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Disparador de Schmitt: un aleluya para los dos umbrales de conmutación

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Muchos factores distorsionan la señal deseada

Al transmitir las señales digitales sobre largas distancias a elevadas velocidades de datos, aparecen varias fuentes de interferencia que afectan a la señal deseada:

El carácter de paso bajo de la línea distorsiona la linealidad de la señal, esto es, las frecuencias bajas se transmiten, mientras que las frecuencias altas se filtran. Estas limitaciones dificultan o incluso imposibilitan la detección de la señal en la salida sin ambigüedades. La señal de onda cuadrada se dispersa.

La interferencia electromagnética proviene de las lámparas fluorescentes, el aparellaje de la red eléctrica o los inductores (bobinas o accionamientos por motor). Tienen espectros de frecuencia distribuidos aleatoriamente que interfieren o superponen las frecuencias de línea y, por lo tanto, distorsionan la señal. Para asegurar la suficiente calidad de la señal deseada, la relación de señal a ruido (SNR) también debe ser lo suficientemente alta. Sin embargo, un amplificador no distingue entre señales deseadas y no deseadas, sino que simplemente aumenta ambas por igual.

Otras líneas o canales de datos cercanos generan diafonía (crosstalk) debido al acople capacitivo o inductivo. Esto se aprecia mediante señales que suben o bajan rápidamente. Si una señal de este tipo pasa a través de una línea de transmisión, induce un ruido de diafonía en una línea adyacente, que se propaga como un ruido pulsado.

El ancho de banda del camino de transmisión también afecta a la señal deseada, ya que el espacio de frecuencia de los sistemas de transmisión de señales reales está limitado. Cuanto menor es el ancho de banda, más se dispersa la señal de onda cuadrada porque, a su vez, cuanto mayor es la frecuencia sinusoidal, menor es el componente de amplitud. Y de estas frecuencias, sólo aquellas que están dentro del ancho de banda del camino de transmisión pasan a través de la línea. A medida que aumenta la ganancia, el ancho de banda útil disminuye, ya que el producto del ancho de banda de ganancia (GBP), que es constante, se aplica a cada amplificador. Los componentes de alta frecuencia de la señal de entrada ingresan en el rango de salida con una menor amplitud.

Figura 4: Una onda cuadrada consta de una onda sinusoidal fundamental y armónicos impares (análisis de Fourier).
Figura 4: Una onda cuadrada consta de una onda sinusoidal fundamental y armónicos impares (análisis de Fourier).

La composición de la señal de diversas oscilaciones sinusoidales con frecuencias variables se vuelve cada vez más perceptible cuantos más componentes hay en la ruta de transmisión. La razón de esto se encuentra en las diferencias de tiempo de varias frecuencias, a través de estos componentes, que impiden llegar al receptor al mismo tiempo.

Los desajustes por impedancia provocan que una parte de la señal transmitida se refleje en los extremos de transmisión y recepción de una línea. Estos reflejos causan errores adicionales. Por ejemplo, en circuitos integrados (IC) lógicos CMOS, conducen a un mayor retardo y oscilación (ringing) de la señal, así como a un sobreimpulso (overshoot) y un subimpulso (undershoot).

Con los interruptores y los relés mecánicos, a menudo se produce inestabilidad (chattering – salto de contacto): en lugar de una transición limpia de cero a corriente completa, se genera una corriente eléctrica pulsada rápidamente. Esto provoca problemas, especialmente con los CI lógicos, ya que responden lo suficientemente rápido como para malinterpretar los pulsos de encendido-apagado como señales de datos. Los disparadores de Schmitt filtran estos «rebotes» gracias a los dos umbrales de conmutación. Este proceso también se conoce como “debouncing” (eliminación de rebotes).

Para evitar estas inestabilidades en la salida de señal, los componentes lógicos se deben controlar por pulsos con steep edges. Sin embargo, las señales externas suelen tener una subida finita o tiempo de caída (efecto slew rate). Por ejemplo, las señales de reloj de los osciladores de cristal empleados para controlar dispositivos PCB pueden tener un slew rate bajo. Al reducir la resistencia y/o la capacidad de la pista en la placa o aumentar la capacidad de excitación de la señal de entrada, es posible evitar la distorsión de la forma de onda de salida. No obstante, estos métodos suelen exigir mucho tiempo y ser costosos. Una forma sencilla de solventar estos problemas es el uso de un disparador de Schmitt. Convierte una señal lenta o ruidosa en una señal limpia con sharp edges (Figura 5) antes de pasar a la puerta lógica.

Amplio número de aplicaciones

Los ejemplos demuestran que el disparador de Schmitt es un componente versátil que se puede utilizar en servidores, switches de red, infraestructuras de telecomunicaciones, equipos de prueba y medida, controladores de robot, motores de pasos industriales, medidores y analizados de potencia y módulos de entrada digital para sistemas de automatización de fábricas. Ensamblar un disparador de Schmitt a partir de piezas discretas es un proceso exigente y, a veces, lento; el cálculo de los componentes individuales es muy complejo.

Un producto autónomo como el 74LVC14A de Diodes es una alternativa mucho más conveniente.

Disparador de Schmitt: un aleluya para los dos umbrales de conmutación
Con seis búferes de inversor de disparador de Schmitt independientes, el 74LVC14A de Diodes está especialmente indicado en una amplia variedad de aplicaciones.

Ofrece seis búferes de inversor de disparador de Schmitt independientes y está diseñado para operar con un amplio rango de tensión de alimentación de 1,65 a 5,5 V. Las entradas son tolerantes a 3,3 o 5,5 V, posibilitando que el dispositivo se use en un entorno de tensión mixta, y la tecnología CMOS garantiza el mínimo consumo de energía.

El 74LVC14A está especificado para aplicaciones con la corriente parcialmente cortada. Esta circuitería desactiva la salida, evitando daños en el reflujo de corriente cuando el dispositivo se encuentra apagado. Las puertas realizan la función booleana positiva, es decir, trabajan como inversores, negando así la señal de salida.

Además, el 74LVC14A se presenta en dos opciones de encapsulado (SO-14 y TSSOP-14) e incorpora protección ante la descarga electrostática (ESD). Resulta ideal en tareas de cambio de nivel de tensión, lógica de propósitos generales o aislamiento de señal de apagado en PC, redes, ordenadores portátiles y discos duros, por citar algunos ejemplos.

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