecuencia importante, un slew-rate bajo y unos retrasos tan elevados que únicamente son válidos a frecuencias bajas.

Además, los OAs están pensados para actuar como amplificadores e incluyen técnicas de compensación en frecuencia no necesarias cuando operan como comparadores. A veces es necesario añadir una circuitería adicional cuando los niveles de tensión tienen que ser compatibles con TTL, ECL o CMOS.

Por estas limitaciones, se han desarrollado comparadores monolíticos especialmente concebidos para aplicaciones de comparación.