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Diferença entre amplificador operacional e comparador

Neste artigo discutimos as principais diferenças entre amplificador operacional e comparador, e tentamos entender por que amplificadores operacionais não são ideais para serem usados ​​como comparadores. Também aprendemos as principais vantagens do uso de CIs comparadores em aplicativos comparadores.

Basicamente, você encontrará muitas palestras ou publicações eletrônicas falando sobre o uso de um amplificador operacional como um comparador. Neste artigo, analisamos esse assunto com mais profundidade e descobrimos exatamente como a ideia geralmente pode ser uma má ideia.

O conceito usado na concepção do comparador é simples.

Usando amplificador operacional como comparador

Um amplificador operacional inclui um ganho DC de malha aberta extremamente alto, o que significa que mesmo uma pequena quantidade de tensão de entrada diferencial pode empurrar a saída para um extremo da tensão de alimentação ou para o outro extremo.

Quando a tensão aplicada na entrada não inversora (‘+’) de um amplificador operacional é maior que a tensão na entrada inversora (‘-‘), a saída muda para alto (igual ao nível de alimentação positivo); e no caso oposto a saída do amp op fica baixa (igual a zero volts).

Em outras palavras, alguns níveis de tensão são comparados nos pinos de entrada, fazendo com que a saída gere um sinal binário indicando qual tensão do pino de entrada é maior e qual entrada é menor.

No exemplo acima, o amplificador operacional aparece como o dispositivo ideal para ser usado como comparador. No entanto, por que temos dispositivos comparadores especializados disponíveis?

Opamps externos e CIs comparadores são semelhantes

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DIFERENÇA ENTRE AMPLIFICADOR OPERACIONAL E COMPARADOR 7

Vistos externamente, opamps e comparadores parecem não ter diferença alguma.

Ambos os dispositivos têm conexões de fonte de alimentação idênticas, ambos incluem pinagens de entrada ‘+’ e ‘-‘ e um pino de saída solitário.

Examinando a configuração do circuito interno, descobrimos que, mais uma vez, ambas as unidades parecem praticamente iguais (embora um IC comparador com uma saída de coletor aberto ou dreno aberto possa parecer muito diferente de um amplificador operacional).

Diferenças entre amplificadores operacionais e CIs comparadores

1) A saída do amplificador operacional funciona no modo linear, a saída do comparador funciona no modo de saturação

A diferença significativa, que não é perceptível até que o circuito seja examinado com mais cuidado, são os estágios de saída do amplificador operacional que são criados para funcionamento linear, com o objetivo básico de amplificar o sinal de entrada com o mínimo de distorção possível (introduzindo um pouco de avaliação negativa).

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DIFERENÇA ENTRE AMPLIFICADOR OPERACIONAL E COMPARADOR 8
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DIFERENÇA ENTRE AMPLIFICADOR OPERACIONAL E COMPARADOR 9

No entanto, quando se trata de um comparador, o circuito interno de saída é construído para funcionar em modo de saturação, ou seja, para garantir a comutação entre os limites superior e inferior de alimentação da tensão de saída sem depender de um feedback externo.

Comparadores geralmente também vêm com uma conexão de aterramento além das conexões normais de fonte de alimentação e fornecem níveis lógicos digitais em suas saídas, embora também possam aceitar sinais de entrada analógicos simétricos.

O que essas diferenças realmente indicam no uso prático?

Comparadores têm tempo de resposta mais rápido do que amplificadores operacionais

Os comparadores são capazes de responder rapidamente às variações de tensão em seus pinos de entrada usando pequenos atrasos de propagação e tempos de subida e descida de saída, conforme especificado pelo fabricante. Em comparação, como os amplificadores operacionais geralmente não devem ser aplicados na função acima, os fabricantes geralmente não fornecem especificações técnicas precisas para atraso de propagação e tempos de subida e descida (embora a taxa de variação seja geralmente fornecida).

Todas essas especificações são geralmente significativamente inferiores em opamps em comparação com comparadores.

Considerando uma ilustração séria, um amplificador operacional de baixa potência pode ter um atraso de propagação testado em milissegundos, enquanto um comparador pode responder em nanossegundos: o que é um milhão de vezes mais rápido.

Existe um problema adicional com amplificadores operacionais.

Op Amps podem consumir alta potência no modo de saturação, comparadores não

Muitas unidades opamp exibem um consumo de energia aumentado durante a saída saturada. A dissipação de energia gerada devido ao alto consumo de energia pode ser suficiente para danificar o amplificador operacional.

Além disso, muitos dos amplificadores operacionais geralmente não são competentes para comutar suas saídas perto dos níveis de tensão de alimentação. Por exemplo, pode produzir uma tensão de saída mais alta possível de 3 V quando uma fonte de 5 V é usada.

Você também pode encontrar suas entradas com limites operacionais restritos. Alguns amplificadores operacionais incluem diodos antiparalelos em seus terminais de entrada, a fim de interromper as tensões de entrada diferenciais superiores a aproximadamente 0,6 V, em contraste com as entradas dos comparadores que geralmente podem variar dentro de toda a faixa de alimentação.

Sem dúvida, você encontrará inúmeras aplicações menos críticas nas quais um amplificador operacional pode funcionar perfeitamente como um comparador, mas ainda assim pode não ser recomendado usar um amplificador operacional em vez de um comparador.

Resultado dos testes

As pessoas que não querem aceitar essas diferenças podem fazer um teste rápido de um comparador e um amplificador operacional simultaneamente. O teste pode ser feito fornecendo a cada dispositivo um sinal de onda quadrada com bordas afiadas e rápidas.

Várias quedas em potencial podem ser comprovadas rapidamente por meio de simulação, por exemplo, a probabilidade de um amplificador operacional funcionar em velocidades tão lentas que simplesmente perde os pulsos estreitos.

Os amplificadores operacionais são menos eficientes que os comparadores

Usando o amplificador operacional, pode não ser possível garantir a eficiência do circuito, o consumo de corrente e até mesmo se o dispositivo será danificado ou não.

Os testes provam que o comparador reage mais rápido usando um tempo de subida muito menor. Sua comutação de tensão de saída pode ser de até +5 V em vez de 3 V normalmente visto em uma saída de amplificador operacional. A mesma função pode ser observada quando a saída fica baixa, e a saída do comparador pode atingir um mínimo de -5 V. Em tais situações, o amplificador operacional responde muito lentamente e é capaz de atingir uma tensão de saída de apenas -3 V em vez do pretendido -5 V.

Em amplificadores operacionais, a onda quadrada de entrada original é quase a mesma que a onda quadrada de saída. Um amplificador operacional pode ser completamente malsucedido em lidar com pulsos mais curtos, que geralmente tendem a desaparecer completamente, enquanto o comparador efetivamente cuida deles com bastante facilidade.

Resumindo as principais diferenças entre amplificador operacional e comparador

  1. Os amplificadores operacionais são projetados para funcionar eficientemente no modo linear, enquanto os comparadores são projetados para funcionar eficientemente no modo de saturação.
  2. A principal função dos amplificadores operacionais é amplificar um sinal de entrada analógico. A principal função dos comparadores é comparar dois sinais de entrada variáveis ​​e produzir saídas binárias correspondentes, alternando entre os níveis de alimentação.
  3. Os comparadores são significativamente mais rápidos do que os amplificadores operacionais quando se trata de comparar e responder a diferentes níveis de tensão em seus pinos de entrada.
  4. Ao comparar ondas quadradas rápidas em suas entradas, um amplificador operacional pode perder e ignorar pulsos estreitos, enquanto os comparadores nunca perderão nem mesmo o mais estreito dos pulsos.
  5. Ao comparar os sinais de entrada, uma saída do amplificador operacional pode não mudar para os extremos do nível de alimentação, mas em comparadores, a comutação de saída atingirá eficientemente os níveis extremos da alimentação CC.
  6. Um amplificador operacional quando saturado pode tender a aquecer e queimar, mas um comparador funcionará suavemente no modo saturado.
  7. A tensão de saída de offset em amplificadores operacionais é significativamente alta, enquanto que em comparadores a tensão de offset é insignificantemente baixa.

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