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13/12/2002 - 1 SisElnD3 - MZ

Ingegneria dell’Informazione

Modulo

SISTEMI ELETTRONICI

D – INTERFACCIAMENTO DEI DISPOSITIVI LOGICID3 – Comparatori

» Comparatore ad un bit» Comparatore con isteresi

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13/12/2002 - 2 SisElnD3 - MZ

Obiettivi del gruppo di lezioni D

– Moduli digitali in genere

» Cosa è un circuito digitale dal punto di vista elettrico (tensioni di alimentazione, tensioni di ingresso e uscita, correnti di ingresso e uscita, consumo)

» Analisi del comportamento dinamico dei dispositivi logici (tempi di salita e discesa, tempi di propagazione)

» Come si interfacciano diversi dispositivi logici (stadi di uscita, compatibilità, fan-out)

– Interfacciamento tra mondo analogico e digitale

» Come si converte un segnale analogico in uno digitale» Cosa sono e come funzionano i comparatori di soglia senza e con

isteresi

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13/12/2002 - 3 SisElnD3 - MZ

Obiettivi di questa lezione (D3)

» Passaggio da un segnale analogico ad uno digitale» Comparatori di soglia senza isteresi» Comparatori di soglia con isteresi (utilizzando un OPAMP)» Tensioni di soglia e isteresi» Schmitt trigger e progetto di generatori di clock

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13/12/2002 - 4 SisElnD3 - MZ

COMPARATORI 1

Spesso si vuole passare da un segnale analogico ad uno digitale fissando una soglia:

Vin < Vt out = “L” , Vout = VoL

Vin > Vt out = “H”, Vout = VoH

Vin

Vout

Vt

VoH

VoL

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13/12/2002 - 5 SisElnD3 - MZ

COMPARATORI 2

In questo modo è possibile convertire un segnale analogico in uno digitale ad 1 bit (convertitore analogico/digitale)

Vin

Vout

Vt

Il comparatore deve avere una dinamica di ingresso pari almeno a quella del segnale analogico e livelli di uscita compatibili con la logica (VOH e VOL)

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13/12/2002 - 6 SisElnD3 - MZ

COMPARATORI 3

Un comparatore NON INVERTENTE SENZA isteresi ha il simbolo

Vin Vout

Vin

Vout

Vt

VoH

VoL

Vt

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13/12/2002 - 7 SisElnD3 - MZ

COMPARATORI 4

Un comparatore INVERTENTE SENZA isteresi ha il simbolo

Vin Vout

Vin

Vout

Vt

VoH

VoL

Vt

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13/12/2002 - 8 SisElnD3 - MZ

COMPARATORI 5

I livelli di uscita del comparatore DEVONO essere compatibili con i livelli logici d’ingresso dei circuiti digitali successivi e le velocità di commutazione paragonabili

Alcuni costruttori hanno progettato dei comparatori compatibili con le diverse famiglie logiche

(VOLTAGE COMPARATOR)

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13/12/2002 - 9 SisElnD3 - MZ

COMPARATORI 6

PROBLEMA:

Cosa succede in caso di transizione lenta dell’ingresso?

Cosa succede se l’ingresso ha del rumore nei dintorni della soglia?

Vin

Vout

Vt

FALSE COMMUTAZIONI (CHATTER)!!!!!

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13/12/2002 - 10 SisElnD3 - MZ

COMPARATORI CON ISTERESI

SOLUZIONE: SI USANO COMPARATORI CON ISTERESI

Vin

Vout

Vt1

VoH

VoL

Vt2

NON INVERTENTE: INVERTENTE:

Vin

Vout

Vt1

VoH

VoL

Vt2

Vin VoutVt1 Vt2

Vin VoutVt1 Vt2

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13/12/2002 - 11 SisElnD3 - MZ

COMPARATORI SENZA ISTERESI

Un comparatore SENZA isteresi può essere realizzatocon un Amplificatore Operazionale NON reazionato

+

_

Vin

VtVout

Vin

Vout

Vt

VoH

VoL

+

_Vin

VtVout

Vin

Vout

Vt

VoH

VoL

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13/12/2002 - 12 SisElnD3 - MZ

COMPARATORE CON ISTERESI NON INVERTENTE 1

Vin

Vout

Vt1

VoH

VoLVt2

Vin

Vout

Vt2Vt1

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13/12/2002 - 13 SisElnD3 - MZ

COMPARATORE CON ISTERESI NON INVERTENTE 2

+

_

R1

R2

Vin Vout

Gnd

Vp

SI SFRUTTA IL PRINCIPIO DELLA REAZIONE POSITIVA

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13/12/2002 - 14 SisElnD3 - MZ

REAZIONE POSITIVA

Poiché la reazione è positiva il sistema è instabile: l’uscita dell’operazionale può assumere solo due stati pari agli estemi della dinamica: VoH e VoL

+

_

R1

R2

Vin Vout

Gnd

Vp

Il passaggio da uno stato all’altro avviene in modo istantaneo (limitato dallo slew rate dell’operazionale)

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13/12/2002 - 15 SisElnD3 - MZ!!!

REAZIONE POSITIVA e NEGATIVA

Attenzione: per usare gli OPAMP come amplificatori occorre che la reazione sia negativa

_

+

R1

R2

VinVout

Gnd

AMPLIFICATORE COMPARATORE CON ISTERESI

+

_

R1

R2

Vin

Gnd

Vp

Vout

!!!

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13/12/2002 - 16 SisElnD3 - MZ

COMPARATORE NON INVERTENTECON ISTERESI - 1

Vin <<Vp

V+ << V- Vout = VoL

V+ = VoL R1 / (R1+R2) + Vin R2 / (R1+R2) ; V- = Vp

AL CRESCERE DI Vin CRESCE LA V+

QUANDO V+ = V- SI HA LA COMMUTAZIONE DELL’USCITA

Vin

Vout

Vt1

VoH

VoLVt2

+

_

R1

R2

Vin Vout

Gnd

Vp

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13/12/2002 - 17 SisElnD3 - MZ

COMPARATORE NON INVERTENTECON ISTERESI - 2

LA Vin PER CUI SI HA LA

COMMUTAZIONE È LA Vt2 DEL COMPARATORE

V+ = VoL R1 / (R1+R2) + Vin R2 / (R1+R2) = Vp = V-

Vt2 = - VoL R1 / R2 + Vp (R1+R2) / R2

Vin

Vout

Vt1

VoH

VoLVt2

+

_

R1

R2

Vin Vout

Vp

Gnd

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13/12/2002 - 18 SisElnD3 - MZ

COMPARATORE NON INVERTENTECON ISTERESI - 3

Vin >>Vp

V+ >>V- Vout = VoH

V+ = VoH R1 / (R1+R2) + Vin R2 / (R1+R2) ; V- = Vp

AL DECRESCERE DI Vin DECRESCE LA V+

QUANDO V+ = V- SI HA LA COMMUTAZIONE DELL’USCITA

Vin

Vout

Vt1

VoH

VoLVt2

+

_

R1

R2

Vin Vout

Vp

Gnd

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13/12/2002 - 19 SisElnD3 - MZ

COMPARATORE NON INVERTENTE CON ISTERESI - 4

LA Vin PER CUI SI HA LA

COMMUTAZIONE È LA Vt1 DEL COMPARATORE

V+ = VoH R1 / (R1+R2) + Vin R2 / (R1+R2) = Vp

Vt1 = - VoH R1 / R2 + Vp (R1+R2) / R2

Vin

Vout

Vt1

VoH

VoLVt2

Vout+

_

R1

R2

Vin

Vp

Gnd

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13/12/2002 - 20 SisElnD3 - MZ

Vin <<Vp

V+ >> V- Vout = VoH

V+ = VoH R1 / ( R1+R2) + Vp R2 / (R1+R2) ; V- =Vin

AL CRESCERE DI Vin CRESCE LA V-

QUANDO V+ = V- SI HA LA COMMUTAZIONE DELL’USCITA

COMPARATORE INVERTENTE CON ISTERESI - 1

Vin

Vout

Vt1

VoH

VoLVt2

+

_

R1

R2

Vin

Vout

Gnd

Vp

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13/12/2002 - 21 SisElnD3 - MZ

COMPARATORE INVERTENTE CON ISTERESI - 2

LA Vin PER CUI SI HA LA

COMMUTAZIONE È LA Vt2 DEL COMPARATORE

V+ = VoH R1 / (R1+R2) + Vp R2 / (R1+R2)

Vt2 = VoH R1 / (R1+R2) + Vp R2 / (R1+R2)

Vin

Vout

Vt1

VoH

VoLVt2

+

_

R1

R2

Vin

Vout

Gnd

Vp

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13/12/2002 - 22 SisElnD3 - MZ

COMPARATORE INVERTENTE CON ISTERESI - 3

Vin >>Vp

V+ <<V- Vout = VoL

V+ = VoL R1 / (R1+R2) + Vp R2 / (R1+R2) ; V- = Vi

Vin

Vout

Vt1

VoH

VoLVt2

Vout+

_

R1

R2

Vin

Gnd

Vp

AL DECRESCERE DI Vin DECRESCE LA V-

QUANDO V+ = V- SI HA COMMUTAZIONE DELL’USCITA

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13/12/2002 - 23 SisElnD3 - MZ

COMPARATORE INVERTENTE CON ISTERESI - 4

LA Vin PER CUI SI HA LA

COMMUTAZIONE È LA Vt1 DEL COMPARATORE

V+ = VoL R1 / (R1+R2) + Vp R2 / (R1+R2)

Vt1 = VoL R1 / (R1+R2) + Vp R2 / (R1+R2)

VoH

VoL

Vout+

_

R1

R2

VinVp

Vin

Vout

Vt1 Vt2

Gnd

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13/12/2002 - 24 SisElnD3 - MZ

LIMITI DI VELOCITÀ DEL COMPARATORE

LO SLEW RATE LIMITA LA VELOCITÀ DI COMMUTAZIONE DEL COMPARATORE.

AD ESEMPIO PER IL 741 s.r. = 0.5V/µs

per un’escursione di 5 V sono necessari 10 µs!!!!!!

il segnale logico sale molto lentamente (vanificando l’effetto del comparatore e della reazione positiva)

I comparatori per le logiche sono fatti diversamente con tempi di commutazione di 10 – 100 ns (Schmitt Trigger)

Alcuni comparatori hanno lo stadio di uscita open-collector per poter fornire diversi livelli logici di uscita

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13/12/2002 - 25 SisElnD3 - MZ

SCHMITT TRIGGER

SI CHIAMANO

SCHMITT TRIGGERGLI STADI DI INGRESSO DEI CIRCUITI LOGICI REALIZZATI CON

COMPARATORI VELOCI

SUI DATA SHEET SONO RIPORTATE LE SOGLIE VT- E VT+ DEI COMPARATORI D’INGRESSO

ESISTONO DIVERSI DISPOSITIVI LOGICI CON GLI INGRESSI DI TIPO SCHMITT TRIGGER (NOT, NAND, NOR, AND, OR...)

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13/12/2002 - 26 SisElnD3 - MZ

ESERCIZIO: GENERATORE DI CLOCK CON SCHMITT TRIGGER 1

CALCOLARE LA FREQUENZA DI OSCILLAZIONE DEL GENERATORE D’ONDA QUADRA

VT+ = 1.7 V VOH = 3.7 V R = 1 kΩ

VT- = 0.9 V VOL = 0.3 V C = 10 nF

R

Gnd

C

Vout

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13/12/2002 - 27 SisElnD3 - MZ

ESERCIZIO: GENERATORE DI CLOCK CON SCHMITT TRIGGER 2

R

Gnd

C

VoutL’INGRESSO Vc SEGUE UNA SERIE DI ESPONENZIALI COMPRESI TRA VT- E VT+, MUOVENDOSI LUNGO L’ISTERESI DEL COMPARATORE

Vc

Vout

VT-

VOH

VOLVT+

Vc

VT-

VT+

Vc

t

T1 T2

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13/12/2002 - 28 SisElnD3 - MZ

ESERCIZIO: GENERATORE DI CLOCK CON SCHMITT TRIGGER 3

Durante T1 la Vc segue la legge

Vc(t) = VOH + (VT- - VOH)exp (- t/RC )

Quando t = T1 Vc(T1) = VT+

T1 = RC ln [(VOH - VT-)/(VOH - VT+)] = 3.4 µs

Vc

Vout

VT-

VOH

VOL

VT+VT-

VT+

Vc

t

T1 T2

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13/12/2002 - 29 SisElnD3 - MZ

ESERCIZIO: GENERATORE DI CLOCK CON SCHMITT TRIGGER 4

Durante T2 la Vc segue la legge

Vc(t) = VOL + (VT+ - VOL)exp (- t/RC )

Quando t = T2 Vc(T2) = VT-

T2 = RC ln [(VT+ - VOL)/(VT- - VOL)] = 8.5 µs

Vc

Vout

VT-

VOH

VOL

VT+VT-

VT+

Vc

t

T1 T2

T = T1 + T2 = 11.9 µs f = 1/T = 84 kHz

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13/12/2002 - 30 SisElnD3 - MZ

ESERCIZIO: GENERATORE DI CLOCK CON SCHMITT TRIGGER 5

Quali sono i limiti di frequenza del generatore di clock?

Cosa limita la massima frequenza?

Cosa limita la frequenza minima?

Quali sono i limiti nella scelta di R ? E di C?

R

Gnd

C

VoutVc