Guia de design para comparadores de amp op de alta frequência

Em comparação com aplicações de comparador com base em tensão DC/frequência muito baixa, as aplicações de comparador de alta frequência requerem parâmetros e considerações adicionais para fornecer melhor eficiência de processamento de sinal. Como as aplicações de tensão CC, também em aplicações de alta frequência, os amplificadores operacionais estão sendo usados em vez de comparadores. Mas, durante o processamento do sinal de alta frequência, os Op-Amps não exibirão o mesmo desempenho da entrada do sinal DC. Antes de usar o Op-Amp para aplicações de comparador de alta frequência, o projetista deve saber como os diferentes parâmetros do Op-Amp variam durante os diferentes intervalos de frequência.

Como o desempenho do Op-Amp difere para sinais CC e de alta frequência?

Para entender o fenômeno de alta frequência do Op-Amp, é necessária uma análise da estrutura interna do Op-Amp. O diagrama esquemático interno do LM324 Op-Amp é mostrado na Figura – 1 dado abaixo e a Estrutura Interna do Comparador LM339 é mostrada na Figura 2.

Figura 1: Estrutura interna do LM324 Op-Amp

Figura 2: Estrutura interna do comparador LM339

Comparando as duas figuras, podemos descobrir que junto com o transistor e as fontes de alimentação, no Op-Amp há a presença de um Capacitor enquanto, no Comparador, não há capacitância dentro do Circuito. O Capacitor “Cc” presente dentro do Op-Amp é chamado de “Capacitor de Compensação” que define a operação de alta frequência de um determinado Op-Amp. Entre os vários parâmetros operacionais de alta frequência, o ganho é o parâmetro mais importante de qualquer amplificador operacional para qualquer aplicação. Para aplicações de Comparador, o Op-Amp usará um ganho máximo do Op-Amp, e a variação de ganho devido à frequência é o primeiro parâmetro notável em Op-Amp para aplicação de comparador.

A variação de ganho para diferentes sinais de frequência do LM324 Op-Amp pode ser encontrada na curva de resposta de frequência de malha aberta que é mostrada na Figura 3.

Figura 3: Resposta de frequência de malha aberta

Com base na curva de folha de dados de resposta de frequência de malha aberta, podemos descobrir que o ganho do Op-Amp reduz com o aumento da frequência. Para menos de 10 Hz, o Loop aberto pode fornecer o ganho máximo e em torno de 1 MHz de frequência, o ganho é de 0 dB (1 V / V). Nesta condição, a tensão de saída é igual à diferença apenas entre a tensão do terminal inversor e não inversor. Além disso, a partir da grande resposta de frequência do LM324 Op-amp mostrado na Figura 4, a oscilação da tensão de saída é reduzida com o aumento da frequência. Na Figura 4, para 15V Vcc, podemos obter a saída máxima de 13,5V do LM324 Op-Amp enquanto, se a frequência do sinal for 10kHz, a tensão de saída é de apenas 10V e em 100kHz, é em torno de 1V. Portanto, como as aplicações DC, os comparadores não podem ser substituídos diretamente por Op-Amp considerando apenas as classificações de tensão do dispositivo.

Figura 4: Resposta de grande frequência

Circuito de exemplo: gerador PWM usando dente de serra e sinal de referência DC

O circuito gerador PWM é o circuito mais amplamente usado em aplicações de controle de Eletrônica de Potência, onde a forma de onda dente de serra de frequência fixa é comparada com a tensão CC e, com base na magnitude da tensão CC, o ciclo de trabalho PWM é alterado.

Figura 5: Exemplo de aplicação de comparador de alta frequência

Neste exemplo, a entrada não inversora (V +) é aplicada com uma forma de onda dente de serra. A voltagem de baixo nível do Sawtooth (V +) é 0V e a voltagem de pico é 0,5V. A forma de onda da tensão CC da entrada inversora (V-) varia entre 0 V a 0,5 V. Se a entrada inversora (V-) for 0 V, então a saída é sempre alta (Vcc) ou 100% do ciclo de trabalho. Se a tensão de entrada de inversão for maior ou igual a 0,5 V, a tensão de saída é zero ou Vee. Neste exemplo, a tensão de entrada de inversão é mantida em 0,2 V e a resposta de saída de resposta com o Comparador LM339 é mostrada na Figura 7 e o respectivo circuito é mostrado na Figura 6.

Figura 6: Circuito do gerador PWM usando o comparador LM339

Figura 7: Resposta de saída do circuito do gerador PWM usando o comparador LM339 – 10KHz

O circuito gerador PWM com LM339 funciona melhor como esperado e para 5V Vcc, a tensão máxima de saída é igual a Vcc e a tensão mais baixa é igual a cerca de 120mV. Com base nas especificações da folha de dados, o 120mV quase corresponde a um nível típico de baixa tensão.

Tabela 1: Especificações do datasheet de tensão de saída de baixo nível do LM339

A resposta do mesmo circuito com o LM324 Op-amp é mostrada na figura abaixo.

Figura 8: Resposta de saída do circuito do gerador PWM usando o comparador LM324 – 10KHz

O circuito comparador implementado com LM324 produziu uma resposta diferente em comparação com a resposta com o comparador LM339. Colocando essas duas respostas de saída em uma única janela, conforme mostrado na Figura 9, podemos encontrar duas incompatibilidades principais.

1) Nível de tensão de saída

2) Tempo de subida e tempo de queda da resposta do Op-Amp

Em termos de nível de tensão de saída, os comparadores sempre produzem a tensão de saída igual ao Vcc e, em casos raros, pode ser 200mV menor ou maior que isso. Mas para Op-Amps, a oscilação máxima da tensão de saída é comparativamente menor do que o Vcc. A oscilação da tensão de saída do LM324 é fornecida na tabela abaixo. De acordo com as especificações da folha de dados, a tensão máxima de saída de 5 V – Vcc LM324 Op-Amp de saída é de apenas 3,5 V. Portanto, ao substituir o comparador por um Op-Amp, o projetista deve verificar se a oscilação da tensão de saída do Op-Amp atende aos requisitos.

Tabela 2: Oscilação da tensão de saída do LM324

Figura 9: Comparação de resposta de saída do LM339 e LM324 – 10KHz

O parâmetro mais importante que finaliza o Op-Amp pode ser usado como um comparador é a “Taxa de variação” do Op-Amp. A taxa de variação do Op-Amp é definida como o tempo que leva para o sinal de saída atingir seus 10% de magnitude a 90% de magnitude e é normalmente denotada na relação V/us. A taxa de variação do LM324 Op-Amp de acordo com a ficha técnica para ganho de unidade é de 0,5V/us.

Tabela 3: Classificação da taxa de variação do LM324

Antes de usar um Op-Amp para uma aplicação, particularmente para aplicações de comparador de alta frequência, o requisito de taxa de variação deve ser calculado com base na fórmula abaixo

Taxa de variação (V/s) = 2.π.f.V

Aqui f = frequência se o sinal a ser processado em Hz

V – Tensão de pico a pico do sinal de saída

Em nossa aplicação, precisamos processar um sinal de frequência de 10 kHz e a tensão de pico a pico de saída é 5V. Portanto, para este requisito, a taxa de variação mínima exigida do Op-Amp é:

Taxa de variação (V/s) = 2x3,14x10000x5 = 314000 V/s

Nas planilhas de dados Op-Amp, as taxas de variação são mencionadas em V/uS, e converter o resultado acima para V/us dá => 0,314V/uS. O outro parâmetro importante a considerar é que a taxa de variação obtida é apenas para ganho de unidade (onde a diferença de tensão de entrada e a tensão de saída são iguais) e a resposta da taxa de variação será reduzida com base no ganho mais alto (Op-amp como comparadores funcionarão estágio de ganho superior). Portanto, ao usar as aplicações de comparador Op-Amp, a taxa de variação deve ser maior do que o requisito calculado para obter a saída perfeita.

Na aplicação selecionada, a taxa de variação necessária é 0,314 V/us e o valor da folha de dados é 0,5 V/us com ganho de unidade, o que é muito baixo para esta aplicação de comparador e o LM324 Op-Amp deve ser substituído por uma alta taxa de variação Op -Amp.

Junto com a taxa de variação para obter uma melhor saída de alta frequência, a tensão de saída de pico também deve ser reduzida com base na frequência do sinal, conforme mostrado na Figura 4. A resposta de saída para o sinal de 100 kHz com comparador LM339 e LM324 Op-Amp é mostrada em Figura 10.

Figura 10: Comparação de resposta de saída do LM339 e LM324 – 100 KHz

A 100kHz, podemos ter uma ideia clara sobre a substituição do comparador pelo Op-Amp. Para operação de 100 kHz, o comparador LM339 ainda produz o sinal de saída necessário com tempos mínimos de subida e descida. Mas, a saída do comparador LM324 Op-Amp não é mais a forma de onda PWM. Devido à redução no ganho em frequências mais altas por causa do Cc – Capacitor de Compensação dentro do Op-Amp, o circuito Comparador baseado em Op-Amp está operando como um “filtro passa-baixas” em vez de um Comparador. Para frequência de 100 kHz, a taxa de variação necessária também é 3,14 V/us e não pode ser combinada com LM324 Op-Amp.

Para atender a esse requisito, a alta taxa de variação e a alta largura de banda Op-Amp devem ser substituídas em vez do LM324.

Conclusão

Para aplicações de comparação, é sempre melhor usar um comparador em vez de Op-Amp. Se o Comparador for substituído pelo Op-Amp para DC e sinais de frequência muito baixa, a oscilação da tensão de saída, a tensão do modo comum, a tensão do modo diferencial, a configuração da saída e a corrente do inversor são os parâmetros importantes que devem ser considerados para análise. Considerando que, se a aplicação for de alta frequência, junto com os pontos mencionados acima, a largura de banda Op-Amp, a taxa de giro e o atraso de propagação são os principais parâmetros de tomada de decisão. A resposta de sinal grande, que está relacionada à definição da tensão de pico para o cálculo da taxa de variação em diferentes frequências, também é adicionada e, para taxas de variação maiores, o consumo de corrente operacional do amp Op também é maior, o que aumenta a necessidade de energia do amp op. Devido ao aumento na potência operacional, a temperatura da junção / matriz do amp Op também pode aumentar, e os parâmetros térmicos também são levados em consideração antes de substituir o comparador por Amp Op.