Aula 6- Comparador

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Departamento de 
Engenharia Elétrica
Comparadores de Tensão
João Dias – joao@joaodias.eng.br
Comparador
� É um dispositivo destinado a comparar dois níveis de tensão;
� A saída do comparador revela qual das duas entradas é maior;
� O AO é utilizado como comparador quando opera em malha aberta 
(sem realimentação);
� Ganho muito alto provoca variação em direção aos seus limites tão 
logo um dos sinais seja maior do que o outro,, por menor que seja a 
diferença nas entradas
V1
V2
Vo
+
-
OUT
V1
V2
Vo
+
-
OUT
+Vcc
-Vcc
(V1-V2)
Vo
Vo=A(V1-V2)
Amp Op como Comparador
� A utilização de AMPs OPs como comparadores apresenta algumas 
limitações
� O capacitor de compensação interna, que estabiliza o AMPOP, 
limita o Slew Rate;
� Por exemplo: o 741 com uma Slew Rate de 0,5V/μs apenas é 
capaz de ir de -13 V a 13 V em 52 s …… 
� extremamente lento na maior parte dos casos.
� Existem comparadores monolíticos integrados, ou seja, desenvolvidos 
especialmente para operarem como COMPARADORES
� Eles não possuem capacitores de compensação e estão adaptados a 
saídas referenciadas a tensão de alimentação
� saída em coletor aberto (Open colector)
� Veja os dois próximos slides
� É possível conseguir Slew Rate de 70 V/μs ou mesmo superiores o 
que correspondem a tempos de transição inferiores a 1μs
LM311
� São desenvolvidos para operar com valores da lógica TTL também;
http://www.electronica.mk/all_articles/Miscellaneous/CPU_Fan_Controller/Fan_Controller.html
LM339
- 4 comparadores com coletor aberto -
Efeito das Limitações do Amp Op no 
sinal de saída
Comparador
� �� = +15�					
�					�� >	��
� �� = 0					
�					�� =	��
� �� = −15�					
�					�� <	��
� Supor ��=0 � detetor de passagem por zero
V1
V2
Vo
+
-
OUT
V1
V2
Vo
+
-
OUT
+15V
-15V
V1
Vo
Comportamento de Vo conforme o 
valor e sinal da tensão de entrada
� Mudará para +Vcc quando Vin cair abaixo de um nível inferior de 
disparo (LTL – low trigger level);
� Mudará para –Vcc quando Vin aumentar acima do nível superior de 
disparo (UTL - upper trigger level)
+Vcc
-Vcc
(V1-V2)
Vo
V1
V2
Vo
+
-
OUT
V1
V2
Vo
+
-
OUT
+Vcc
-Vcc
(V1-V2)
Vo
Comparador
� É similar a um Amp Op (duas entradas e uma saída)
� Uso do Amp Op sem resistor de realimentação
� Produz saída na forma de pulso
� Usado como interface entre circuitos analógicos e digitais, sensores
Comparador de Zero Não-Inversor
� Circuito básico de um detector de passagem por zero .... Vamos 
discutir as suas limitações
� Desenhar o gráfico da tensão de saída em função do tempo para o 
circuito.
� Dados: Ve=5senωt; Vsat=+/- 14Volts
Exercício
� Analise o circuito abaixo e desenhe a forma de onda de saída se a 
entrada for uma senoide com 10V e com média zero.
Vo
+
-
OUT
V1
V2
+6V
Tempo de Resposta e Subida
� Há duas características importantes nos comparadores: o tempo de 
resposta e o tempo de subida
� Tempo de Resposta: tempo que a saída leva para começar a 
responder a um estímulo na entrada
� É muito dependente da quantidade que ultrapassa o mínimo para 
acionar o comparador, ou seja, pela sobre tensão.
� Quanto maior a sobre tensão, menor será o tempo de resposta.
� Tempo de Subida: é definido como o tempo que o sinal de saída 
leva para ir de 10 a 90% do valor final do sinal
� O tempo de subida é inversamente proporcional à largura de faixa
� Um ganho de tensão alto melhora a tensão de compensação de 
entrada (reduzindo-a). Contudo, aumenta o tempo de subida, porque o 
ganho de alto valor significa largura de faixa menor, sendo que o PGB 
é constante
��(�
) =
0,35
��(���)
��(�
) =
0,35
��(���)
Tempo de Resposta e Subida
Sobre tensão
+Vmáx
0,9Vmáx
Tempo de Subida
0,1Vmáx
Tempo de Resposta
t
t
� Embora os amp ops possam ser utilizados como comparadores, há 
dispositivos fabricados para esse fim específico
� Também há comparadores que não seguem as tensões de saturação 
especificadas em função da tensão de alimentação
� Os comparadores podem ter a saída em coletor aberto. Com isso o 
projetista pode converter sinais de níveis diferentes.
Comparador
� Quando é necessária uma tensão diferente, da tensão de saturação, 
na saída ......
V1
V2
Vo
+
-
OUT
Comparador com Histerese
Comparador com Histerese
� Histerese e Circuitos Disparadores de Schmitt 
(Schmitt Triggers)
� Histerese:
� Propriedade que leva um dispositivo a funcionar de modos distintos 
quando o sinal na sua entrada está aumentando e quando o sinal 
na sua entrada está diminuindo
� No Comparador:
� A histerese significa que a saída irá chavear, quando o sinal na 
entrada aumentar para um determinado valor,
� mas não chaveará de volta enquanto o sinal de entrada não 
diminuir abaixo de um valor diferente
� A realimentação positiva tem um efeito incomum no circuito. 
� Ela força a tensão de referência a ter a mesma polaridade que a 
tensão de saída; 
� a tensão de referência é positiva quando a saída for alta, e 
negativa quando a saída for baixa. 
� É por isso que temos um ponto de desengate superior e um inferior.
� Num disparador Schmitt, a diferença entre os dois pontos de
� desengate é chamada histerese.
� A histerese impede que o comparador mude de valor em resposta às 
flutuações aleatórias no sinal de entrada, como pode ser visto nas 
figuras. 
� O ruído gera disparos falsos
... Mais uma ilustração do efeito do 
ruído no disparo do comparador
Equacionando o Comparador com Histerese
� Usando o teorema da superposição (aterrando-se ora Vref ora Vo):
� Para 23 = 4:
� �5 =
67
68567
��9:
� Para 2;<= = 4:
� �5 =
68
68567
��
� Portanto, somando as duas equações temos:
� 25 =
>?
>@5>?
2;<= +
>@
>@5>?
24
� Como a tensão efetiva de comparação (tensão no terminal + (25) e não Vref) depende 
de Vo, essa tensão irá mudar conforme Vo mudar
Vo
+
-
OUT
V1
V2
Vref
R2R1
Vo
+
-
OUT
V1
V2
Vref
R2R1
� a) Quando 23 = −ABB = −ACDE
� �5 =
67
68567
��9: +
68
68567
(−�FGH)
� Logo:
� �K deve ser menor que �5 para �� = +�FGH
� N�N = �5 =
67
68567
��9: +
68
68567
(−�FGH)
� b) Quando 23 = +ABB = +ACDE, OPQ deve se elevar para:
� R�N =
67
68567
��9: +
68
68567
+�FGH
Vo
+
-
OUT
V1
V2
Vref
R2R1
� +�SS pode ser diferente de −�SS � ou seja a alimentação não seja simétrica
� A Histerese é definida como a diferença entre os dois valores de comparação, 
superior (devido a +Vcc ) e inferior (devido a –Vcc).
� Histerese = UTLHisterese = UTLHisterese = UTLHisterese = UTL----LTLLTLLTLLTL
� ]^_ − _^_ =
>@
>@5>?
+ACDE −
>@
>@5>?
−ACDE
� SeSeSeSe+ACDE = −ACDE
� abCE<;<C< =
?>@
>@5>?
ACDE
Vo
+
-
OUT
V1
V2
Vref
R2R1
Percebeu o “Se”?? 
A fórmula SÓ é 
válida nessa 
condição
� Calcule os níveis de disparo superior e inferior e a histerese do 
comparador mostrado na figura. Considere que a saída chaveia em +/-
15V e Vref = +6V.
� Resposta: LTL=-1V, UTL=9V, Histerese = 9-(-1)=10V
� Repita o caso anterior para Vref=0V.
� Resposta: LTL=-5V, UTL=5V, Histerese = 5-(-5)=10V
� Repita os cálculos para a tensão de saída chaveando entre 0 e + 15V 
e Vref=0V.
� Resposta: LTL=0V, UTL=5V, Histerese = 5-(0)=5V
� Note que a equação de cálculo da histerese não 
pode ser aplicada nesse caso. 
Rf
Vo
Vin
5k
Vref
+
-
OUT
10k
Simulação com PSPICE
� Na simulação aparece o Vout, acrescente o V1
� Reduza a faixa mostrada no eixo x para 20ns (tempo)
71.40uV
V1
FREQ = 100Hz
VAMPL = 10V
VOFF = 0
V8
15Vdc
V6
6Vdc
R2
5k
15.00V0 R1
10k
-15.00V
0
V
0
0V
0V
U1A
LM324
3
2
4
1
1
1
+
-
V
+
V
-
OUT
V7
15Vdc
-12.00V
Para comparador INVERSOR
� O comparador estudado é denominado de Comparador Schmitt Triger
INVERSOR
� Isso porque a saída é alta quando a entrada é baixa e vice-versa
Comparador Schmitt Não-Inversor
� N�N = −
68
67
+�FGH
� R�N =
68
67
−�FGH
� Exercício: demonstre essas duas equações
Vo
+
-
OUT
R1
R2Vin
Comparadores 
� Vantagens:
� Mais rápido que os AOs;
�Maior largura de banda;
� Alto ganho.
� Obs.: os pinos de entrada não utilizados devem ser aterrados para 
evitar instabilidades.
Resumo
Comparador Inversor
� �c =
67
68567
�SS
� �d = −
67
68567
�SS
Cuidado:
Observem onde está o R2 e o 
R1 .......
Circuito e as respectivas formas de 
onda de entrada e saída
Exercício
� Diferencie o comparador não inversor do inversor quanto a:
� a) circuito / configuração
� b) equação para cálculo do ponto de disparo superior e inferior
� c) comportamento da saída em relação ao valor da tensão de entrada 
(Vin) – desenhe esse comportamento (gráfico da tensão de entrada 
pela tensão de saída)
Exercício
� A saída do comparador chaveia entre +10V e -10V e a Vref = - 4Volts.
� a) calcule os níveis de disparo superior e inferior
� b) calcule a histerese
� c) esboce a forma de onda de saída qdo Vin for
� Senoidal com 10V de pico.
� Repita o exercício anterior qdo Vref = + 4Volts e a saída do comparador 
chaveia entre +10V e - 5V.
Rf
Vo
Vin
5k
Vref
+
-
OUT
10k
Exercício
� Projete um comparador cuja saída chaveia para um nível alto qdo a 
entrada cai para -1V e chaveia para nível baixo qdo a entrada eleva-se 
para +1V. Suponha que a saída chaveia entre +/-10Volts.
� Projete um comparador cuja saída chaveia para um nível alto qdo a 
entrada eleva-se para +2V e chaveia para nível baixo qdo a entrada 
cair para -1V. Suponha que a saída chaveia entre +/-10Volts.
� Esboce a forma de onda da saída qdo a entrada for senoidal de 5V 
de pico.