sa tema 14 amplificadores especiales para el acondicionamiento de sensores

Amplificadores para el acondicionamiento de la seal

Tema 14 - 1

E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicacin de VigoDepartamento de Tecnologa Electrnica

TEMA 14ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES

AMPLIFICADORES ESPECIALES PARA EL ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES

SENSORES Y ACONDICIONADORES

Profesores: Enrique Mandado PrezAntonio Murillo Roldan


Tema 14 - 2


NECESIDAD DE AMPLIFICADORES ESPECIALESEntre los distintos sensores, tanto moduladores como generadores, se dan en ocasiones las siguientes situaciones:

Algunos sensores moduladores proporcionan, mediante un puente, una tensin o una corriente de amplitud reducida que debe ser amplificada. El amplificador utilizado debe tener tensiones de asimetra y corrientes de polarizacin mnimas y el circuito de acondicionamiento unas caractersticas de funcionamiento que minimicen la influencia del ruido electromagntico.

Algunos sensores tanto moduladores como generadores deben estar aislados galvnicamente del circuito de acondicionamiento que suele estar alimentado a partir de la red de alterna.

En algunas aplicaciones los sensores estn sometidos a cambios de temperatura elevados y es necesario minimizar la deriva de la tensin de asimetra de entrada.


Tema 14 - 3


DEFINICIN DE LOS AMPLIFICADORES ESPECIALESLos amplificadores especiales para acondicionamiento de sensores se pueden definir como circuitos amplificadores que poseen caractersticas adecuadas para realizar una o ms de las siguientes funciones:

Amplificar seales procedentes de elementos sensores, que se caracterizan por sus reducidos niveles de tensin, corriente o carga, en cuya amplitud est contenida la informacin.

Aislar los sensores del sistema electrnico al que se le proporciona la informacin generada por ellos.

Amplificar seales en ambientes industriales extremos en aplicaciones en las que la deriva trmica de las imperfecciones debe ser muy pequea.

Amplificar seales procedentes de sensores que poseen una elevada impedancia de salida y proporcionan corrientes de muy bajo nivel.


Tema 14 - 4


CLASIFICACIN DE LOS AMPLIFICADORES ESPECIALESLos principales tipos de amplificadores especiales se clasifican de acuerdo con la arquitectura del circuito en:

Amplificadores de instrumentacin (Instrumentation Amplifiers).

Amplificadores de continua conmutados o con autocorreccin de la deriva (troceadores) (Chopper Stabilized OperationalAmplifiers).

Amplificadores de aislamiento (Isolation Amplifiers).

Amplificadores de transconductancia [OperationalTransconductance Amplifiers (OTA)].

Amplificadores de transimpedancia [Current Feedback Amplifiers (CFA)].

Amplificadores logartmicos (Logarithmic Amplifiers)


Tema 14 - 5


AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN [PERE pgina 99] [PALL pgina 137]

Introduccin

Influencia de las cadas de tensin en las masasLos amplificadores inversores y no inversores realizados con un AO adems de amplificar la seal de entrada, tambin amplifican las seales parsitas generadas en la conexin entre masas.

( ) 211

21 ggio vvvR

Rv ++

+=

R 2

+

-

v o

R 1v i

v g1v g2

A otros circuitosA otros circuitos


Tema 14 - 6


AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACINIntroduccinSe pueden realizar de varias maneras pero el circuito ms utilizado es el obtenido a partir del amplificador restador (de modo diferencial) representado en la figura. Si el AO es ideal dicho circuito funciona de acuerdo con las ecuaciones:

1

1

22

1

21

43

4 vR

Rv

R

RR

RR

Rvo

+

+=

Si R2 = R

4y R

1 = R

3)v(v

R

Rvo 12

3

4=

Principales caractersticas No amplifica las seales generadas entre las masas. La impedancia del circuito conectado a la entrada no inversora es mayor que

la de la inversora. Para cambiar la ganancia hay que modificar dos resistencias.

Vo

V1R3

R 4

V2 +

-

R2

R 1


Tema 14 - 7


AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACINIntroduccinPara elevar e igualar la impedancia de las dos entradas del amplificador de modo diferencial se pueden colocar dos amplificadores seguidores.

Este amplificador iguala las impedancias pero en l hay que modificar tambin dos resistencias para cambiar la ganancia. Este inconveniente propici el desarrollo de un circuito mejorado que dio lugar al amplificador de instrumentacin que se convirti en una innovacin incremental.

+

-

R 1

v o

R 2

R 4

R 3

+

-

v i

+

-


Tema 14 - 8


AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACINDefinicinCircuito electrnico formado por varios amplificadores operacionales que posee las siguientes caractersticas:

Elevada impedancia de entrada. Elevada relacin de rechazo de modo comn (CMRR). Ganancia estable que se puede variar con una sola resistencia. Elevada ganancia y elevado ancho de banda independientemente

de la misma. Tensin y corrientes de asimetra (desviacin o desequilibrio)

(Offset) bajas con pequea deriva de temperatura. Impedancia de salida baja.


Tema 14 - 9


AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN

Para que se pueda modificar la ganancia del amplificador de mododiferencial mediante el cambio de una sola resistencia se sustituyen los dos amplificadores seguidores por el circuito de la figura.

G

ii

G

BAR

R

vv

R

vvi

G

+ =

=

En este circuito se cumplen las ecuaciones:

+

-

+

-

Vi-

A1

RG R1

R1

Vi+

A2

A

B

C

D

ENTRADA

de las cuales se deduce que el circuito solo amplifica la diferencia vi+ vi-.

( ) ( )BAG

GRGCD vv

R

RRiRRv

G

+=+= 112

2

( )+

+= ii

G

GDC vv

R

RRv 1

2


Tema 14 - 10


AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACINMediante la interconexin del circuito de la transparencia anterior y un amplificador de modo diferencial se obtiene un amplificador de instrumentacin implementado con tres amplificadores operacionales en el que se cumple:

( )+

+== ii

G

DCo vvR

R

R

R

R

Rvv 1

2

3

2

3 21

Smbolos de un amplificador de Instrumentacin

+

-

+

-

+

-

IA

+

-

+

-

Vi-

A1

RG R1

R1

Vi+

A2

R2

R2

R3

R3

A

B

C

D

Sense

Salida ( Vo)

Referencia

ENTRADA

DIFERENCIAL

A3

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN


Tema 14 - 11


AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACINUn amplificador de instrumentacin integrado ha de contener como mnimo los elementos representados en la figura a.La ganancia del amplificador se establece mediante una resistencia RG. Adems se puede modificar tambin la ganancia colocando dos resistencias R idnticas tal como se indica en la figura b.

(a) (b)

+

-

R 2

R 2

A3

R 2

R 2

R 1

R 1

+

-

A2

-

+

A1

+V

A

-V

B

1

2

V2

V1

2

1IAR G

V2

V1

+V

-V

R

SB

A

R


Tema 14 - 12


AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACINEjemplo de circuito de aplicacin de un amplificador de instrumentacin

Amplificador de un puente de medida


Tema 14 - 13


AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN PROGRAMABLE[PERE pgina 107]

La ganancia que debe tener un amplificador de instrumentacin vara de una aplicacin a otra. Adems cuando un amplificador de instrumentacin se utiliza como componente de un sistema de adquisicin de datos que posee un solo convertidor analgico/digital, debe tener, a veces, una ganancia diferente segn el canal.

Por ello los fabricantes de amplificadores de instrumentacin implementan circuitos de ganancia variable. Segn la forma en que se selecciona la ganancia se pueden distinguir:

Amplificador de instrumentacin de ganancia seleccionable mediante puentes entre terminales (Pin Programmable Gain).

Amplificador de instrumentacin de ganancia seleccionable mediante un multiplexor analgico (Software Programmable Gain), que recibe tambin la denominacin de PGA (Programmable GainAmplifier).


Tema 14 - 14


AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN PROGRAMABLEGanancia seleccionable mediante puentes

Smbolo de un amplificador de instrumentacin de ganancia

seleccionable mediante puentes

Ejemplo de un amplificador de instrumentacin de ganancia seleccionable

mediante puentes (AD624)

+

-

IA

R G1

R G2


Tema 14 - 15


AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACINEjemplo de circuito de aplicacin de un amplificador de instrumentacin programable mediante puentes entre terminales

Amplificador programable de un puente de medida


Tema 14 - 16


AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN PROGRAMABLEGanancia seleccionable mediante un multiplexor analgico

+

-

PGA

ProgrammableGain

R 3

R

+

-

-

+V1

V2

R 2

R 1

R 2

R 3

R 1

R

R

+

-

R

R

VS

DECODIFICADOR

Variables deseleccin

Q 0 Q 1 Q 2 Q 3

Smbolo


Tema 14 - 17


Caso prcticoPGA204PGA205

PGA204 PGA205 A1 Ao1 1 0 010 2 0 1

100 4 1 01000 8 1 1

GANANCIA SELECCIN

RED RESISTIVA DEREALIMENTACIN

SELECCIONABLE (RG, R1)

PROTECCINSOBRE-

TENSIONES

PROTECCINSOBRE-

TENSIONES

A2

A1

Vi-

Vi+

25k

25k

25k

25kSense

Salida (Vo)

Referencia

A1

A0

Vo1 V+

DIGITALCOMN

AjusteVos Vo2 V-

1

6 7 98

5

14

15

18

4

13

12

11

10

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN PROGRAMABLE


Tema 14 - 18


Ejemplo de circuito de aplicacin con entradas analgicas y ganancia multiplexadas

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN PROGRAMABLE


Tema 14 - 19


AMPLIFICADORES CON AUTOCORRECCIN DE LA DERIVA (CHOPPER STABILIZED AMPLIFIER) [PERE pgina 128] [PALL pgina 322]Son amplificadores que poseen una estructura adecuada para reducir al mnimo la deriva trmica y temporal de los circuitos de acondicionamiento. En ingls se les denomina Chopper Stabilized Operational Amplifier y en castellano se les puede denominar amplificadores de continua conmutados, aunque algunos los denominan amplificadores troceadores. Se utilizan en aplicaciones en las que se amplifican seales de bajo nivel en condiciones de trabajo exigentes. Ejemplo: Galgas extensomtricas entre -10C y 50C.FuncionamientoRealizan peridicamente el siguiente proceso: Miden peridicamente la tensin de asimetra de salida mediante la

anulacin de la tensin de entrada y la memorizan en un condensador CA.

Restan la tensin en bornes de CA de la tensin de entrada y el resultado lo memorizan en otro condensador CB para que la salida est estable mientras se mide la tensin de asimetra.


Tema 14 - 20


AMPLIFICADOR CON AUTOCORRECCIN DE LA DERIVA (CHOPPER ESTABILIZED AMPLIFIER)


Tema 14 - 21


AMPLIFICADORES CON AUTOCORRECCIN DE LA DERIVA (CHOPPER ESTABILIZED AMPLIFIER)Ejemplo: TLC 2652 de Texas.


Tema 14 - 22


AMPLIFICADORES CON AUTOCORRECCIN DE LA DERIVA (CHOPPER ESTABILIZED AMPLIFIER)Ejemplo: TLC 2652 de Texas.


Tema 14 - 23


AMPLIFICADOR DE AISLAMIENTO (ISOLATION AMPLIFIER)[PERE pgina 115] [PALL pgina 167]

IntroduccinSe dice que existe aislamiento galvnico entre dos circuitos electrnicos cuando las seales generadas por uno se aplican al otro sin necesidad de que exista continuidad hmica entre ellos.El aislamiento galvnico tiene inters: En los terminales de entrada de los sistemas analgicos o digitales

conectados al mundo externo: Interruptores, finales de carrera, etc. En los terminales de salida de sistemas analgicos o digitales que

controlan dispositivos de potencia. Cuando se conectan sensores a equipos electrnicos alimentados

desde la red en los que se pueden producir sobretensiones. Esto no es en general admisible, especialmente cuando el sensor estconectado a un ser humano.


Tema 14 - 24


AMPLIFICADOR DE AISLAMIENTO (ISOLATION AMPLIFIER)IntroduccinReglas generales del aislamiento galvnico Independientemente del mtodo elegido es necesario aislar tanto

las seales de entrada con informacin de la medida, como la tensin de alimentacin (esta ltima puede ser o no independiente).

Existen mtodos de aislamiento tanto para seales analgicas como digitales.


Tema 14 - 25


AMPLIFICADOR DE AISLAMIENTO (ISOLATION AMPLIFIER)

Smbolos de los amplificadores de aislamiento

V i+

Vi-

+Vcc1

-Vcc1

+Vcc2

-Vcc2

Vo

V i+

Vi-

+Vcc1

-Vcc1

+Vcc2

-Vcc2

Vo

+

-

+

-

Clasificacin

El aislamiento galvnico puede ser:

- Capacitivo- Magntico- ptico


Tema 14 - 26



Aislamiento capacitivoEl amplificador esta dividido en dos partes acopladas mediante condensadores.

Dos variantes: Condensador flotante

Condensador en serieCONVERTIDORANALGICO/TEMPORAL

Seal

Cb

Tensinalimentacin 1

Cb

fo

fo

CONVERTIDORTEMPORAL/ANALGICO

Tensinalimentacin 2

Vo


Tema 14 - 27



Aislamiento capacitivo

Implementacin mediante condensadores en serieEl acoplamiento se puede realizar: Mediante modulacin de frecuencia

Ejemplo: ISO 102

Mediante modulacin de anchura de impulsos (PWM)Ejemplo: ISO 124


Tema 14 - 28


AMPLIFICADOR DE AISLAMIENTO (ISOLATION AMPLIFIER)Aislamiento capacitivoISO 102: Ejemplo de IA con modulacin de frecuencia

OSCI-LADOR

fo

+5 VSALIDA

DETECTORDE

FRECUENCIA

FILTRODE

BUCLE

FILTROPASOBAJO

fo

+5 VSALIDA

AJUSTEDESPLAZ. +Vcc2-Vcc1

BARRERA DEAISLAMIENTO

-Vcc2+Vcc1

REF1

REF2

VCO

VIN

BUCLE ENGANCHADO ENFASE PLL

Vo(VSAL)

C2

COMNDIGITAL

COMNENTRADA

AJUSTE DEGANANCIA

Vi

DESPLAZ.0,5k

2,5k

24,5k

97,5k

VCO3pF

3pF

3k

3k

AMPL.

1

2

3 4 10

1112 13

14

15

16

21

22

23 24

COMNSALIDA

C1

fofo

of

9


Tema 14 - 29


AMPLIFICADOR DE AISLAMIENTO (ISOLATION AMPLIFIER)Aislamiento capacitivoISO 124: Ejemplo de IA con modulacin PWM


Tema 14 - 30



Aislamiento magnticoEst basado en la utilizacin de transformadores.


Tema 14 - 31



MODULADOR

DEMODULADORY FILTRO PASO

BAJO

OSCILADORRECTIFICADOR

Y FILTRO

V5

FB

G=1

IN+

IN-

COMNENTRADA

+VISO

SALIDA

1

2

3

4

5

+7,5

-7,5

ENERGA

SEAL

AD202

25kHz

Hi

Lo

Vo

+15V DC

MASA DE LAFUENTE DC

Vs V/F Vo

38

37

31

32

6

-VISO

SALIDA

V5

F/VV/F

AD202/20416

3,8

6,553

SEAL

Aislamiento magnticoAD202/204: Ejemplo de IA con aislamiento magntico


Tema 14 - 32



Aislamiento pticoBasado en la combinacin de emisores y receptores de luz.

Puede ser: Directo

Mediante seales temporales


Tema 14 - 33


AMPLIFICADOR DE AISLAMIENTO (ISOLATION AMPLIFIER)Aislamiento ptico directoCircuito bsicoSe caracteriza por la falta de linealidad.


Tema 14 - 34



Aislamiento ptico directoCircuito realimentado para linealizar la caracterstica de transferencia


Tema 14 - 35



Aislamiento ptico a travs de seales temporalesLa seal analgica se convierte en temporal por medio de un convertidor analgico/temporal (por ejemplo un convertidor V/F tensin/frecuencia), se transmite a travs del acoplamiento ptico y se vuelve a convertir en analgica mediante un convertidor temporal/analgico (por ejemplo un convertidor F/V frecuencia/tensin).

CONVERTIDORANALGICO/TEMPORAL

Sealanalgica

L

E

D

CONVERTIDORTEMPORAL/ANALGICO

ACONDICIONAMIENTOSeal

analgica

F

o

t

o

d

i

o

d

o


Tema 14 - 36



Ejemplo de aplicacin de amplificadores de aislamiento que alimentan puentes de medida

+Vcc

+Vcc1

X

(1)ISLA1

+-

-Vcc

+Vcc

+Vcc2

(2)

ISLA2

+-

-Vcc

ISLA3

CIRCUITO DEMEDIDA

+Vcc

-VccT


Tema 14 - 37


AMPLIFICADOR DE AISLAMIENTO (ISOLATION AMPLIFIER)Parmetros caractersticos especficos

IMRR

VRiv ISOFso =

FISO

s

Fcso RIMRRV

R

R

CMRR

vvv

= *

VISO: Tensin que puede soportar el amplificador entre las masas de entrada y salida.

IMRR: (Isolated Mode Rejection Ratio) Parmetro que representa el efecto que la tensin entre el bloque de entrada y el de salida tiene sobre el funcionamiento.

Si la seal de entrada es una corriente:

Si la seal de entrada es una tensin:

+

-

RF

Io

IMPEDANCIADEL

AISLAMIENTO

R IN

IL

COMN DELCIRCUITO DESALIDA

COMN DELA ENTRADA

ViCM

VS

RSIS VISOIMRR*

Ii

VISO

Vo

CMRRViCM

*IMRR en A/V

-

+

Z ISO

BARRERA DE AISLAMIENTO


Tema 14 - 38


AMPLIFICADOR DE TRANSCONDUCTANCIA (OTA)[PERE pgina 126] [PALL pgina 137]Es un modelo de amplificador que entrega una corriente de salidaproporcional a la tensin de entrada. Constituye una fuente de corriente controlada en tensin, denominada CSVC (acrnimo de Current SourceVoltage Controlled). Suele recibir el nombre de OTA (acrnimo de Operational Transconductance Amplifier).

T

ABCm

V

Ig

2=

B

DCCABC

R

VVVI 11

=

Salida

V1

( )

( ++++ )

Io

++++Vcc

Vcc

Entradas

R B

IABCVD1

Corriente de salida

en la cual:

( )+ = iimO VVgI


Tema 14 - 39


AMPLIFICADOR DE TRANSCONDUCTANCIA (OTA)IABC

Io

+V

IL

Io

Esquema del OTA LM13700


Tema 14 - 40


AMPLIFICADOR DE TRANSCONDUCTANCIA (OTA)

Aplicacin tpica del OTA LM13700: Oscilador de onda cuadrada/triangular controlado en tensin

(Triangular/Square Wave VCO)

EJEMPLO DE OTA: LM13700

Smbolo


Tema 14 - 41


AMPLIFICADOR DE TRANSIMPEDANCIA[PERE pgina 124] [PALL pgina 328]

Circuito convertidor de corriente en tensin cuya ganancia ZmOL, se denomina ganancia de transimpedancia y se expresa en ohmios. Recibe el nombre de CFA (Current Feedback Amplifier).

Ganancia en tensin (configuracin no inversora)Si RB es pequea se tiene:

OLF

G

FOL

i

O

ZmR

RR

Zm

V

V

+

+

=

1

y si ZmOL es elevada se tiene:

G

F

i

O

RR1

VV

+=

Caractersticas Elevada ganancia: ZmOL = 2 M Ancho de banda: > 100 MHz

e

G

i

F

iO IR

V

R

VV=+

OLeO ZmIV =

CFA

SMBOLO

CIRCUITO EQUIVALENTEIDEAL

IS

+ ZmOL ICVoIe

IF

+1+

+1

RF

RB

Ie ZmOLVi

Vo

RG

Ie

CIRCUITO EQUIVALENTE REAL


Tema 14 - 42


A

m

p

l

i

t

u

d

d

e

l

a

S

a

l

i

d

a

,

d

B

Ganancia = 1Vcc = 15 V

Ri = 150 OhmVi = 200 mV RMS

Frecuencia f, Hz

THS 3001TEXAS INSTRUMENTS

A

m

p

l

i

t

u

d

d

e

l

a

S

a

l

i

d

a

,

d

B

Ganancia = 1Vcc = 15 V

Ri = 150 OhmVi = 200 mV RMS

Frecuencia f, Hz

THS 3001TEXAS INSTRUMENTS

AMPLIFICADOR DE TRANSIMPEDANCIA

+ ZmOLICVo

Ie

+

RBRo

Vi

RF

RG

+ ZmOLICVo

Ie

+

RBRo

Vi

RF

RG

Ejemplo de CFA: THS3001 de Texas

Configuracin no inversora


Tema 14 - 43



Ejemplo de CFA: THS3001 de Texas


Tema 14 - 44



Aplicacin del TCSH301

Utilizacin del amplificador de transimpedancia como amplificador electromtrico.


Tema 14 - 45


AMPLIFICADOR LOGARTMICO[PERE pgina 130]Amplificador cuya tensin de salida es proporcional al logaritmo de la tensin de entrada.

V inV in=100V xV in=10V x

V in=V x

Ideal

Real

2V y

Vy

oV=xVinVlog.yV

V in VoLOG

Escalalogartmica

x

inyo

V

vVv 10log=


Tema 14 - 46


AMPLIFICADOR LOGARTMICOArquitecturas de implementacin

Amplificador logartmico con diodo Amplificador logartmico de video Amplificador logartmico de deteccin

sucesiva

Amplificador logartmico con diodo

R

Ii

I = I i

D

Vo

-V i

I

VDIODO

I

V

+ -

I

Vo

i

o

io

IR

v

I

i

q

kTv

= log06,0ln

sa tema 14 amplificadores especiales para el acondicionamiento de sensores

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