Utilización de un comparador como amplificador operacional
para señales de variación lenta
En una aplicación de coste ajustado que contenga uno o más sensores, es habitual la utilización de un microcontrolador con un convertidor analógico/digital (ADC) integrado junto con periféricos de comparador analógico. No obstante, también suele ser necesario amplificar la señal de entrada hasta un nivel de tensión adecuado para la entrada del ADC. ¿Es necesario añadir un amplificador operacional al circuito, con sus problemas asociados de coste y espacio, o existe una solución mejor? Si la señal procedente del sensor se mueve con rapidez, un amplificador operacional añadido es probablemente la mejor solución, pero si es de variación lenta, quizá de un sensor de temperatura, humedad o luz ambiental, podría ser posible convertir uno de los comparadores libres existentes en la placa para que funcione como amplificador. La figura 1 muestra un circuito amplificador de ganancia no inversor que utiliza un comparador como componente activo.
Dependiendo del microcontrolador utilizado, la salida del comparador puede sincronizarse opcionalmente utilizando un circuito biestable (flip-flop) de tipo D. La frecuencia del reloj de sincronización generalmente puede ajustarse escogiendo el divisor más adecuado a partir del oscilador principal del microcontrolador. La red RC, R1, R2 y C1, se utiliza para escalar en sentido descendente la salida del comparador, la cual puede ser igual a 5V (tensión de alimentación) o a masa, y suministra una constante de tiempo RC. Para cada flanco del reloj de sincronización (sync clock), la salida del comparador queda enclavada al biestable D, el cual actualiza entonces la señal COUT a R1.
Asumiendo que inicialmente VCap sea menor que la tensión de entrada Vin, la salida del comparador está en estado alto. Cuando llega el flanco activo del reloj de sincronización, la salida del comparador queda enclavada a la salida del biestable (flip-flop). En consecuencia, la señal COUT pasa a estado alto, provocando que la tensión en VCap empiece a aumentar. En el siguiente flanco activo del reloj de sincronización, la tensión VCap pasa a ser más elevada que Vin, ocasionando así que la señal COUT pase a estado bajo. Ahora la tensión VCap cambia de dirección. Cuando llega la siguiente señal de reloj, VCap continúa descendiendo, pero supongamos que es todavía mayor que Vin. La señal COUT permanece entonces en estado bajo durante otro ciclo de reloj. Este funcionamiento sigue su curso mientras esté presente el reloj. A lo largo de muchos ciclos de reloj, la tensión VCap media es igual a Vin. Además, la tensión media en COUT puede expresarse utilizando la ecuación del amplificador de ganancia no inversor abajo indicada:
La tensión media en COUT puede extraerse utilizando un sencillo filtro RC paso-bajo consistente en R3 y C2, produciendo así una salida lineal Vout. Esta tensión puede ser leída utilizando un ADC, o bien puede emplearse para controlar otro periférico comparador. El biestable (flip-flop) de comparación puede suprimirse en algunas aplicaciones. No obstante, sin sincronización los únicos elementos de retardo en el sistema son el tiempo de respuesta del comparador y la constante de tiempo introducida por R1, R2 y C1. En esta configuración, la salida del comparador conmuta a una velocidad muy superior. Por tanto, el dispositivo consumirá probablemente una corriente de alimentación más elevada.
Se sometió a evaluación un circuito prototipo. La tensión de entrada varió entre un valor cercano a 0V y 0,65V, y se registró la tensión de salida. Se trazaron entonces las gráficas correspondientes a la función de transferencia y la ganancia, tal como muestra la figura 2. Se puede observar que la ganancia se acerca mucho al valor calculado y es prácticamente constante para el margen de valores de la comprobación. La ganancia aparece algo distorsionada cuando la tensión de salida se acerca a los valores de masa o de 5V. Dado que la señal COUT es igual a 0V o a 5V, los pulsos generados para que el valor medio sea preciso resulta más complicado cerca de tales extremos que en valores medios dentro del margen. En general, esta técnica debería ofrecer unos buenos resultados cuando la tensión de salida sea como mínimo igual a 0,5V desde cada vía (rail).
Gerald Soto, EES.
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