Comparadores de tensão: 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
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
C) Comparador não-inversor com VREF = 0V – LM311 ......................... 30
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
C) Comparador não-inversor com VREF = 0V – LM741......................... 42
C) Comparador não-inversor com VREF = 0V – LM311 ......................... 42
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
𝑅1 + 𝑅2
= 𝑉𝑐𝑐 ∗
𝑅1
𝑅1 + 𝑅2
= 𝑉𝑠𝑢𝑝
𝑅1
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)
𝑅1
𝑅2
= 𝑉𝑐𝑐 ∗
𝑅1
𝑅2
= 𝑉𝑠𝑢𝑝 → 𝑉𝑠𝑢𝑝 = 15 ∗
15𝑘
100𝑘
= 2,25𝑉
𝑅1
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
VEE
15V
VCC
15V
VE
VSINE
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
VEE
15V
VCC
15V
VE
VSINE
A
B
C
D
2
3
1
84
7
56
LM311
LM311
R3
1k
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
VCC
15V
VEE
15V
VE
VSINE
A
B
C
D
VR
1.5V
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)
VCC
15V
VEE
15V
VE
VSINE
A
B
C
D
VR
1.5V
2
3
1
84
7
56
LM311
LM311
R3
1k
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
VCC
15V
VEE
15V
VE
VSINE
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)
VCC
15V
VEE
15V
VE
VSINE
A
B
C
D
2
3
1
84
7
56
LM311
LM311
R3
1k
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
VCC
15V
VEE
15V
VE
VSINE
A
B
C
D
VR
1.5V
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.
Esquemático montado no Proteus na Figura 31.
Figura 30 - Osciloscópio digital Proteus - LM741 item d)
VCC
15V
VEE
15V
VE
VSINE
A
B
C
D
VR
1.5V
2
3
1
84
7
56
LM311
LM311
R3
1k
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
VCC
15V
VEE
15V
R3
13k
AM FM
+
-
R2
100k
R1
15k
A
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
184
7
56
LM311
LM311
VCC
15V
VEE
15V
R3
13k
AM FM
+
-
R2
100k
R1
15k
A
B
C
D
R4
1k
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.
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
1,613930547
1,811906816
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.

Referência Bibliográfica
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http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm741.pdf. Acesso em: 15 out. 2014.
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https://www.fairchildsemi.com/datasheets/LM/LM311.pdf. Acesso em 15 out. 2014.
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DA ELETRÔNICA. Disponível em:
http://www.clubedaeletronica.com.br/Eletronica/PDF/Amp-
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digital-fonte-alimentacao-digital.php. Acesso em 28 out. 2014.

Anexo
Folha de dados do CI LM741 (Fabricante Texas Instruments)

Folha de dados do CI LM311 (Fabricante FairChild Semiconductor)

Comparadores de tensão: 1 e 2 níveis

Comparadores de tensão: 1 e 2 níveis

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