Queste pagine sono tratte dal documento TIDU020A
di Texas instruments dal titolo Comparator with Hysteresis Reference Design.
Comapartori con e senza isteresi.
I comparatori sono utilizzati per distinguere tra due diversi livelli di segnale.
Per esempio, un comparatore può differenziare tra sovratemperatura e condizioni normali di
temperatura, confrontando il segnale che giunge da un sensore di temperatura
con una tensione di riferimento.
La tipica configurazione del compratore è questa:
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Il segnale da valutare è applicato all'ingresso - mentre l'ingresso
+ riceve una tensione di riferimento derivata dal partitore Rx/Ry,
in questo caso pari alla metà della tensione di alimentazione.
La logica del funzionamento è la seguente:
- Se Vin->Vth(Vin+) l'uscita è a livello 0.
- Se Vin-<Vth(Vin+) l'uscita è a livello 1
Questo metodo semplice può essere utilizzato per determinare se un segnale del mondo reale, come
la temperatura, è al di sopra di un certo valore critico.
Ci si aspetterebbe, dalla teoria, che, al passaggio della Vin-
sopra o sotto la Vth si abbia in uscita un fronte di
commutazione preciso. |
Tuttavia, questo metodo, apparentemente impeccabile, presenta una lacuna:
nella pratica, con i componenti reali, il segnale di ingresso, a cui si
aggiunge il rumore indotto, attorno al valore della soglia Vth provocherà
transizioni multiple.
Se applichiamo all'ingresso del segnale una forma d'onda con un tempo di
salita/discesa non istantaneo, ci troviamo ad avere in uscita, per un certo
raggio di valori della tensione di ingresso, una uscita irregolare, costituita
da treni di onde pseudo-quadre e solo al di fuori di questa area si avrà la
transizione stabile.
In particolare, la presenza di rumore sovrapposto al segnale, anche di
piccolo valore, fa si che, come segnale di ingresso si avvicina alla soglia (Vth = 2,5V), passa più volte al di sopra e al di sotto della soglia.
Di conseguenza, le transizioni di uscita sono molteplici.
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Un segnale triangolare è applicato all'ingresso Vin-
del comparatore.
Nell'area attorno alla tensione di threshold (2.5V) si determinano
commutazioni spurie in uscita, dovute al rumore che, inevitabilmente,
fa parte del segnale.
Le transizioni multiple possono creare problemi: per esempio, considerare il segnale in ingresso come temperatura e l' uscita come viene interpretato da un
microcontroller: esse non forniscono un
messaggio coerente al microcontroller e richiederebbero un trattamento
software non semplice, il che toglierebbe ogni funzionalità
all'aggiunta del comparatore come sensore di un livello critico o
meno.
Peggio, se l' uscita del comparatore va a pilotare un carico come un motore o una valvola.
La situazione di commutazioni irregolari vicino al punto di
threshold non è certo vantaggiosa, ma può essere evitata stabilendo
una isteresi che escluda l'area di instabilità, generando una uscita
pulita. |
Una piccola modifica al circuito comparatore può essere utilizzata per aggiungere
isteresi, aggiungendo semplicemente una resistenza che riporti all'ingresso di
riferimento parte della tensione in uscita.
Si utilizzano due tensioni di soglia per evitare le transizioni multiple introdotte.
La resistenza Rh imposta il livello di isteresi.
Supponiamo di avere il punto di commutazione voluto a 2.5V. Attraverso la
resistenza calcolata, abbiamo in realtà due punti di commutazione: uno a 2.7V
per il passaggio oltre la VH e uno a 2.3V per il passaggio al di
sotto della VH.
Quando l'uscita è a livello alto (5V), Rh è in parallelo con Rx. Questo
inietta più corrente in Ry, sollevando la tensione di soglia VH,
collegata a Vin+, a 2,7 V. Il segnale d' ingresso al pin Vin- deve
superare la soglia superiore (VH=2.7V) per garantire la commutazione
dell'uscita al valore logico basso (0V).
Quando l' uscita è livello basso (0V), Rh è in parallelo con
Ry. Questo riduce la corrente in Ry, riducendo
la tensione di soglia a 2,3 V. Il segnale d' ingresso deve scendere al di sotto di
VL=2.3V per provocare la commutazione dell' uscita a livello
alto (5V), dopo di che il circuito è pronto alla prossima commutazione.
Ora, l' uscita del comparatore con isteresi può accettare anche un segnale
rumoroso senza problemi, basta che il rumore sia compreso nel limite calcolato
precedentemente (2.7-2.3=0.4V).
La tensione all'ingresso deve superare la soglia superiore (VH = 2,7 V) per
avere l' uscita a logica bassa (0 V) e deve scendere al di sotto della soglia inferiore per l' uscita
a logica alta (5V).
Il rumore in ingresso viene ignorato a causa dell' isteresi.
Ovviamente, se il rumore è maggiore dell' isteresi calcolata, si avranno
ulteriori transizioni, ovvero, il campo di isteresi deve essere ampio abbastanza per respingere il rumore nell' applicazione.
Il calcolo della resistenza Rh non è complesso.
Per prima cosa va stabilito il campo dell'isteresi rispetto alla tensione di
riferimento (nell'esempio, Vth=2.5V, VH=2.7V e VL=2.3V).
Rx è scelta di valore abbastanza alto per minimizzare le
correnti (in questo esempio è 100k); essendo Vth a metà della
tensione di alimentazione anche Ry = 100k.
Le equazioni (1) e (2) possono essere utilizzate per selezionare la resistenza
necessaria per impostare le tensioni di soglia dell' isteresi VH e
VL.
Rh = 5.75 Rx = 5.75 * 100k = 575k
Nell'esempio, Rh è stato calcolato a 575k, quindi è stato utilizzato il valore standard più vicino
che è 576k.
Il diagramma seguente presenta la situazione della commutazione con
l'isteresi:
Il documento originale riporta altre informazioni sull'analisi del
circuito, sui consumi di corrente e sulla scheda di test TIPD144 che Texas
Instruments offre per lo studio di questa applicazione.
Documentazione.
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