PROGETTARE UN COMPARATORE A BJT


Immaginate di avere una gran voglia  di realizzare  il vostro progetto che staziona su un foglio da troppo tempo, la giornata è ideale per cimentarvi in tale meraviglioso passatempo; la moglie è dalla mamma, la figlia è dalle amiche, state soli in casa! Bene, accendete il saldatore, pulite la sua punta e cominciate a sistemare sul tavolino i componenti che occorrono, ma, manca qualcosa, cercate ovunque, nei cassetti, nell'armadietto, in terra, niente. Accidenti, eppure vi ricordate che lo avevate, puoi d'un tratto vi viene in mente che nell'ultimo lavoro lo avevate bruciato, e si, vi manca un comparatore. Cosa fare? E' domenica ed i negozi sono chiusi, non vi va di ordinarlo via internet perché arriverebbe troppo tardi, almeno tra tre giorni. Soluzione? Montatevi questo che presento, qualche transistor ce lo avrete, spero.

 

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

Lo schema elettrico è raffigurato in fig.1, ed in fig. 2 sono rappresentati i segnali temporali. 




I segnali da confrontare sono VIN e VREF, quest'ultimo ha un livello fisso prestabilito in base alle proprie esigenze ed impostato dal partitore R2-R6, l'altro è variabile e viene da una sorgente esterna al circuito. Gli stati ai quali vengono sottoposti i  transistor Q3, Q1 e Q2 sono tre:

STATO VIN < (VREF - 0.2V)

Fintanto che la tensione in ingresso VIN non raggiunge il livello di VREF diminuito di 0.2V, Q3 permane in interdizione e Q1 in conduzione, cerchiamo di capirne il perché. In fig 1 si nota che la resistenza R1 è in comune tra Q3 e Q1, ai capi di questa resistenza è presente la seguente tensione:

VR1 = VREF - VBE_Q1 = VREF - 0.7 

Infatti essendo Q1 in conduzione la tensione ai capi della sua giunzione base-emettitore è di 0.7V (circa), ma essendo:

VIN = VBE_Q3 + VR1 = VBE_Q3 + VREF - VBE_Q1 = VBE_Q3 + VREF - 0.7

dato che i bjt iniziano a condurre da circa 0.5V sostituendo:

VIN = 0.5 + VREF - 0.7 = VREF - 0.2V 

come volevasi dimostrare per valori di VIN più bassi di quello ricavato dalla suddetta formula  Q3 permane in interdizione ed il circuito di fig.1 può essere trasformato in quello di  fig.3 dove Q3 non appare mentre Q1, alimentato da VREF maggiore di VIN, è in conduzione.



Il circuito differenziale si riduce ad un emettitore comune con resistenza di degenerazione R1, le frecce indicano il verso delle correnti le quali hanno valore tale (vedremo quale in fase di progetto) da mantenere  Q2  in saturazione e, conseguentemente, la tensione VOUT molto vicina alla VCC cioè a livello alto. Si noti che la tensione del collettore di Q1 è a circa 11.3V (12 - 07), fatto che testimonia che Q1 è sicuramente in conduzione.

Per l'indagine temporale si faccia riferimento alla fig. 2. In essa, nel primo grafico in alto, è raffigurato il segnale VIN  che è una rampa ad 1KHz che varia da zero a 11 volt ed il segnale VREF che è una tensione continua di 5V, nel secondo grafico (sempre partendo dall'alto) sono raffigurati gli andamenti delle tensioni VBE di Q3 e di Q1, per ultimo, nel grafico più in basso, sono rappresentate le correnti di collettore di Q3 e Q1 e la tensione presente sul collettore di Q1.
Come si può notare nel riquadro blu (VIN < (VREF - 0.2V) per tutti i valori della tensione VIN da 0V a (5 - 0.2) = 4.8V la  tensione VBE_Q3 passa da valori negativi a 0.5V e la corrente IC_Q3 staziona a 0A, ovvero Q3 permane in interdizione. La tensione VBE_Q1 è a valore fisso pari a 0.7V dato che VREF è fissa, la corrente IC_Q1 ha un valore non nullo e la tensione VC_Q1 è pari ad 11.3V assicurando, come detto prima, la conduzione di Q2. Si  noti, inoltre, che la tensione ai capi di R1 (VR1) rimane costante dato che è generata dalla sola  tensione VREF diminuita di 0.7V (5 - 0.7 = 4.3V) che è costante.

STATO (VREF - 0.2) > VIN < (VREF + 0.2V)
Siamo nel riquadro arancione nella fig.2.
La tensione VIN appena supera 
 VREF - 0.2V (4.8V) Q3 inizia a condurre, la corrente IC_Q3 aumenta e con essa la tensione ai capi di R1. Essendo  VREF costante, la tensione VBE_Q1 diminuisce e con essa la corrente IC_Q1, nel punto in cui le due correnti sono identiche la tensione VIN raggiunge i 5V (sovrapposizione degli effetti), dopo di che la corrente IC_Q3 seguita ad aumentare e IC_Q1 a diminuire. La tensione VC_Q1 però permane  a 11.3V  dato che Q1  non è ancora interdetto  (esiste una piccola corrente IC_Q1 al ginocchio della sua curva, infatti Q1 è a limite della sua conduzione con VBE_Q1 = 0.5V) e VOUT rimane a livello alto. Si noti che la tensione su R1 si mantiene  costante fino alla eguaglianza delle due correnti dopo di che inizia ad aumentare con andamento identico al quello della tensione VIN (IC_Q3 prende il sopravvento su IC_Q1).
Il circuito in questo stato è raffigurato in fig. 4.




STATO VIN > (VREF + 0.2V)

A questo punto ci troviamo nel riquadro nero della fig. 1, la tensione VIN supera la VREF di 0.2V, Q1 va in interdizione (VBE_Q1 scende sotto i 0.5V), la corrente IC_Q1 va a zero mentre IC_Q3 aumenta con andamento uguale a quello della tensione VIN. La tensione VC_Q1 va a 12V e Q2 va in interdizione mandando a zero la sua uscita, il sistema ha commutato. La situazione in questo stato è raffigurata in fig. 5.


PROGETTO


Nella trattazione a seguire si faranno le seguenti approssimazioni:
1) Il transistor in saturazione, qualunque sia la corrente di collettore, presenta tra il collettore e l'emettitore una tensione pari a 0.3V e tra la base e l'emettitore una tensione  pari a 0.7V.
2) Il transistor in interdizione, qualunque sui la tensione presente tra il collettore e l'emettitore, si comporta come un circuito aperto (in esso scorre corrente pari a 0A).
3) Il ß statico del transistor è costante per tutte le escursioni delle correnti e delle tensioni.

Per avere un comparatore veloce è bene usare bjt con tempi di risposta  bassi, valori di td (Delay Time), tr (Time Rise), ts (Storage Time) e tf (Fall Time) dell'ordine dei nS vanno bene.
Se il data sheet non riporta tali tempuscoli indirizzate la vostra scelta su transistor che abbiano una frequenza di transizione uguale o maggiore di 100Mhz, in ogni caso vanno scartati a priori bjt di media ed alta potenza che sono troppo lenti.

Indizio con il transistor Q2. Esso ha due stati di funzionamento, saturazione ed interdizione.

Q2 IN SATURAZIONE (VOUT ALTO)
Quando Q2 è in saturazione  il suo collettore è a una tensione molto prossima a quella di alimentazione, infatti:

VOUT_saturazione = VCC - VCE_Q2_saturazione = 12 - 0.3 = 11.7V

in queste condizioni la corrente di saturazione che scorre tra il collettore e l'emettitore è la seguente:

IC_Q2_saturazione = VOUT_Q2_saturazione / R3 = 11.7 / 10000 = 1.2mA

La corrente di base richiesta per questo stato è la seguente:

IB_Q2_saturazione = IC_Q2_saturazione / ß = 1.2 / 200 = 6uA
(Prendete sempre il valore più basso di ß, indicato nel data sheet).
Per essere certo di mandare il transistor in saturazione (a causa della dispersione dei parametri tra  un transistor ed un l'altro anche dello stesso tipo) decido di far circolare una corrente 15 volte più grande:

IB_Q2_saturazione = 90uA

Questa corrente deve essere assorbita dal transistor Q1 assieme a quella circolante in R4.
Per poter dimensionare le resistenze R1 ed R4 occorre mettersi nella condizione più sfavorevole per mandare in conduzione Q1, ovvero quando il livello di riferimento è al suo valore minimo possibile che in questo circuito è di 1V (non si può scendere sotto questo valore perché la VREF deve alimentare sia la giunzione B - E che la resistenza R1, e quindi non può essere troppo vicina a 0.7V). Ai capi di R4, quando Q2 è in saturazione, dovrebbe essere presente una tensione di 0.7V, ma dato che questo ultimo valore è un'approssimazione di quello reale, per sicurezza scelgo di far cadere sulla resistenza 1V. Per avere una certa stabilità scelgo, inoltre, una corrente (IR4) da far circolare nella resistenza R4, pari a IB_Q2_saturazione, allora R4  è:

R4 = VBE_Q2_sicurezza  / (IB_Q2_saturazione) = 1 / 0.00009 = 11111 ohm

che approssimo a 12K.

La tensione ai capi di R1 è:

R1 = VREF_min - VBE_Q1) / (IR4 + IB_Q2_saturazione) = (1 - 0.7) / 0.00018 = 1666 ohm

che approssimo a 1K5.
(Ho considerato IE_Q1 = IC_Q1)

Per valori maggiori di VREF, ovviamente, Q2 sarà maggiormente forzato ad una saturazione più spinta.

CONCLUSIONI

Il circuito è molto semplice tanto da risultare non molto performante rispetto ai comparatori integrati, infatti la tensione minima di riferimento non può scendere sotto il volt e per far commutare l'uscita occorre una tensione VIN maggiore di almeno 200mV di quella di riferimento. 
Comunque in caso di urgente necessità va bene.

Fabio

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