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Amplificador Operacional
Aula08: Circuitos Não Lineares - Comparadores

Como já visto, quando em malha aberta o AO tem um ganho muito alto, de forma que qualquer tensão ao ser aplicada entre as entradas, por menor que seja, leva o AO à saturação. A explicação para isso está na curva característica de transferência. Na Fig01 vemos a curva característica de transferência típica de um AO, em malha aberta (sem realimentação).

A figura a seguir mostra a curva característica de transferência em malha aberta de um Ao típico e do AO ideal.

Na curva característica do AO em malha aberta da Figura 01 podemos verificar que a saída varia linearmente com a entrada se esta se mantiver no intervalo entre -0,1mV e 0,1mV. Fora deste intervalo o AO satura. Na prática, se os valores da tensão de entrada forem , em módulo, muito maiores do que 0,1mV a curva característica de transferência se aproxima da ideal. Observe que isso implica em mudar a escala. No gráfico da Figura 02 onde está o valor 0,1mV? Em zero com certeza !! Isto é, na pratica, quando trabalhamos com valores muito maiores do que 0,1mV, o comportamento do nosso AO real é "próximo do ideal".


Figura 02: Comparador de zero não inversor e sua curva característica de transferência.

O circuito da Figura 02a muitas vezes é chamado de comparador de zero ou detector de zero não inversor porque quando a tensão de entrada passar por zero a saída muda de +V_Sat para -V_Sat ou vice versa.
Por exemplo, se Ve = 4.senwt(V) no circuito da Figura 02 a saída será uma onda quadrada de mesma freqüência e em fase com a senóide de entrada. A Figura 03 mostra as formas de onda de entrada e saída.

Figura 03: Formas de onda de entrada ( senóide ) e de saída(quadrada) de um comparador de zero não inversor.

Pelo visto fica claro o por que do nome comparador ou detetor de zero, toda vez que a entrada passa pelo zero a saída mudará de + Vcc para -Vcc ou vice -versa.

3. ExperiênciaAO14 - Comparador de Zero Não Inversor

3.1. Abra o arquivo Exp14.CIR ou ExpAO14 (Multisim 10.1) e identifique o circuito da Figura 04. Inicie a simulação anotando as formas de onda de saída (Vs) e entrada (Ve). Anote também os valores máximo e mínimo da tensão de saturação.

( a )

( b )

Figura 04: Comparador de Zero Não Inversor ( a ) Multisim ( b ) Microcap

Ë semelhante ao não inversor, porém o sinal é aplicado na entrada inversora, Figura 05 .


Figura 05: Comparador de zero inversor e sua curva característica de transferência.

Se for aplicado um sinal senoidal como Ve = 4.senwt(V) na entrada do circuito a saída será uma onda quadrada de mesma freqüência, mas defasada de 180º em relação à entrada, Figura 06.

Figura 06: Formas de onda de entrada (senóide ) e de saída(quadrada) de um comparador de zero inversor

5. ExperiênciaAO15 - Comparador de Zero Inversor
5.1. Abra o arquivo Exp15.CIR ou ExpAO15 (Multisim 10.1) identifique o circuito da Figura 07. Inicie a simulação anotando as formas de onda de saída (Vs) e entrad (Ve). Anote também os valores máximo e mínimo da tensão de saturação.

Figura 07: Comparador Inversor

Por causa do alto ganho os circuitos comparadores anteriores são sensíveis à ruídos. Quando a entrada está passando por zero, se aparecer um ruído na entrada a saída oscilará entre +V_Sat e -V_Sat até que a amplitude do sinal supere a do ruído. O circuito ligado na saída entenderá que o sinal na entrada do comparador passou varias vezes por zero, quando na realidade foi o ruído que provocou as mudanças na saída.

Para evitar isso deve ser colocada uma imunidade contra ruído chamada de Histerese, que em termos de característica de transferência resulta no gráfico da Figura 08.


Figura 08: Comparador de zero inversor com Histerese e curva de transferência.

Observe no circuito da Figura 08 que a realimentação é positiva, (se as entradas fossem invertidas o circuito seria um amplificador não inversor, atenção portanto !!!).

A realimentação positiva faz com que a mudança de +V_Sat para -V_Sat ou vice versa seja mais rápida ( só é limitada pelo slew rate do AO ). Os valores das tensões que provocam a mudança da saída são calculados por :

Para mudar de +V_Sat para -V_Sat a amplitude do sinal deve ser maior do que V₁ e para mudar de - V_Sat para + V_Sat a amplitude do sinal deve ser menor do que - V_Sat.

A figura 9 mostra a entrada e a saída de um comparador de zero inversor com histerese.

Figura 09: Formas de onda na entrada e saída de um do comparador inversor com Histerese .

Observe que a forma de onda continua a ser quadrada, porém com uma leve defasagem. Quanto maior for o valor de pico da senoide em relação à V₁ e V₂ menor será a defasagem.
7. Experiência AO16 - Comparador de Zero com Histerese

7.1. Abra o arquivo Exp16.CIR ou ExpAO16 (Multisim 10.1) identifique o circuito da Figura 10. Calcule os valores das tensões que provocam as mudanças da saída ( V₁ e V₂ ) e anote. Ative o circuito e anote as formas de onda da entrada e saída , medindo os valores de V₁ e V₂

( a )

( b )

Figura 10: Comparador de zero inversor com histerese ( a ) Multisim ( b ) MicroCap

7.2. Abra o arquivo Exp16b.CIR identifique o circuito da Figura 11. Execute uma analise transiente com a chave aberta e fechada.

Em um comparador de nível a tensão de entrada é comparada com um tensão de referencia. Na pratica a tensão de referencia pode estar associada a uma grandeza física como temperatura, nível, luz, etc, e a tensão de entrada é obtida de um sensor que produz uma tensão dependente da variação desta grandeza física. A Figura 11 mostra o circuito e a curva de transferência.

Solução: O LED acende se a tensão de saída é +12V e para que a saída seja alta V+ > V- onde:

8.1. Abra o arquivo Exp16_1.CIR ou ExpAO17 (Multisim 10.1) e identifique o circuito da Figura 12. Execute uma analise Dynamic DC e determine o valor da saída para Rv>15k e Rv <15k.

( a )

( b )

Figura 12: Comparador de nível ( a ) Multisim ( b ) MicroCap

8.2. Suponha que se deseja construir um circuito detetor de luz, que acenda um LED se estiver escuro e que apague o LED se estiver claro. Usando um LDR como sensor de luz, faça o esquema do circuito.