amplificadores operacionais - comparadores de tensão de 1 e 2 níveis

CÂMPUS FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA CURSO TÉCNICO INTEGRADO EM ELETRÔNICA

GUSTAVO SIMAS DA SILVA

EXPERIMENTO 02: Comparadores de tensão de 1 e 2 níveis

Florianópolis - SC

2014/2

GUSTAVO SIMAS DA SILVA

EXPERIMENTO 02 COMPARADORES DE TENSÃO DE 1 E 2 NÍVEIS

Florianópolis

Outubro de 2014

Trabalho apresentado ao professor Luiz Carlos Martinhago Schlichting, ministrador da disciplina de Amplificadores Operacionais (AmpOp) pertencente à 6ª fase do curso técnico integrado de Eletrônica

do IF-SC, Campus Florianópolis.

“Um passo à frente e você não está mais no mesmo lugar” Chico Science

Resumo

Os Amplificadores Operacionais são componentes eletrônicos integrados que podem ser configurados em circuitos diversos. De acordo com o arranjo de resistências e impedâncias conectadas aos seus terminais, são passíveis de apresentação de sinais de saída diferentes. Os circuitos de amplificação inversores e não-inversores são um dos exemplos, como já visto em experimento anterior.

Os comparadores são circuitos integrados semelhantes aos amplificadores, porém com diferenças operacionais e estruturais. Tais circuitos dividem-se em: comparadores de 1 ou 2 níveis. São aqueles que realizam comparações entre os sinais de tensão aplicados nos terminais + e -, efetuando uma determinada operação para que disponibilize um sinal saturado na saída.

Estes comparadores possuem aplicações em termos de realização de funções como ativação ou desativação de outros circuitos quando o sinal de entrada ultrapassa ou está abaixo da tensão de referência. Palavras-chave: Integrados. Amplificadores. Comparadores.

Abstract

Operational amplifiers are integrated electronic componentes that can be configured in several circuits, according to the arrangement of resistances and impedances connected to its terminals, can show different output signs. The inverters and non-inverters amplificator circuits are one example of these possibilities, as already seen in the previous experiment. The integrated comparators circuits are similar to the OpAmp’s, but with operational and structural diferences. Such circuits are divided into: comparator of 1 or 2 levels They are those who perform comparisions between the voltage signals applied to the + and - terminals, performing an operation to make available a saturated output signal. These comparators have applications in terms of performing functions such as activation or deactivation of other circuits when the input signal exceeds o ris below the reference voltage. Key-words: Integrateds. Amplifiers. Comparators.

Índice de ilustrações, tabelas, gráficos e equações

Figura 1 - Simbologia de Amplificadores e Comparadores ................................... 14

Figura 2 - Diagramas esquemáticos de um Amplificador e de um Comparador .. 14

Figura 3 - Diagrama de blocos de um comparador ................................................ 15

Figura 4 - Comparador não-inversor ....................................................................... 16

Figura 5 - Comparador inversor............................................................................... 16

Figura 6 - Curva de transferência em malha aberta não-inversor ......................... 16

Figura 7 - Gráfico de janela de histerese para circuito não-inversor .................... 17

Figura 8 - Comparador de 2 níveis não-inversor .................................................... 18

Figura 9 - Comparador de 2 níveis inversor............................................................ 19

Figura 10 - Diagrama teórico comparador 1 nível inversor Vref = 0 ...................... 20

Figura 11 - Diagrama teórico comparador 1 nível inversor Vref = 1,5 ................... 21

Figura 12 - Diagrama teórico comparador 1 nível .................................................. 21

Figura 13 - Diagrama teórico comparador 1 nível não-inversor Vref = 1,5V ......... 22

Figura 14 - Diagrama esquemático parte 2 ............................................................. 23

Figura 15 - Diagrama temporal teórico, parte 2 ...................................................... 23

Figura 16 - Circuito Proteus LM741 – item a) .......................................................... 24

Figura 17 - Osciloscópio digital Proteus - LM741 item a) ...................................... 25

Figura 18 - Diagrama esquemático interno LM311 ................................................. 26

Figura 19 - Circuito Proteus LM311 – item a) .......................................................... 26

Figura 20 - Osciloscópio digital Proteus - LM311 item a) ....................................... 27

Figura 21 - Circuito Proteus LM741 – item b) .......................................................... 27

Figura 22 - Osciloscópio digital Proteus - LM741 item b) ...................................... 28

Figura 23 - Circuito Proteus LM311 – item b) .......................................................... 28

Figura 24 - Osciloscópio digital Proteus - LM311 item b) ...................................... 29

Figura 25 - Circuito Proteus LM741 – item c) .......................................................... 29

Figura 26 - Osciloscópio digital Proteus - LM741 item c) ...................................... 30

Figura 27 - Circuito Proteus LM311 – item c) .......................................................... 30

Figura 28 - Osciloscópio digital Proteus - LM311 item c) ....................................... 31

Figura 29 - Circuito Proteus LM741 – item d) .......................................................... 31

Figura 30 - Osciloscópio digital Proteus - LM741 item d) ...................................... 32

Figura 31 - Circuito Proteus LM311 – item d) .......................................................... 32

Figura 32 - Osciloscópio digital Proteus - LM311 item d) ...................................... 33

Figura 33 - Diagrama esquemático Proteus - LM741 parte 2 ................................. 34

Figura 34 - Janela de operação SIGNAL GENERATOR .......................................... 35

Figura 35 - Osciloscópio digital Proteus - LM741 parte 2 ...................................... 35

Figura 36 - Diagrama esquemático Proteus - LM311 parte 2 ................................. 36

Figura 37 - Osciloscópio digital Proteus - LM311 parte 2 ...................................... 36

Figura 38 - Comparação dos tempos de transição Proteus parte 2 ...................... 37

Figura 39 – Print inversor 0 - LM741 parte 1 ........................................................... 38

Figura 40 - Print inversor 0 subida - LM741 parte1 ................................................ 38

Figura 41 - Print inversor 0 - LM311 parte 1 ............................................................ 39

Figura 42 - Print inversor 0 subida - LM311 parte1 ................................................ 39

Figura 43 - Foto da montagem para o item a) ......................................................... 39

Figura 44 - Print inversor 1,5 - LM741 parte 1 ......................................................... 40

Figura 45 - Print inversor 1,5 subida - LM741 parte1 ............................................. 40

Figura 46 - Print inversor 1,5 - LM311 parte 1 ......................................................... 40

Figura 47 - Print inversor 1,5 subida - LM311 parte1 ............................................. 41

Figura 48- Foto da montagem para o item b) .......................................................... 41

Figura 49 - Print não-inversor 0 - LM741 parte 1 .................................................... 42

Figura 50 - Print não-inversor 0 subida - LM741 parte 1 ........................................ 42

Figura 51 - Print não-inversor 0 - LM311 parte 1 ..................................................... 42

Figura 52 - Print não-inversor 0 subida - LM311 parte 1 ....................................... 43

Figura 53 - Foto da montagem para o item c) ......................................................... 43

Figura 54 - Print não-inversor -1,5V - LM741 parte 1 .............................................. 44

Figura 55 - Print não-inversor -1,5V subida – LM741 parte 1 ................................. 44

Figura 56 - Print não-inversor -1,5V - LM311 parte 1 .............................................. 44

Figura 57 - Print não-inversor -1,5V subida - LM311 parte 1 .................................. 45

Figura 58 - Foto da montagem para o item d) ......................................................... 45

Figura 59 - Print comparador 2 níveis não-inversor - LM741 parte 2 .................... 46

Figura 60 - Print comparador 2 níveis não-inversor fall time - LM741 parte 2 ...... 46

Figura 61 - Print comparador 2 níveis não-inversor subida - LM741 parte 2 ........ 46

Figura 62 - Print comparador 2 níveis não-inversor - LM311 parte 2 .................... 47

Figura 63 - Print comparador 2 níveis não-inversor subida - LM311 parte 2 ........ 47

Figura 64 - Print comparador 2 níveis não-inversor descida - LM311 parte 2 ...... 47

Figura 65 - Foto da montagem para a parte 2 ......................................................... 48

Figura 66 - Comparação entre intervalo de subida e descida, inversor 1,5V - LM311 parte 1 ............................................................................................................ 49

Figura 67 - Análise AC Osciloscópio ....................................................................... 54

Equação 1 - Cálculo de divisão porcentual de largura do sinal ............................ 22

Gráfico 1 - Diferença porcentual média de Vsats entre prática e teoria LM741 ... 50

Gráfico 2 - Diferença porcentual média de Vsats entre prática e teoria LM741 ... 51

Tabela 1 - Comparação teoria x simulação x prática para o LM741 ...................... 50

Tabela 2 - Comparação teoria x simulação x prática para o LM311 ...................... 51

IF-SC Campus Florianópolis 8

Comparadores de tensão de 1 e 2 níveis

Índice de abreviaturas, símbolos e unidades

i - intensidade de corrente elétrica

A - ampère (corrente elétrica)

AmpOp, OpAmp, AO, - amplificador operacional

CI - circuito integrado

f - frequência

T - período

Hz - hertz (frequência)

n - nano (10-9)

µ - micro (10-6)

m - mili (10-3)

k - kilo (103)

M - mega (106)

L% - largura porcentual de um ciclo em

relação ao outro

s - segundo

t- - instante de transição negativo

t - tempo

t+ - instante de transição positivo

V - volt (diferença de potencial elétrico,

DDP, DDPE, tensão elétrica)

V- - terminal inversor do amplificador

operacional

V+ - terminal não-inversor do amplificador

operacional

VE - tensão elétrica de entrada

VS - tensão elétrica de saída

VCC - tensão elétrica de alimentação

VINF - tensão elétrica de comparação inferior

VSUP - tensão elétrica de comparação superior

VP, VPICO - tensão elétrica de pico

VPP - tensão elétrica de pico a pico



VR, VREF - tensão elétrica de referência

VSINE - fonte de tensão elétrica alternada

VSOURCE - fonte de tensão elétrica contínua

VCC, +VCC - tensão elétrica de polarização positiva

VEE, -VCC - tensão eléctrica de polarização

negativa

+VSAT, VSAT+ - tensão elétrica de saturação positiva

-VSAT, VSAT- - tensão elétrica de saturação negativa

W - watt (potência elétrica ativa)

Ω - resistência ôhmica/elétrica

CC, DC - corrente elétrica contínua

CA, AC - corrente elétrica alternada

R# - resistor

Q# - transistor

GND - terra, massa, potencial elétrico nulo

NPN, PNP - transistor de junção bipolar

OUTPUT - terminal de saída

INPUT - terminal de entrada

DIP, DIL - Dual In-Line Package, encapsulamento

de circuitos integrados com duas

fileiras de pinos

SOC - System on a Chip, sistema em um chip

RT - rise time, tempo de ascensão do sinal

segundo condições especificadas pelo

fabricante

FT - fall time, tempo de queda do sinal

segundo condições especificadas

pelo fabricante



Sumário Resumo .......................................................................................................................................... 4

Abstract ......................................................................................................................................... 5

Índice de ilustrações, tabelas, gráficos e equações ...................................................................... 6

Índice de abreviaturas, símbolos e unidades ................................................................................ 8

Introdução ................................................................................................................................... 12

Objetivos ..................................................................................................................................... 13

Revisão de Literatura .................................................................................................................. 14

Comparadores e Amplificadores: diferenciações ................................................................... 14

Comparadores: definição ........................................................................................................ 15

Comparador em Malha Aberta ou Comparador de 1 nível .................................................... 15

Não-Inversor ............................................................................................. 16

Inversor ..................................................................................................... 16

Comparador com realimentação positiva ............................................................................... 17

Não-Inversor ....................................................................................... 18

Inversor ..................................................................................................... 19

Análise Teórica ............................................................................................................................ 20

Parte 1 ..................................................................................................................................... 20

A) Comparador inversor de zero (VREF = 0V). ...................................... 20

B) Comparador inversor com VREF = 1,5V ............................................ 21

C) Comparador não-inversor com VREF = 0V ........................................ 21

D) Comparador não-inversor com VREF = -1,5V .................................... 22

Parte 2 ..................................................................................................................................... 23

Análise por Simulação ................................................................................................................. 24

Parte 1 ..................................................................................................................................... 24

A) Comparador inversor de zero (VREF = 0V). – LM741 ........................ 24


B) Comparador inversor com VREF = 1,5V. – LM741 ............................ 27

B) Comparador inversor com VREF = 1,5V – LM311 .............................. 28

C) Comparador não-inversor com VREF = 0V – LM741 ......................... 29


D) Comparador não-inversor com VREF = -1,5V – LM741 ..................... 31


Observações ............................................................................................. 33

Parte 2 ..................................................................................................................................... 34



LM741 ....................................................................................................... 34

LM324 ....................................................................................................... 36

Análise Experimental ................................................................................................................... 38

Informações sobre os equipamentos e montagem ................................................................ 38

Parte 1 ..................................................................................................................................... 38



B) Comparador inversor com VREF = 1,5V – LM741 ............................. 40

B) Comparador inversor com VREF = 1,5V – LM311 .............................. 40





Parte 2 ..................................................................................................................................... 46

LM741 ....................................................................................................... 46

LM311 ....................................................................................................... 47

Comparação de Resultados ......................................................................................................... 49

Comparação Prática x Prática: instantes de transição ............................................................ 49

Comparação Simulação x Prática ............................................................................................ 49

Comparação Teoria x Simulação x Prática .............................................................................. 50

LM741 ....................................................................................................... 50

LM311 ....................................................................................................... 51

Considerações relevantes ........................................................................................................... 52

Constatações sobre as estruturas comparadoras ................................................................... 52

Dificuldades, resoluções e recomendações ............................................................................ 52

Sobre a simulação ................................................................................................................... 53

Tentativa de semelhança com a realidade ................................................ 53

Alterações de componentes ...................................................................... 53

Diferenciações AC/DC Proteus ................................................................. 54

Conclusões .............................................................................................................................. 55

Referência Bibliográfica .............................................................................................................. 56

Anexo .......................................................................................................................................... 59



Introdução

Neste relatório serão apresentadas as estruturas estudadas sobre comparadores de 1 e 2 níveis, circuitos inversores e não-inversores. As suas respectivas discussões, sobre possíveis aplicações e esclarecimento das distinções eletrônicas entre os mesmos, também serão abordadas.

Analisando o seu funcionamento teórico, serão exibidos os resultados calculados de cada circuito, juntamente aos simulados no software eletrônico especializado (LabCenter Electronics Isis Proteus® versão 8.1) e os obtidos em atividade prática.

Serão comparados estes dados, avaliando-os e justificando as diferenças (quando houver), sendo abordados de forma sucinta e objetiva, utilizando gráficos, tabelas e figuras, quando possível, para facilitar a explicação e ilustrar melhor os conceitos e resultados.



Objetivos

Dentre os objetivos desta atividade listam-se:

1) Analisar de forma teórica, simulada e experimental o funcionamento de es-

truturas comparadoras de 1 e 2 níveis com os CI’s LM741 e LM324.

2) Explicar sucintamente sobre os fundamentos teóricos de tal componente e comentar sobre as variáveis possíveis de resultados de acordo com as mu-danças de temperatura, frequência e tensões referenciais (Vcc e Vee), tendo base as folhas de dados disponibilizadas pelos fabricantes.

3) Realizar comparações entre os dados obtidos e observar as possíveis dife-

renças entre teoria e prática.

4) Concluir para qual finalidade se aplica melhor cada AmpOp e qual são as suas vantagens e desvantagens para cada situação.

5) Refletir sobre os modos de operação optados, falhas de funcionamento ob-

servadas e considerar a melhor forma de manuseio dos componentes utiliza-dos, realizando recomendações e salientando as dificuldades/erros que po-dem ser encontrados durante tal atividade.



Revisão de Literatura

Primeiramente serão abordados os conceitos estudados para o entendimento dos circuitos montados.

Comparadores e Amplificadores: diferenciações Muitos materiais didáticos sobre análise de circuitos eletrônicos apresentam os Comparadores de Tensão como sendo iguais aos Amplificadores. No entanto, caso seja realizado um estudo mais aprofundado, será notado que tais circuitos referidos diferem-se tanto no modo estrutural (em relação à sua formação interna e todos componentes apresentados), quanto no modo operacional (falando-se dos resultados obtidos no terminal de saída da tensão).

Apesar das simbologias serem as mesmas, como pode ser identificado pela Figura 1 (o que acaba confundindo muitos projetistas), a eletrônica analógica de ambos é distinta.

Pela Figura 2 percebe-se claramente as diferenciações construtivas entre um amplificador e um Comparador de Tensão, no caso um LM324 e um LM339, respectivamente. Enquanto o CI amplificador possui um maior número de componentes, com transistores, resistor e capacitor, o comparador reduz tal quantidade, possuindo somente alguns PNP’s e NPN’s. Também vê-se que o Comparador tem um arranjo distinto de seus componentes. E, embora haja semelhanças na parte inicial próxima dos terminais IN- e IN+, é na parte de saída que acentuam-se as diferenças, que serão melhor identificadas com os dados obtidos a partir da atividade elaborada.

Figura 1 - Simbologia de

Amplificadores e

Comparadores

Figura 2 - Diagramas esquemáticos de um Amplificador e de um Comparador



Comparadores: definição Comparadores são circuitos em malha aberta ou não, que operam na região não-linear, ou seja, que invariavelmente saturam em VSAT+ (também chamada de VCC e +VSAT) ou em VSAT- (também denominada de VEE e –VSAT). Geralmente são utilizados para monitorar uma grandeza (tensão, corrente, temperatura, pressão, entre outras) e a partir de uma tensão de referência (VREF, também denominado de ponto de comutação) executar uma ação. A Figura 3 apresenta o diagrama de blocos de um comparador.

O sensor transdutor do diagrama representa um circuito que realizará a “tradução” da variável de entrada, seja ela de qual forma for (térmica, cinética, elétrica, etc.) para um sinal analógico de potencial elétrico que o circuito comparador compreenda. E, então, na saída há a consequência da realização de um comando.

Uma exemplificação prática do esquema: sistema de acionamento de um ar condicionado (comando), quando determinada temperatura (variável de entrada, transpassada como VE) ultrapassar outra temperatura referencial (VREF), realizando então a ação de resfriar o ambiente.

Comparador em Malha Aberta ou Comparador de 1 nível É aquele circuito comparador em malha aberta, ou seja, sem a utilização de uma realimentação, seja ela positiva ou negativa, ocasionando o não-controle do valor do sinal de saída, operando em região não-linear.

Com isto há, invariavelmente, a saturação positiva ou negativa do sinal. Por motivos didáticos, assim como os circuitos amplificadores, os

comparadores possuem suas divisões; as duas maiores são: inversor e não-inversor, sendo as ramificações: com histerese ou sem histerese.

Figura 3 - Diagrama de blocos de um comparador



Não-Inversor O comparador não-inversor ilustrado na Figura 4 tem o seguinte equacionamento com as condições estabelecidas:

𝑉𝑒 > 𝑉𝑟 → 𝑉𝑠 = 𝑉𝑆𝐴𝑇+ ≈ 𝑉𝑐𝑐 = +𝑉 𝑉𝑒 < 𝑉𝑟 → 𝑉𝑠 = 𝑉𝑆𝐴𝑇− ≈ 𝑉𝑒𝑒 = −𝑉

Inversor O comparador inversor ilustrado na Figura 5 tem o seguinte equacionamento:

𝑉𝑒 > 𝑉𝑟 → 𝑉𝑠 = 𝑉𝑆𝐴𝑇− ≈ 𝑉𝑒𝑒 𝑉𝑒 < 𝑉𝑟 → 𝑉𝑠 = 𝑉𝑆𝐴𝑇+ ≈ 𝑉𝑐𝑐

Onde: VE = tensão de entrada VR = tensão de referência VS = tensão de saída VSAT+ = VCC = tensões de saturação positiva VSAT- = VEE = tensões de saturação negativa

Com estas estruturas, qualquer tensão de entrada (VE) aplicada, que seja acima ou abaixo da tensão de referência (VR) irá saturar o sinal de saída (VS) na tensão de saturação positiva ou negativa. A Figura 6 apresenta a curva característica para um circuito não inversor, sendo a tensão de referência igual a zero.

No entanto, quando o valor de entrada está muito próximo da tensão de referência, o que ocorre é uma instabilidade na saída. O circuito não compreende

Figura 4 - Comparador não-inversor

Figura 5 - Comparador inversor

Figura 6 - Curva de transferência em malha aberta não-inversor



ao certo qual o valor exato que se deve prover em VS, deixando-o, então, em qualquer uma das tensões de saturação ou ainda em um estado indefinido.

Para a resolução deste problema há o sistema de comparador com realimentação positiva.

Comparador com realimentação positiva O Comparador com realimentação positiva (também chamado de

comparador de 2 níveis, de comparador regenerativo ou de Schmitt Trigger ou ainda de Disparador de Schmitt, em homenagem ao seu criador, o cientista Otto Herbert Schmitt) é um circuito com histerese. Tal definição por Antônio Pertence é:

“Um circuito possui histerese quando o mesmo apresenta uma mudança do seu estado de saída (EFEITO), apesar de as condições de entrada (CAUSAS) haverem sido alteradas.” (PERTENCE, 2003).

Esta definição explicita o modo operacional deste tipo de circuito. Diferentemente do comparador de 1 nível, o de 2 níveis não apresenta problemas quanto à indefinição do estado provido na saída. Isto porque ele possui uma espécie de “memória”, através da histerese elétrica, realizando a manutenção do estado anterior, evitando a comutação contínua entre as tensões, e sendo praticamente imune a sinais ruidosos.

Contudo, há certas condições que merecem considerações. Malvino esclarece-as:

“Ele [comparador de 2 níveis] tem dois pontos de comutação. Isso o torna imune a tensões de ruído, contanto que os valores de pico a pico do ruído sejam menores que a histerese” (MALVINO, 1997)

O que Malvino quer dizer é melhor ilustrado pelo gráfico da janela de histerese, na Figura 7.

Pela imagem é visto que, quando aumenta-se a tensão aplicada na entrada (VE) a saída somente se saturará em VCC quando ultrapassar o limiar superior (VSUP). É ocorrido o inverso quando há um decréscimo do valor aplicado na entrada; só acontecerá a saturação negativa quando VE estiver abaixo da tensão de comparação inferior (VINF). Tal citação de Malvino discorre sobre as condições necessárias para que o ruído não seja problema

Figura 7 - Gráfico de janela de histerese

para circuito não-inversor



significativo também no comparador regenerativo. A janela de histerese (calculada pela diferença entre VSUP e VINF) deve ser maior que os valores de pico a pico do ruído do sinal de entrada (VSUP – VINF > VPPruído). Caso a tensão de comparação superior tenha um valor muito próximo da inferior, o sistema exibirá comportamento semelhante à um comparador de 1 nível. Por tal motivo, avalia-se que quanto maior a diferença entre os valores de VSUP e VINF, melhor será o aproveitamento do circuito.

A histerese, portanto, é o fator mantedor do estado anterior, para a mitigação destes problemas.

A seguir as estruturas inversora e não-inversora:

Não-Inversor A disposição dos circuitos comparador e amplificador não-inversores são semelhantes. O seu diagrama esquemático é apresentado na Figura 8. No entanto, possui o seguinte equacionamento:

𝑉+ = 0 (𝑡𝑒𝑟𝑟𝑎 𝑣𝑖𝑟𝑡𝑢𝑎𝑙) → 𝑖 =𝑉𝑒

𝑅1=

𝑉𝑠

𝑅2= 𝑉𝑒 = 𝑉𝑠 ∗

𝑅1

𝑅2

𝑉𝑟 = 𝑉𝑆𝐴𝑇+ ∗𝑅1

𝑅2= 𝑉𝑐𝑐 ∗

𝑅1

𝑅2= 𝑉𝑠𝑢𝑝

𝑉𝑟 = 𝑉𝑆𝐴𝑇− ∗𝑅1

𝑅2= 𝑉𝑒𝑒 ∗

𝑅1

𝑅2= 𝑉𝑖𝑛𝑓

Onde: i = corrente percorrida nos resistores R2 e R1 VE = tensão de entrada VS = tensão de saída VR = tensão de referência V+ = potencial elétrico no terminal não-inversor VSAT+ = VCC = tensão de saturação positiva VSAT- = VEE = tensão de saturação negativa VSUP = tensão de comparação superior VINF = tensão de comparação inferior

Pelos conceitos de terra-virtual e curto-circuito virtual, visto em atividade anterior, concebe-se que a tensão no nó do terminal de entrada não inversora do AmpOp é teoricamente zero. Em realidade obtém-se valores ínfimos de tensão em tal ponto, em torno de milivolts, o que é desconsiderável. Releva-se que os resistores integrantes não devem possuir valores extremos de resistências (nem muito altos, nem muito baixos) para evitar problemas de quedas de tensão incorretas sobre os mesmos, o que acarreta o sistema a compreendê-los como: circuito aberto ou curto.

Figura 8 - Comparador de 2 níveis não-inversor



Inversor Assim como o não-inversor, a organização do circuito comparador com realimentação positiva inversor é semelhante à estrutura de amplificadores inversores, como pode ser identificado na Figura 9. O seu equacionamento dá-se:

𝑖 =𝑉𝑠

𝑅1 + 𝑅2→ 𝑉𝑟 = 𝑉+ = 𝑅1 ∗ 𝑖 = 𝑉𝑠 ∗

𝑅1

𝑅1 + 𝑅2


𝑅1 + 𝑅2= 𝑉𝑐𝑐 ∗

𝑅1

𝑅1 + 𝑅2= 𝑉𝑠𝑢𝑝


𝑅1 + 𝑅2= 𝑉𝑒𝑒 ∗

𝑅1

𝑅1 + 𝑅2= 𝑉𝑖𝑛𝑓

Com estas informações é suficiente a base teórica para o entendimento dos circuitos a porvir. Com isto, seguem as análises.

Figura 9 - Comparador de 2 níveis inversor



Análise Teórica

Com as bases conceituais fundamentais estudadas e revisadas, pode-se, então, principiar a análise teórica de cada circuito montado no experimento. Observação: a análise teórica se dá igual nos dois CI’s, pois por conceitos prévios, os dois devem, idealmente, apresentar os mesmos resultados. Segue:

Parte 1 O objetivo da primeira parte da atividade seria analisar e comparar o comportamento de dois diferentes CI’s em circuito comparador de 1 nível, sendo um CI amplificador LM741 e um CI comparador LM311, ajustados em estruturas inversoras e não-inversoras. O sinal de entrada aplicado deveria ser senoidal com 4,5V de pico e frequência de 200Hz. As tensões de alimentação seriam setadas em +15V e -15V. A tensão de referência seria modificada para a observância das alterações em VS.

A) Comparador inversor de zero (VREF = 0V).

Conexões: A Figura 5 mostra a forma de montagem (sinal de entrada

aplicado no terminal inversor). No entanto uma diferença significativa

é o aterramento do terminal V+.

Segundo os conceitos teóricos, em malha aberta o sinal de saída deve

saturar em +15V quando VE estiver abaixo de zero, e em -15V quando

VE estiver acima de 0, pois este é um inversor.

A Figura 10 apresenta o diagrama esperado.

Figura 10 - Diagrama teórico comparador 1 nível inversor Vref = 0



B) Comparador inversor com VREF = 1,5V

Para o item B seria necessário desconectar o terminal do V+ do AmpOp de GND e aplicá-lo a um potencial positivo de 1,5V em relação ao terra. Com isto o sinal VS vai a VCC quando VE < 1,5V e a VEE quando VE > 1,5V.

A Figura 11 apresenta o diagrama teórico esperado.

C) Comparador não-inversor com VREF = 0V

Agora, com um circuito não-inversor, a montagem dá-se semelhante a Figura 4 (com o sinal de entrada aplicado no terminal não-inversor). Porém, para uma tensão de referência nula aterra-se o terminal V-.

Teoricamente, com VE acima do potencial zero, VS eleva-se à VSAT+. O contrário acontece quando VE está abaixo do eixo x; a tensão de saída decresce a VSAT-.

A Figura 12 ilustra a onda quadrada formada com este circuito.

Nota-se que idealmente a transição dos valores do sinal é instantânea, o que não acontece em realidade. Tal tempo de transição será melhor detalhado em

futuros experimentos.

Figura 11 - Diagrama teórico comparador 1 nível inversor Vref = 1,5

Figura 12 - Diagrama teórico comparador 1 nível

não-inversor Vref = 0



D) Comparador não-inversor com VREF = -1,5V

Com VREF = -1,5V, nesta estrutura ocorrerá exatamente o inverso do item B: se VE > 1,5V → VS = VCC; se VE < 1,5V → VS = VEE. Como exibe a Figura 13.

É perceptível, num circuito não-inversor, a tendência ao deslocamento para baixo de parte do sinal de saída, quando se eleva o potencial de referência. O inverso é visto quando se abaixa a tensão de VR: a largura do período positivo da onda quadrada aumenta.

O cálculo para a divisão porcentual de largura do ciclo negativo em relação ao total do sinal (para a estrutura não-inversora) dá-se por uma equação matemática básica:

𝐿% = 𝑡+ − 𝑡−

𝑡+∗ 100%

Equação 1 - Cálculo de divisão porcentual de largura do sinal

Onde: L% = largura porcentual do ciclo negativo t+ = instante de transição positivo (instante em que VS = VCC) t- = instante de transição negativo (instante em que VS = VEE) Por exemplo, se L% = 50%, significa que o ciclo positivo ocupa 50% do

período da onda quadrada. Se L%=25%, ocupa 1/4 de tal. Vale lembrar que é possível também encontrar a porcentagem de largura para o ciclo negativo, apenas trocando t+ por t- e vice-versa.

Figura 13 - Diagrama teórico comparador 1 nível não-inversor Vref = 1,5V



Parte 2 A segunda parte visava a análise de um comparador de dois níveis não-inversor, novamente com os dois CI’s utilizados anteriormente (311 e 741). Tensão de alimentação simétrica: ±15V.

Com realimentação positiva, integravam-se resistores de valor 15kΩ, 13kΩ e 100kΩ. Aplicava-se na entrada uma onda triangular de frequência 200Hz e tensão de pico de 4,5V. A Figura 14 apresenta o diagrama esquemático do circuito.

De acordo com os estudos teóricos, tem-se os cálculos: (Com R2 = 100kΩ, R1 = 15kΩ e VSAT = ±15V)


𝑅2= 𝑉𝑐𝑐 ∗

𝑅1

𝑅2= 𝑉𝑠𝑢𝑝 → 𝑉𝑠𝑢𝑝 = 15 ∗

15𝑘

100𝑘= 2,25𝑉


𝑅2= 𝑉𝑒𝑒 ∗

𝑅1

𝑅2= 𝑉𝑖𝑛𝑓 → 𝑉𝑖𝑛𝑓 = −15 ∗

15𝑘

100𝑘= −2,25𝑉

Com os cálculos realizados, obtém-se tensões de comparação simétricas, de valores ±2,25V. A partir disto elucubra-se que VS somente se saturará em +15V quando o sinal de entrada ultrapassar os 2,25V, e em -15V quando VE for ≤-2,25. A Figura 15 apresenta o diagrama temporal esperado para o circuito.

Figura 14 - Diagrama esquemático parte 2

Figura 15 - Diagrama temporal teórico, parte 2



Análise por Simulação

Para a análise por simulação, utilizou-se o software especializado em simulação de circuitos LabCenter Electronics Isis Proteus® versão 8.1. A partir da ferramenta de osciloscópio digital do programa, foram coletados os resultados que seguem:

Parte 1 Diferentemente do estudo teórico, a análise por simulação necessita da diferenciação entre os CI’s, pois o Proteus simula as possíveis diferenças entre o 741 e o 311, na tentativa de aproximação da realidade. Por isso os resultados são distintos entre os mesmos.

A) Comparador inversor de zero (VREF = 0V). – LM741

Baseou-se na folha de dados do fabricante Texas Instruments (disponível em Anexo) para as conexões corretas do LM741. Segue o circuito na Figura 16.

Para a entrada do sinal senoidal de 200Hz e VP=4,5V, proveu-se do componente VSINE. Para as tensões de alimentação VCC e VEE usou-se o componente fonte de tensão contínua VSOURCE.

Por experiência prévia, constata-se que a ferramenta OSCILLOSCOPE do software é fidedigna ao comportamento real. Com estas considerações, afirma-se que possíveis falhas aparecidas, tais como: assimetria do sinal, atraso nas transições, não saturação total, entre outras, são devidas à simulação dos resultados práticos e não por motivos de erros de software.

3

2

6

74 1 5

LM741

741

VEE15V

VCC15V

VEVSINE

A

B

C

D

Figura 16 - Circuito Proteus LM741 – item a)



A Figura 17 é a tela do osciloscópio digital virtual.

Para a avaliação correta configura-se a forma dos canais para ocuparem o máximo possível da tela, apresentando assim maior precisão; nível DC e canal fonte (referência) o de entrada.

Observa-se que o sinal de saída é uma onda quadrada, em fase com o sinal de entrada, como esperado teoricamente. VS satura-se positivamente em 14,02V e negativamente em -13,50V, revelando um provável e pequeno nível DC, mesmo sendo setado nulo, nas configurações da fonte VSINE.

Maiores informações sobre os resultados serão discutidos no tópico “Comparação de Resultados”.


Uma diferença significativa do 311 em relação ao 741 é o seu melhor rendimento por ser um circuito integrado diretamente voltado à aplicação como comparador, diferentemente do LM741 que é voltado à integração em circuitos de amplificação, sejam eles inversores ou não. Para a montagem tanto digital quanto prática de tal CI foi-se lido o datasheet do fabricante FairChild Semiconductor (também disponível em Anexo). A partir da leitura da folha de dados, percebeu-se que, por possuir estrutura interna não igual aos AmpOp’s destinados à amplificação, sua forma de uso precisa de uma montagem com elementos adicionais (como informado previamente na Revisão de Literatura). Tais elementos adicionais são conexões nos terminais de saída com o VCC e com o GND, dependendo do terminal. Há um resistor de limitação de corrente no ramo de conexão do terminal outuput (7) com o pino 8 (VSAT+). Na Figura 18 se vê o diagrama interno do CI.

Figura 17 - Osciloscópio digital Proteus - LM741 item a)



Assim como qualquer outro amplificador operacional o CI LM311 possui uma quantidade significativa de transistores, diodos e resistores em sua composição interior. Tal fato é fundamental para o funcionamento de qualquer integrado, pois atualmente os AmpOp’s utilizam da tecnologia de transistorização com semicondutores à base de silício, embora já haja implementações com tecnologia CMOS. O diferencial a que se releva aqui é o fato de o integrado resultar melhor nas mesmas condições aplicadas em relação ao outro CI, como se verá. Retornando à explanação, disse-se sobre o resistor que conecta o OUTUPUT e o VCC para haver corrente circulando no transistor PNP (representado como Q1 na Figura 18). O terminal GND é levado em curto ao terra para a condução da corrente que provém de Q5 e R4. O resistor utilizado é recomendado pelo fabricante como sendo em torno de 1kΩ, mas o seu valor pode variar de acordo com a aplicação tendida. Os pinos 6 (Strobe) e Balance (5) permanecem em aberto pois não fazem diferença nesta montagem. O circuito montado digitalmente, então, é o da Figura 19.

Figura 18 - Diagrama esquemático interno LM311

VEE15V

VCC15V

VEVSINE

A

B

C

D

2

3

1

84

7

56

LM311

LM311

R31k

Figura 19 - Circuito Proteus LM311 – item a)



O osciloscópio digital está na Figura 20:

Notam-se dados claramente melhores em relação aos prévios. Pelo canal B, a tensão de saturação positiva ultrapassa o valor máximo esperado, chegando a +15,01V. Enquanto negativamente satura-se em -14,84V. O tempo de resposta também é melhor.

B) Comparador inversor com VREF = 1,5V. – LM741

Com uma tensão de referência igual a 1,5V, basta retirar o terminal não-inversor do terra e conectá-lo a um potencial positivo de 1,5V.

Tal potencial é representado como VR, na Figura 21, que apresenta a montagem digital do circuito no ISIS Proteus.

Relembra-se que a inversão do sinal dá-se a partir das conexões e não com a inversão da tensão de referência e/ou outros potenciais elétricos do circuito.

Figura 20 - Osciloscópio digital Proteus - LM311 item a)

3

2

6

74 1 5

LM741

741

VCC15V

VEE15V

VEVSINE

A

B

C

D

VR1.5V

Figura 21 - Circuito Proteus LM741 – item b)



A análise com auxílio do osciloscópio digital virtual está na Figura 22.

Saturação positiva é 14,02V e negativa, -13,55V. Os pontos de transição de +VSAT para –VSAT e vice-versa distinguem-se, de mesmo modo. Enquanto a borda de transição ideal seria no ponto de referência (1,5V), as comutações ocorrem entre 1,48V e 1,52V.

B) Comparador inversor com VREF = 1,5V – LM311

Montagem semelhante ocorre com o LM311, apenas retirando o aterramento do pino V+ e inferindo uma tensão positiva de 1,5V. Mantêm-se as propriedades de montagem com o resistor no OUTPUT.

A Figura 23 apresenta o esquema de montagem realizado, com o Canal A monitorando o sinal de entrada, e o B a saída no terminal 7.

Figura 22 - Osciloscópio digital Proteus - LM741 item b)

VCC15V

VEE15V

VEVSINE

A

B

C

DVR1.5V

2

3

1

84

7

56

LM311

LM311

R31k

Figura 23 - Circuito Proteus LM311 – item b)



Na Figura 24, os gráficos obtidos no osciloscópio do Proteus.

A partir do medido, têm-se: saturação positiva = +14,99V, saturação negativa = -14,82V. Contrariamente ao 741, este CI efetua a transição de valores exatamente no ponto de comutação referido (1,50V). Em alguns instantes a realiza com antecedência, antes mesmo dos 1,5V (em torno de 1,46V).

C) Comparador não-inversor com VREF = 0V – LM741

A diferença mais significativa deste circuito em relação ao do item a) é a inversão de VS.

A montagem caracteriza-se por aplicar VE no terminal não-inversor do AmpOp e aterrar o terminal inversor, como demonstra a Figura 25.

Figura 24 - Osciloscópio digital Proteus - LM311 item b)

3

2

6

74 1 5

LM741

741

VCC15V

VEE15V

VEVSINE

A

B

C

D

Figura 25 - Circuito Proteus LM741 – item c)



Osciloscópio na Figura 26:

Tensões de saturação: +14,03 e -13,49. Início das transições exatamente quando valor nulo de tensão em VE.


Novamente a montagem do comparador LM311 segue as recomendações do fabricante do CI, tendo semelhanças com a do item b) como pode ser visto pela Figura 27. Para não-inversor de zero leva o terminal V- a um potencial elétrico nulo. VE leva-se ao terminal V+.

Figura 26 - Osciloscópio digital Proteus - LM741 item c)

VCC15V

VEE15V

VEVSINE

A

B

C

D

2

3

1

84

7

56

LM311

LM311

R31k

Figura 27 - Circuito Proteus LM311 – item c)



Osciloscópio digital virtual do ISIS Proteus para o CI LM311 parte 1 item c) na Figura 28.

VS saturando em +14,92V e -14,84V. Assim como o 741, o 311 realiza as transições exatamente quando VE = 0V.

D) Comparador não-inversor com VREF = -1,5V – LM741 Mais um circuito, porém agora sendo um comparador não-inversor de 1 nível, com tensão de referência igual a -1,5V. Novamente utilizando o Canal A para o monitoramento do sinal de entrada, e o Canal B para a saída (terminal 6). Montagem no software dá-se como está na Figura 29.

Figura 28 - Osciloscópio digital Proteus - LM311 item c)

3

2

6

74 1 5

LM741

741

VCC15V

VEE15V

VEVSINE

A

B

C

DVR1.5V

Figura 29 - Circuito Proteus LM741 – item d)



Print do utilitário “Digital Oscilloscope” a seguir, na Figura 30.

VSAT+ sendo +14,03V. VSAT- sendo -13,49V. Início da descida e subida do sinal exatamente em 1,50V.

D) Comparador não-inversor com VREF = -1,5V – LM311

Esquemático montado no Proteus na Figura 31.

Figura 30 - Osciloscópio digital Proteus - LM741 item d)

VCC15V

VEE15V

VEVSINE

A

B

C

DVR1.5V

2

3

1

84

7

56

LM311

LM311

R31k

Figura 31 - Circuito Proteus LM311 – item d)



Osciloscópio virtual na Figura 32.

Tensões de saturação positiva e negativa sendo iguais às encontradas na estrutura comparadora inversora com VREF = 0V. Tensão de saturação positiva e negativa, respectivamente iguais a +15,01V e -14,84V. Novamente VSAT+ ultrapassa o limite superior de 15V. Ocorre assimetria da onda.

O canal C, representa a curva da tensão de referência, que é -1,50V. Como pode ser visto pelo esquemático da Figura 31, o Canal C do osciloscópio foi conectado ao terminal negativo da fonte (VR), o que mede a tensão sobre o pino V- em relação ao terra.

As transições em VS tanto de subida quanto de descida ocorrem exatamente quando VE = -1,50V.

Observações

Quanto à qualidade das imagens: os números apresentam-se de forma quase ilegível por questões de qualidade da imagem e de configurações padrão do próprio programa. Pesquisaram-se formas de aprimoramento da visualização, porém o software somente disponibiliza as funções de alteração de cores e não de aumento das fontes utilizadas. Quanto as formas de medida: as medições realizadas na ferramenta OSCILLOSCOPE do software foram configuradas para análise DC, como é possível identificar por todos os prints das telas apresentados. Embora os sinais sejam AC, recomenda-se que seja mantida a chave de seleção em DC, segundo conselho do próprio professor orientador.

No entanto são encontradas certas diferenças (algumas delas significativas) quando se efetua a medição das ondas com a seleção em AC. Tal afirmação será melhor discutida no tópico “Considerações Relevantes”.

Figura 32 - Osciloscópio digital Proteus - LM311 item d)



Parte 2 A segunda parte do experimento propunha a análise teórica, montagem e simulação de um circuito comparador de 2 níveis, utilizando os mesmos integrados da parte anterior. Apresentava-se a forma de construção, e as configurações que deveriam ser aplicadas: sinal de entrada onda triangular com frequência de 200Hz e VPICO = 4,5V.

Dever-se-ia observar simultaneamente com a ferramenta osciloscópio virtual as ondas de entrada e de saída, os limites de saturação positivos e negativos e os instantes de transição. Também pedia-se a medição das tensões de comparação positivas e negativas (VSUP e VINF).

Novamente, relembra-se que em análise por simulação os resultados distinguem-se quando o CI é modificado. Por isto a necessidade de análise de ambos.

LM741 O circuito proposto é o da Figura 14: com um resistor de 15kΩ entre VE e o terminal não-inversor do AmpOp; resistor de 100kΩ entre V+ e output, mais outro resistor de 13kΩ conectando o terminal inversor com a massa. Foi-se transposto, então, da folha de instruções da atividade para o Proteus. O esquemático segue na Figura 33.

Para a aplicação da onda de entrada, foi usado o componente SIGNAL GENERATOR. Tal componente disponibiliza configurações sobre a forma de onda (triangular, senoidal, dente de serra ou quadrada), frequência e valores de tensão das mesmas. Tem um raio de operação de frequência que vai de mili até mega-hertz. Oferece, ainda, a escolha da polaridade da curva: unipolar ou bipolar.

3

2

6

74

15

LM741

LM741

VCC15V

VEE15V

R313k

AM FM

+

-

R2

100k

R1

15kA

B

C

D

Figura 33 - Diagrama esquemático Proteus - LM741 parte 2



Eis a janela de operação de tal, na Figura 34.

Com as definições aplicadas, pôde-se, então, iniciar a simulação. No osciloscópio foram obtidos: VSAT+ = +14,03V, VSAT- = -14,03V. Pelos

cálculos da análise teórica, os pontos de comutação deveriam ser simétricos em ±2,25V. Medido a partir do cursor coletou-se ponto de comutação positivo (VSUP, quando VS satura em VCC) em torno de +2,08V e negativo (VINF, quando ocorre saturação em VSAT-) cerca de -2,10V.

Na Figura 35 a impressão de tela.

Mediu-se, também, os tempos de transição positivo e negativo (ascensão – intervalo de tempo de subida e de queda) Para a subida tem-se 74,50µs e para a queda, 85µs.1

1 O fabricante TI (Texas Instruments) apresenta para o 741 um Rise Time típico de 0,3µs. No entanto tal RT é valido somente para condições específicas, quando o CI é aplicado em circuito dado pelo fabricante, determinadas na sua folha de dados.

Figura 34 - Janela de operação SIGNAL GENERATOR

Figura 35 - Osciloscópio digital Proteus - LM741 parte 2



LM324 Para tal CI é inevitável a presença das conexões fundamentais, já explicadas anteriormente, independentemente da estrutura a que está submetido. O diagrama esquemático montado no ISIS é o da Figura 36.

O circuito é semelhante e a análise por osciloscópio está na Figura 37.

2

3

18

4

75

6

LM311

LM311

VCC15V

VEE15V

R313k

AM FM

+

-

R2

100k

R1

15kA

B

C

D

R41k

Figura 36 - Diagrama esquemático Proteus - LM311 parte 2

Figura 37 - Osciloscópio digital Proteus - LM311 parte 2



A saturação positiva se dá muito próxima ao valor ideal, chegando aos +14,96V. A negativa altera-se com pouca intensidade: -14,86V. Quanto a VSUP e VINF ambos se localizam em +2,23V e -2,23V, respectivamente.

Agora, a grande diferença está nos tempos de transição. Enquanto o LM741 é passível de medidas temporais, seja rise ou fall time, a velocidade de transição do LM311 impossibilita tais operações. A Figura 38 realiza uma comparação:

A imagem da esquerda representa a mudança imediata de valor do CI referido, mesmo na escala mínima (0,5µs por divisão). Já a imagem da direita mostra a “lentidão” do 741, ainda em 10µs por divisão, pois com uma escala de tempo menor, a transição é tão lenta que ocupa mais do que a tela inteira. Esta é a principal vantagem dos integrados destinados primariamente a serem comparadores em relação aos que são projetados para a amplificação.

Figura 38 - Comparação dos tempos de transição Proteus parte 2



Análise Experimental

Após as análises por teoria e por simulação, parte-se para a análise experimental, através da montagem dos mesmos circuitos em breadbord.

Informações sobre os equipamentos e montagem

Quanto aos equipamentos: todos os equipamentos utilizados na montagem dos circuitos foram disponibilizados pela própria instituição: resistores de 1kΩ, 10kΩ, 15kΩ, 13kΩ e 100kΩ; osciloscópios digitais Tektronix modelo TBS-1062; geradores de sinais Minipa modelo MFG – 4201; fontes de alimentação 30V, 5A Instrutherm modelo FA-3003; fios de cobre; CI’s LM311 e LM741, sendo uma unidade de cada; cabos de conexão para osciloscópio, para fontes e para gerador de sinais; cabos de conexão banana-banana e banana-jacaré e matrizes de contato do fabricante ICEL Manaus modelo MSB-300.

Quanto a qualidade dos mesmos: a qualidade prévia dos equipamentos já recebidos foi avaliada e, em alguns casos, alterou a precisão dos dados adquiridos. Tal fato será melhor abordado no tópico “Considerações relevantes”.

Quanto aos CI’s: tanto o CI LM741 quanto o LM311 são DIP-8, ou seja, possuem duas fileiras de pinos, com 4 terminais em cada fileira. São SOC (System on Chip), por possuírem elementos eletrônicos internos com funções analógicas integradas num único componente. Possuem baixa dissipação de potência elétrica (aproximadamente 500mW), baixa corrente elétrica, não ultrapassando os 50mA.

Parte 1


Na Figura 39 tem-se a visão geral da forma de onda. A forma em laranja sendo VE e a em azul, VS. Pelo cursor do osciloscópio foi medido: VSAT+ = 14,4V e VSAT- = -13,6V. Ponto de comutação em -200mV.

Figura 39 – Print inversor 0 - LM741 parte 1

Figura 40 - Print inversor 0 subida - LM741 parte1

Objetivou-se, também, a verificação do intervalo de transição, apresentado na Figura 40. Tal transição foi medida, feito o cálculo de diferença entre os cursores e o resultado beira os 0,05ms.




A Figura 41 apresenta as formas de onda de entrada e saída adquiridas para a estrutura comparadora inversora com VR = 0V do CI 311.

Medindo-se a amplitude do sinal de saída (onda quadrada) com os cursores: +VSAT = 15,2V e –VSAT = -14,8V. Instante de comutação exatamente no potencial nulo.

Tensão de pico a pico exatos 30,0V

Já na Figura 42 há a tentativa de medição do tempo de subida para o mesmo integrado. Dificuldades foram encontradas por ser um intervalo muito curto, sendo algo ínfimo para as condições do equipamento. Há uma espécie borrão na onda, o que é justamente característico do osciloscópio, quando em medições extremas. Contudo obteve-se subida em torno de 0,02ms.

Neste primeiro item, já é possível identificar com discernimento as vantagens do comparador em relação ao amplificador, tanto em termos temporais (subida) quanto em modulares (limiares de saturação).

Na Figura 43 uma das fotos da montagem.

Figura 41 - Print inversor 0 - LM311 parte 1

Figura 42 - Print inversor 0 subida - LM311 parte1

Figura 43 - Foto da montagem para o item a)




Comparador inversor com tensão elétrica de referência igual a 1,5V, montado em prática tem os resultados vistos na Figura 44. Para a onda de saída adquiriu-se: VPP = 28,0V, VSAT+ = +13,8V, VSAT- = -14,2V. Ponto de comutação entre 1,20V (quando está subindo) e 1,40V (quando sofre queda). Tanto no fim da ascensão quanto no de descida de VS ocorre uma leve distorção para, então, estabilizar-se nas tensões de saturação.


Pelo cursor definido em tipo “amplitude”, mediu-se para VS, tensões de saturação positiva e negativa iguais a +15,2V e -15,0V, respectivamente.

O ponto de comutação, que deveria ser único de 1,5V (pois é um comparador em malha aberta) foi, na subida do sinal, igual a 1,40V e na descida sendo 1,60V.

Figura 44 - Print inversor 1,5 - LM741 parte 1

Figura 45 - Print inversor 1,5 subida - LM741 parte1

Na Figura 45 o tempo de subida para a curva em azul apresenta valor de 0,05ms. Salienta-se que a medida do intervalo de tempo de transição deve ser numa região linear, sem distorções, região tal encontrada geralmente entre 10% e 90% do valor de pico da onda.

Figura 46 - Print inversor 1,5 - LM311 parte 1



Quanto a questões de tempo de subida, novamente o comparador apresentou excelentes resultados (havendo de novo certas dificuldades de medição devido a sua velocidade). É relativamente dificultoso a descoberta de uma região linear nas suas transições. Após experiências e várias tentativas, definiu-se que a melhor escala de tempo para a medida dos intervalos é em 25µs por divisão, porque caso seja menor, o borrão laranja acentua-se. Obteve-se, portanto, tempo de subida igual a 0,01ms. Na Figura 48 mais outra fotografia da montagem em placa de ensaio.

Nesta primeira parte do experimento não houve a necessidade de resistores além do fundamental para o correto funcionamento do comparador. Apenas a

conexão das tensões com fios de cobre e os cabos banana-banana e banana-jacaré foram o suficiente.

Figura 48- Foto da montagem para o item b)

Figura 47 - Print inversor 1,5 subida - LM311 parte1




Agora, com o circuito comparador não-inversor e VREF = 0V, para o CI referido os dados são semelhantes ao item B): ponto de saturação positivo = +13,8V, ponto de saturação negativo = -14,2V. Ponto de comutação aproximado de -200mV.

A Figura 49 é a tela de impressão gravada a partir do osciloscópio.

C) Comparador não-inversor com VREF = 0V – LM311 Já com o outro integrado

estão os valores exatos: VSAT+ = +15,0V, VSAT- = -15,0V. Ponto de comutação = 200mV.

Números estes, presentes no gráfico da Figura 51, que reconfirmam a qualidade do CI quanto a pontos de saturação e instantes de modificação dos valores de potencial.

Figura 49 - Print não-inversor 0 - LM741 parte 1

Figura 50 - Print não-inversor 0 subida - LM741 parte 1

Em termos de tempo de transição o integrado comportou-se de forma parecida a antes. Com um intervalo de tempo de aproximadamente 49µs a média para o 741 é em torno de 0,05ms até a análise atual. Nota-se pela Figura 50 que o sinal azul (VS) começa a subir nos -200mV e estabiliza-se na tensão que deveria começar a subir (0V), revelando uma antecipação de transição.

Figura 51 - Print não-inversor 0 - LM311 parte 1



O gráfico da Figura 52 é semelhante ao da Figura 47 e apresenta a transição de VSAT- para VSAT+. Mostra que o sinal se estabiliza em VCC no momento em que deveria iniciar a transição, o que reafirma a antecipação e sensibilidade do dispositivo, mesmo em milivolts de intensidade.

O borrão prevalece. A Figura 53 é uma fotografia da bancada onde foi realizado o experimento,

com os cabos de conexão, a matriz de contatos, os CI’s e as fontes de alimentação na parte inferior, enquanto na parte superior localiza-se o osciloscópio digital e o gerador de sinais.

Figura 52 - Print não-inversor 0 subida - LM311 parte 1

Figura 53 - Foto da montagem para o item c)




Dados: +VSAT = +14,8V; VSAT- = -13,4V. A Figura 54 é a tela de impressão para o diagrama temporal mostrando a

forma geral das ondas de entrada e de saída. A Figura 55 é o gráfico do tempo de transição para o circuito deste item. A

transição, que é esperada em -1,5V inicia em -1,60V, e termina em -1,40V, com um tempo de subida em torno de 68µs de acordo com a diferença dos cursores.


A Figura 56 é o gráfico com as formas de onda. Vê-se de modo claro que o ciclo positivo é mais largo que o negativo (ocupa maior parte do período). +VSAT = 15,2V e –VSAT = -15,0V.

A Figura 57 apresenta o gráfico com o instante de transição positivo de VS. O intervalo de subida é de aproximadamente 10µs. O início da mudança do sinal é em -1,60V de VE e estabiliza-se em -1,40V.

Figura 54 - Print não-inversor -1,5V - LM741 parte 1

Figura 55 - Print não-inversor -1,5V subida – LM741 parte 1

Figura 56 - Print não-inversor -1,5V - LM311 parte 1



Na Figura 58 mais uma fotografia da montagem, com a bancada e as fontes de alimentação provendo as tensões de saturação (em segundo plano), enquanto a fonte para a tensão de referência está em primeiro plano com tensão setada em 1,5V.

Com estas informações e gráficos, termina a parte 1 da análise experimental da atividade. Segue a segunda.

Figura 57 - Print não-inversor -1,5V subida - LM311 parte 1

Figura 58 - Foto da montagem para o item d)



Parte 2

LM741 Para o LM741 seguiu-se o esquema de montagem informado na folha de instruções da atividade, que é o da Figura 33. Nesta parte do exercício seria necessário a integração de resistores de 13kΩ, 15kΩ e 100kΩ. VE é uma onda triangular de 200Hz com VPICO = 4,5V. A Figura 59 é o gráfico obtido.

Resultados: +VSAT = +14,6V; -VSAT = -13,4V. Nesta parte também objetivou-se a comparação dos tempos de transição tanto negativos quanto positivos. A Figura 61 é o gráfico de tempo de subida mostrando que inicia num instante diferentemente considerável: +2,0V (VSUP) e estabiliza em +2,08V. Já a Figura 60 é o gráfico de queda do valor do sinal que se aproxima mais do instante teórico: -2,24V (VINF), estabilizando em VSAT- quando VE está nos -2,32V

Figura 59 - Print comparador 2 níveis não-inversor - LM741 parte 2

Figura 61 - Print comparador 2 níveis não-inversor subida - LM741 parte 2

Figura 60 - Print comparador 2 níveis não-inversor fall time - LM741 parte 2



LM311 Com o LM311 baseou-se na Figura 36 para a montagem em protoboard. O gráfico da Figura 62 tem: pontos de saturação exatamente simétricos e coincidentes com o ideal - ±15,0V.

Na Figura 63 e a Figura 64 os gráficos com os instantes de transição. É perceptível a velocidade do CI, que efetua uma mudança imediata, resposta mais rápida que as obtidas na parte 1, com comparador em malha aberta. Os pontos de comparação dão-se quase nos 2,25V teóricos: VSUP em +2,23V e VINF em -2,20V.

Figura 62 - Print comparador 2 níveis não-inversor - LM311 parte 2

Figura 63 - Print comparador 2 níveis não-inversor subida - LM311 parte 2

Figura 64 - Print comparador 2 níveis não-inversor descida - LM311 parte 2



Na Figura 65 a foto da montagem para a parte 2 a partir de uma visão superior. Pela fotografia já identifica-se a presença dos resistores. As ponteiras de análise do osciloscópio estão uma no terminal 6 (Outuput) do CI e outra diretamente conectada no cabo de conexão de potencial positivo (vermelho) do gerador de funções. Comenta-se que primeiramente estava sendo utilizada uma quantidade considerável de fios de cobre para as conexões, o que levava a maior desorganização do espaço de trabalho e intensificava a possibilidade de falhas de conexão. Em alguns casos foram identificados problemas devido aos fios de cobre, o que levou a resolução: a redução máxima de fios e opção por conexões diretas, como pode-se ver pela foto a conexão direta da ponteira do osciloscópio no cabo positivo.

Aqui finalizam as análises dos circuitos. Segue a comparação dos resultados.

Figura 65 - Foto da montagem para a parte 2



Comparação de Resultados

A seguir serão realizadas comparações entre os resultados obtidos nas diferentes formas de análise, segundo consta os objetivos da atividade.

Comparação Prática x Prática: instantes de transição

Idealmente, o valor em tempo das transições tanto de subida quanto de descida devem ser iguais. Nem sempre são. A julgar pelo destino a que se utiliza o integrado, o 311 apresentará tais transições com o mesmo valor quando implementado em estruturas comparadoras, como se vê na Figura 66.

Sendo 0,01ms tanto subida quanto fall time, o LM311 supera o LM741 também neste quesito. Em alguns circuitos a distinção entre intervalos de tempo de subida e de descida chega a ser de 28µs, como é o caso do item d). Em frequências baixas, como a operada no experimento, tal atraso é irrelevante. Contudo, em altas frequências, este atraso pode ser complicador.

Comparação Simulação x Prática Pelas avaliações feitas dos circuitos montados, conclui-se que os resultados das simulações assemelham-se mais com os resultados práticos do que com os teóricos, algo que já era aguardado.

Embora não haja dados discrepantes, através dos cálculos realizados pela expressão matemática que permite a verificação da diferença percentual entre um valor em relação ao outro (semelhante à Equação 1 - Cálculo de divisão porcentual de largura do sinal) teve-se diferenças porcentuais não mais de 3%.

Figura 66 - Comparação entre intervalo de subida e descida, inversor 1,5V - LM311

parte 1



Comparação Teoria x Simulação x Prática

LM741 Por questões de espaço optou-se pela disposição da folha em outra orientação.

A Tabela 1 apresenta a comparação dos resultados práticos, teóricos e simulados para o CI LM741. O Gráfico 1 - Diferença porcentual média de Vsats entre prática e teoria LM741 ilustra a diferença porcentual entre teoria e prática com base nos dados da tabela. O eixo x representa os itens da atividade em ordem sequencial de realização dos mesmos. Vê-se que a maior diferença está no item 4 (item d), no qual foi feita a análise de um comparador não-inversor com tensão de referência igual a -1,5V. No entanto não há diferenças gigantes, nem entre teoria e prática, nem entre prática e simulação, nem entre simulação e experimental.

Tabela 1 - Comparação teoria x simulação x prática para o LM741

Gráfico 2Tabela 2 - Comparação teoria x simulação x prática para o LM741

0,351503144

1,6139305471,811906816

2,410539313

0,213827512

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 1 2 3 4 5 6

Diferença (%)

Itens

Diferença porcentual média LM741

Gráfico 1 - Diferença porcentual média de Vsats entre prática e teoria LM741



LM311

A Tabela 2 apresenta a comparação dos resultados entre as análises feitas dos itens em ordem sequencial. Assim como o CI anterior, não existem distinções muito grandes. O Gráfico 2 faz a ilustração e exemplificação dos dados entre prática e teoria de acordo com a tabela. É a diferença média entre os pontos de saturação experimentais e teóricos.

Relembrando: o item 1 representa o item a) comparador inversor de zero, o dois representa o b) e assim sucessivamente. Há a presença dos rótulos em cada ponto, e verifica-se que o item a) é o com a menor diferença porcentual: aproximadamente 0,49%; enquanto o b) possui a maior: 1,30%. A linha de tendência para o LM311 firma-se entre 0,8% e 1%, enquanto a do LM741 localizava-se entre 1% e 1,5%, como é possível identificar no Gráfico 1 - Diferença porcentual média de Vsats entre prática e teoria LM741.

0,498140503

1,307754427

0,807180073

1,17199495

0,604753097

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 1 2 3 4 5 6

Diferença (%)

Itens

Diferença porcentual média LM311

Gráfico 2 - Diferença porcentual média de Vsats entre prática e teoria LM741

Tabela 2 - Comparação teoria x simulação x prática para o LM311



Considerações relevantes

Neste tópico serão abordadas as considerações que merecem destaque após a realização da atividade. Serão apresentados problemas encontrados, soluções optadas, recomendações por experiência, tão como comentários sobre a simulação e a prática e as conclusões acerca dos circuitos integrados avaliados.

Constatações sobre as estruturas comparadoras Constatou-se em prática a teoria das estruturas comparadoras inversoras e não inversoras com amplificadores operacionais. Assim como nas estruturas de amplificação, na estrutura inversora ocorre a defasagem de 180° do sinal de saída em relação ao de entrada. Na não-inversora ambos os sinais estão em fase. Quanto a questões de finalidade, circuitos comparadores são aplicados, por exemplo, em sistemas de monitoramento de grandezas físicas, para o acionamento de alarmes e/ou reações quando se atinge um ponto de referência, como já ilustrado na Figura 3 e dito na “Revisão de Literatura”. Com o auxílio de um osciloscópio é possível identificar com clareza os momentos de transição do sinal, embora haja certas dificuldades quando é mais intensa a velocidade de resposta do integrado. Em contrapartida, caso já se obtenha os sinais VS e VE, e deseja-se encontrar a tensão de referência, basta localizar os pontos de transição da onda quadrada VS, e verificar qual o valor de VE quando neste instante.

Dificuldades, resoluções e recomendações Quanto às escalas do osciloscópio: uma observação e recomendação é a utilização da maior escala possível quando medindo os sinais no osciloscópio, para que a onda preencha quase todo o espaço da tela e haja maior precisão de dados. Todos os prints retirados em todas as medidas estão com a maior escala possível, uma escala maior não mostraria as ondas por completo. Uma desvantagem do modelo de osciloscópio digital Tektronik utilizado é a definição prévia das escalas em múltiplos de 5 (5µs, 10µs, 25µs) não existindo a opção de personalização e modificação mais específica das mesmas, como ocorre com outros osciloscópios e com o do Proteus.

Quanto aos intervalos de transição dos CI’s: assume-se que houve certa dificuldade de medição com o circuito integrado comparador (LM311). Simuladamente a transição era imediata, sendo impossível medi-la a partir da ferramenta cursor do Proteus. Em prática, algo semelhante: embora fosse possível, havia o problema de imprecisão do osciloscópio, por se tratar de escala de tempo ínfima. A curva tremulava constantemente na tela do equipamento, apresentando um borrão. Algumas soluções para tal é a aplicação de médias maiores nas definições “Acquire”, e o uso do botão Run/Stop, que paralisa a análise. No entanto ele apenas realiza um congelamento da imagem da onda, e não um aprimoramento da exibição da mesma.



Quanto às falhas de equipamentos: durante a realização do exercício foram identificados erros em certos equipamentos disponibilizados pela instituição. Um cabo de prova do osciloscópio estava danificado, apenas apresentando ruídos na tela. Algumas trilhas da matriz de contato não conectavam corretamente o circuito, por já terem sido queimadas (ora apresentando circuito aberto, ora curto). As fontes de alimentação variavam constantemente a tensão disponibilizada quando conectada a carga. O gerador de sinais já provia uma onda senoidal assimétrica, com DC Offset (nível DC) positivo, deslocando o sinal para cima no diagrama temporal. Alguns cabos banana não estavam com a borracha de isolamento elétrico totalmente fixas, o que levava a exposição do metal condutor, oferecendo riscos aos usuários.

Para a resolução de tais problemas recomenda-se a atenção quando operando os materiais de medição e a avaliação prévia da qualidade das ferramentas. Caso constate-se problemas, aconselha-se a troca dos equipamentos, o que foi realizado.

Quanto às imprecisões: as imprecisões são óbices que implicam de modo contínuo no fortalecimento da ideia da distinção entre o real e o ideal. Não basta apenas a realidade diferenciar-se do esperado teoricamente, mas também devido às imprecisões de medida os analisadores acentuam tal contraste. Imprecisões no gerador de frequência, que além de oscilar frequentemente o período do sinal disponibilizado, impossibilita a configuração “milimétrica” do usuário (ainda mais quando em baixas frequências - abaixo dos 1kHz). Imprecisões dos resistores, sendo utilizados os de 5%, mas que alteram o seu valor ôhmico de acordo com a temperatura e a potência dissipada. Imprecisões nas fontes de alimentação, embora possuam ajuste fino também oscilam. Imprecisões devido às condições a que o circuito está submetido, tais como pressão, vibrações, temperaturas, etc.

Sobre a simulação A seguir são discutidas informações relevantes sobre a simulação e o software especializado usado.

Tentativa de semelhança com a realidade Quanto à simulação vale considerar que o software tenta reproduzir um possível resultado que será obtido em realidade. O Proteus avalia os piores casos a que o CI possa estar submetido, todavia apresenta informações quando operado sob condições típicas de temperatura, corrente e tensão. Nesta questão é possível considerar que o software alcança um resultado satisfatório.

Alterações de componentes Assim como visto em relatório antecessor, a alteração dos componentes de fontes de alimentação VSOURCE e VSINE por ponteiras de tensão denominadas de “DC e SINE Generators” não alteram significativamente os resultados. As ponteiras DC e SINE possibilitam a customização mais aprofundada das características da fonte por parte do usuário, como: RT, porcentagem de ocupação do período de cada ciclo, nível DC e fator de amortecimento; enquanto



os componentes VSOURCE disponibilizam características padrão já pré-determinadas pelo programa. Quanto a outras alterações, comenta-se que (ao menos em simulação) a retirada do resistor de 13kΩ da estrutura de comparador com histerese não-inversor da parte 2 não altera de modo significativo as formas de onda resultantes, nem os instantes de transição. Há uma mínima mudança na corrente que é percorrida em tal ramo, o que é desprezível. A tentativa de análise sem o resistor de 13kΩ não foi realizada em prática.

Diferenciações AC/DC Proteus O utilitário de osciloscópio digital virtual do software ISIS Proteus® disponibiliza opções de medidas diversas. Uma, importante, é a chave seletora AC/DC/GND/OFF. A princípio, por lógica, para sinais de tensão alternada tal chave seria colocada em AC e para tensão contínua em DC. No entanto há uma observação relevante.

A Figura 67 é uma variação da Figura 22 que está presente na análise do CI LM741 na estrutura de comparador inversor com tensão de referência sendo 1,5V. A única diferença entre elas é a definição da chave em AC ao invés de DC.

E, enquanto a Figura 22 tem como resultado VSAT+ = +14,02V e VSAT- = -13,55V, a Figura 67 tem os seus valores simétricos em ±13,80V.

Isto revela que a análise em DC leva em consideração possíveis sinais parasitas, formas de onda com baixa frequência juntamente com um possível DC Offset. Com a seleção em AC as ondas serão puramente alternadas. Tais diferenciações podem levar a um entendimento errôneo do circuito.

Figura 67 - Análise AC Osciloscópio



Conclusões Discorrendo-se sobre os comparadores, apesar de se poder fazer analogias aos amplificadores, deve-se considerar que ambos são componentes eletrônicos distintos, embora os CI’s pertencentes aos dois tipos sejam chamados de AmpOp’s. Como foi visto na Revisão de Literatura, mais especificamente na Figura 2, suas estruturas internas são diferentes, o que resulta em comportamentos contrários. Pelos dados obtidos observa-se claramente que o LM311 supera o LM741 nas seguintes questões:

1) Valores de tensão resultantes: obtendo uma aproximação máxima

de VCC e VEE (em alguns casos ultrapassando tal margem);

Vale relembrar que as tensões VCC e VEE além de serem tensões de

alimentação, polarização do AmpOp, são, idealmente, as tensões de

saturação. No entanto em realidade a saturação não ocorre exata-

mente nestes valores, sendo representados os valores máximos e mí-

nimos atingidos pelos CI’s através da simbologia: VSAT+ e VSAT-, res-

pectivamente, de acordo com o índice de símbolos, unidades e abre-

viaturas. Em alguns casos (como na parte 2 com o circuito comparador

de 2 níveis não-inversor) o LM311 atingiu o ideal, sendo +VSAT = VCC

e –VSAT = VEE, algo que o LM741 não conseguiu em nenhum caso. Tal

fato intensifica a qualidade do LM311 nestes quesitos.

2) Instantes de transição: O LM311 efetua o início das bordas de tran-

sição dos valores de VS na maior parte dos circuitos exatamente nas

tensões de referência;

3) Slew Rate e Subida2: LM311 sendo, em certos circuitos, mais do que

100% mais rápido do que o LM741. (Obs: como foi dito anteriormente,

as questões de slew rate e subida não são o foco principal deste rela-

tório, por isto são tratadas com menos detalhes).

Contudo, comenta-se que dependendo da finalidade, nem sempre o LM311 pode ser a melhor opção. Em questões de preço, tal CI posiciona-se em primeiro lugar, de mesmo modo. Enquanto o LM741 custa em torno de U$0,21 (R$0,53 na cotação do dólar atual)3 o 311 chega a custar o triplo (dependendo do vendedor/revendedor). Para projetos pequenos, com a presença de poucos integrados, a diferença é quase irrelevante. Mas, em grande escala, o preço pesa. Por isto também é relevante a consideração do custo-benefício para o projeto.

2 Quanto aos intervalos de transição, vale salientar que o tempo de subida é distinto do rise time. O RT é especificamente o tempo que o sinal leva para ir de 10% à 90% do valor de saturação do mesmo, sob condições e circuito específico, dado na folha de dados do fabricante. Enquanto o tempo de subida é qualquer intervalo de tempo que o sinal demora para atingir o seu valor máximo. 3 Preços americanos pela loja AliExpress. Cotação de 27 de outubro de 2014. Preços variam com o modelo do CI.



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Anexo

Folha de dados do CI LM741 (Fabricante Texas Instruments)



Folha de dados do CI LM311 (Fabricante FairChild Semiconductor)

amplificadores operacionais - comparadores de tensão de 1 e 2 níveis

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