Sa Tema 13-Amplificadores Para El Acondicionamiento de Sensores

1

Amplificadores para el acondicionamiento de la seal

Tema 13 - 1

E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicacin de Vigo

Departamento de Tecnologa Electrnica

SENSORES Y ACONDICIONADORES

TEMA 13

AMPLIFICADORES PARA EL ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES

Profesores: Enrique Mandado PrezAntonio Murillo Roldan


Tema 13 - 2



INTRODUCCIN

Numerosos sensores proporcionan variaciones porcent uales muy pequeas de un parmetro elctrico en funcin de un a variable fsica de entrada.Ejemplo: Las galgas extensomtricas

Es ms fcil medir tensiones pequeas que tener una gran resolucin en la medida de tensiones grandes.

La mayora de los sensores proporcionan seales con tinuas que pueden permanecer en un determinado nivel durante u n tiempo indefinido.

Consideraciones generales

2


Tema 13 - 3



Caractersticas [PERE pagina 41]

Ad =

Zi =

Zo = 0

Anchura de banda =

Relacin de rechazo de modo comn CMRR ( Common Mode RejectionRatio ) infinita

c

dACA

MRR =

-

+

IB1

IB2

)v(-v(-)v

A od +=

c

oc V

VA =

Con V(-) - V(+) = 0

-

+Vc

+

-

Con V c = 0-

+

+-

-+

Vd /2

Vd /2Vo

Vo

CARACTERSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

Amplificador operacional (AO) ideal


Tema 13 - 4



DIAGRAMA DE BLOQUES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Q1 Q2

Q3 Q4

Q7

Q5 Q6Q 1 0

Q9Q8

Q 1 1

Q1 3

Q 1 2

Q1 5

Q1 4

Q1 6

Q1 7

Q 1 8

Q1 9

Q

Q2 1

Q2 2

Q 2 3

Q 2 4R2 R3 R4

R5 R6

R1

R7

R8R9

R 1 0

R 1 1

C1

I+

I-

+ V cc

V o

-V ee

T erm in a les d e a ju ste d e o f fset

Q1 Q2

Q3 Q4

Q7

Q5 Q6

Q9Q8 Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q 2 0

Q

R2 R3 R4

R5 R6

R1

R7

R8R9

R

R

C1

I+

I-

+ V cc

V o

-V ee

T erm in a les d e a ju ste d e o f fset

E tap a d een trad a E tap a d e salid a

E tap ain term ed ia

+

-IN V .V o

+ V cc

-Vee

N OIN V .

O F F S E T

+-

(a)

Ejemplo: AO 741

Etapadiferencial

Etapaintermedia

Etapade salida

3


Tema 13 - 5



AO ideal

[PERE pagina 41]

Como consecuencia de las caractersticas antes cita das:

Las corrientes a travs de los dos terminales de en trada del AO,denominadas corrientes de polarizacin ( Bias currents ), son nulas.

El AO no carga al circuito que se conecta a cualquie ra de sus entradas.

La tensin de salida del AO no se modifica al conec tar una carga a la salida, independientemente del valor de la misma.

El AO no atena ninguna seal de entrada independien temente de su frecuencia.

DIAGRAMA DE BLOQUES DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL


Tema 13 - 6




+

-

R 2

R 1v i

v o

NO

MB

RE

CIR

CU

ITO

AP

LIC

AC

ION

ES

YC

OM

EN

TA

RIO

S

Amplificador que invierte la seal de entrada.

Amplificador inversor

Amplificador que no invierte la seal de entrada. Su ganancia es siempre superior a la unidad.

Amplificador no inversor

Amplificador sumador/restador.

Amplificador genrico

+

-

R 2

R 1

v i

v o +

-R 1

v 1

v o

R 2R 1

R 2R 1

R 1

v 2

v 3

v 4

i1

2o vR

Rv = i

1

21o vR

RRv

+= ( )12431

2o vvvvR

Rv +=

AO ideal (operadores analgicos bsicos) [PERE pagin a 50]

4


Tema 13 - 7



AO ideal (operadores analgicos bsicos)

+

-

v i

v o

NO

MB

RE

CIR

CU

ITO

AP

LIC

AC

ION

ES

YC

OM

EN

TA

RIO

S Circuito adaptador de impedancias. Posee una elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida.

Seguidor de tensin

Amplificador utilizado para restar. Es el elemento bsico de los amplificadores de instrumentacin (AI).

Amplificador de modo diferencial o restador

Circuito bsico que proporciona una tensin de salida a partir de una corriente de entrada.

Convertidor corriente-tensin

+

-R 1

v o

R 2

R 2

R 1

v 1

v 2

io vv = iR=ov( )121

2o vvR

Rv =

+

-

R

i

Vo



Tema 13 - 8



NO

MB

RE

CIR

CU

ITO

AP

LIC

AC

ION

ES

YC

OM

EN

TA

RIO

S

Circuito bsico que genera una corriente a partir de una tensin.

Convertidor tensin-corriente

Circuito que calcula la integral de una tensin de entrada.

Integrador

Circuito que calcula la derivada de una tensin de entrada.

Derivador

+

-CR

v iv o

+

-

C

R

v iv o

1

io R

vi =

dt)t(dv

CRv io == dtt)(v

CR

1v io

+

-

R 2

R 1

v i

R 2

R 1

I o

R

CARACTERSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALESAO ideal (operadores analgicos bsicos)

5


Tema 13 - 9



+

-

R 1

R 1v i

R 2

R 2 / 2

+

-

R 2

v o

NO

MB

RE

CIR

CU

ITO

AP

LIC

AC

ION

ES

YC

OM

EN

TA

RIO

S

Circuito que rectifica la tensin de entrada y elimina la influencia de la cada de tensin en el diodo.

Rectificador de precisin

io vv =


AO ideal (operadores analgicos bsicos)


Tema 13 - 10



AO ideal (Comparadores)

Como el anterior pero la histresis se introduce alrededor de la tensin de referencia V ref 0

Comparador con histresis

Circuito que compara la tensin Vi con el nivel cero e introduce una histresis para evitar la conmutacin de la salida cuando Vi vara alrededor de cero

Comparador con histresis

Circuito que compara una tensin de entrada con una tensin de referencia.

Comparador bsico


+

-

Vi

VrefVo

+Vcc

-Vcc

+Vcc

-VccVref

+

-

R1

V1

R2

Vo

Vcc

-VccH

2 R2 VccR1+R2

H=

+

-

R1

V1

R2

Vo

Vref

Vcc

-VccH

2 R2 VccR1+R2

H=

Vref

6


Tema 13 - 11



IMPERFECCIONES ESTTICAS [PERE pgina 55]DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

Influencia de la ganancia diferencial en bucle abie rto A d(Open Loop Gain)

i

21

1d

do v

RRR

A1

Av

++

=Vo

+

-R1

R2

Vi

Vd

i+

i -

i+= 0

i-= 0

si A d = , resulta: i1

2o vR

R1v +=

En la prctica la ganancia A d no es infinita. Los AO de aplicacin general como e l AO-741 tienen una ganancia tpica (A d) del orden de 100 dB (10 5).


Tema 13 - 12



La resistencia de entrada es de algunas centenas de K en los AO cuya etapa de entrada utiliza transistores bipolares y a lcanza los 10 6 M en los AO con etapa de entrada implementada con transistor es de efecto de campo (FET).

( )id

1d

2

1

dio

rR

1A1RR

Avv

+++=

VO+

-

R2

ViR1

ii

+ AdVdVd r id

a

b

VoAd(-Vb)

ViR1

Vb

VoR2

(a) (b) (c)

si A d = r id = , resulta:

Efecto de la resistencia de entrada en un circuito i nversor

i1

2o vR

Rv =

IMPERFECCIONES ESTTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

Influencia de la resistencia de entrada ( Input Resistance)

7


Tema 13 - 13



Su influencia en V o es pequea

i

L

o

21

o

21

1d

21

o

21

2d

o v

Rr

RRr

RRR

A1

RRr

RRR

Av

++

++

+

++

+

=si r o = 0 y Ad = , resulta: i

1

2o vR

Rv =

(a)(b)

Ad(-Vb)

ViR1

Vo

R2

RL

R0

(c)

VO

ViR1

RL+

-

R2

Vd

ii

+AdVd

Vd

a

b

Voro


Influencia de la resistencia de salida r o (Output Resistance)


Tema 13 - 14



Nivel de la tensin que hay que aplicar entre ambas entradas cuando la tensin externa es nula, para que lo sea tambin la tensin de salida.

Su influencia es mayor cuanto menor es el nivel de l a seal a amplificar.

(a) (b)

1

21iood1 R

RRvv

+=

Tensin de asimetra (desviacin o desequilibrio) d e entrada

(Input Offset Voltage ) [V io/Vos]

Vd

a

b

Vo

+

-Vx

Vio

R1

+

-

R2

|Vod1|Vio


8


Tema 13 - 15



Corrientes i B1 e iB2 que circulan a travs de los dos terminales de entr ada.

VdVo

RTH+

RTH-

+

-

i b1

i b2

AMPLIFICADOR REAL

AMPLIFICADOR IDEALLas corrientes i B1 e iB2 generan una tensin diferencial de entrada:

Los fabricantes proporcionan:

b2Thb1Thd iRiRv + =

2ii

i B2B1B+= B2B1io iii =

Corrientes de polarizacin I B1 e IB2 (Input Bias Currents )

Corriente de asimetra (desviacin o desequilibrio) de entrada (I nput Offset Current )

Diferencia entre i B1 e iB2.



Tema 13 - 16



Influencia de las corrientes de polarizacin

o

+

-R1

R2

V

Vi

R1//R2(Rcomp )

+

-R1

R2

Vo

ViR1//R2(Rcomp )

+

-

R

Vo

R

i

(Rcomp )

+

-

R

Vo

Vi

R

C

(Rcomp )

+

-R

Vo

Vi

R

C

(Rcomp )

Para disminuir la influencia de las I B se utiliza R comp que iguala las resistencias equivalentes conectadas a ambas entrad as.

Para disminuir la influencia de I io no se deben utilizar resistencias de valores elevados (superiores a algunos K ).

No se puede eliminar de esta forma el efecto de la corriente de asimetra de entrada.


9


Tema 13 - 17




AMPLIFICADOR 741

Corrientes depolarizacin

Q3

Q10

R4

Q1 Q2

Q4

Q11

Q6Q5

R2R3

Q7Q7Q7

I+

I-

R 1

I B1

I B2

Q9Q8

~ 2,6 mV

Ajuste de offset(potencimetroexterno)

Vo

Tensin dedesviacinde entrada

Corrientesde entrada

Imperfecciones estticas del AO 741

Imxima = 20mA

+Vcc

-Vee

Vo

Q13

Q15Q14

Q17

Q20

Q21

Q24

R6

R7

R8R9 R11

C1

Q18

Q19

Q16 Q22

Q23

Margen de Vo


Tema 13 - 18



(b)

+

-V o

+V cc

-V ee

741

Offset nullpins

Afecta negativamente al ancho de banda

(a)

+

-V o

+V cc

-V ee+V cc -V ee

Compensancin de la tensin de asimetra ( Offset ) de salida

La tensin de salida debida a la tensin de asimetr a de entrada y a la diferencia entre las dos corrientes de polarizacin de entrada recibe el nombre de tensin de asimetra de salida.Algunos AO poseen terminales para anular la tensin de asimetra de salida ( offsetnull pins/ Vos TRIM) mediante un potencimetro. Si el AO no posee dichos terminales,

el ajuste se puede realizar a travs de la entrada no inversora.


10


Tema 13 - 19



Adems de tener una ganancia diferencial A d, los AO reales amplifican la seal aplicada simultneamente a ambas entradas y l a multiplican por un factor A c

dBA

log20CMRRc

d

= A

ccddv vAvAo +=

-

+

V2

+

-

V1

+

-

Vo

-

+

+-

-+

Vd /2

Vd /2

Vc

+

-

Vo

2/vvv;2/vvv;vvv dc1dc212d =+==

Se define la relacin de rechazo de modo comn CMRR como:

Relacin de rechazo de modo comn CMRR (Common Mode Rejection Ratio)



Tema 13 - 20



Amplificador en modo diferencial o restador

Si se considera:

se tiene:

Esta expresin indica que la salida del amplificador de modo diferencial es igual al valor ideal ms un trmino que es tanto mayor cuanto menor es el CMRR.

CMRRv

RR

)v(vRR

v 21

212

1

2o +=

Vo

+

-R1

R2

V1

R1

R2

V2

Vd

V+

V-

AdVd

AcVc

1

21cd R

RR2

AA

++>>


Relacin de rechazo de modo comn CMRR (Common Mode Rejection Ratio)

11


Tema 13 - 21



Resumen (I)

iv

RR

R

21

1d

do

A1

Av

++

=

Parmetro Influencia Cundo hay que tenerlo en cuenta y otras considera ciones

-Vomax+Vomax

Siempre es una limitacin

Importante si la tensin de alimentacin es baja (equipos porttiles)

En los AO de punta a punta ( rail-to-rail)

Vomax es casi igual a V CC

Rango de la tensin de salida(Output Voltage Swing )

omaxoomax vvv- +

EFECTOS DE LAS IMPERFECCIONES ESTTICAS SOBRE EL AO EN CONFIGURACIN NO INVERSORA

A d Con ganancias elevadas (R 2 grande en relacin

con R 1)

Con valores bajos de A d Cuando se tengan en cuenta la mayora de los

dems parmetros

Ganancia diferencial en bucle abierto(Open Loop Gain )

r id Con valores altos de resistencias R 1 y R2 Cuando la fuente de tensin de entrada tiene alta

resistencia de salidaResistencia de entrada(Input Resistance )

ro Con niveles de carga en la salida elevados

Es un parmetro poco importante en generalResistencia de salida(Output Resistance )

iv

RR

R

21

1d

do

A1

Av

++

=

i

id

v

RR

R

r

RR

21

1d

21

do

A//

1

Av

+++

=

io

L

o

v

RR

R

RR

r

R

r

21

1d

21

do

A1

Av

++

+++

=

IMPERFECCIONES ESTTICASDEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL


Tema 13 - 22



Resumen (II)

iv

RR

R

21

1d

do

A1

Av

++

=

Parmetro Influencia Cundo hay que tenerlo en cuenta y otras consideraciones

Vio (Vso) Cuando las entradas tienen un nivel de CC.

Cuando la tensin de entrada es pequea.

Puede ser preciso realizar ajustes.

Es uno de los parmetros ms importantes al seleccionar el AO.

Hay que evitar la saturacin debida a la tensin de asimetra de salida en casos de ganancia alta.

Tensin de asimetra(Input Offset Voltage)

(expresin vlida para la configuracin inversora y para la diferencial)

EFECTOS DE LAS IMPERFECCIONES ESTTICAS SOBRE EL AM PLIFICADOR NO INVERSOR

I BIio

Igual que en el caso de la tensin de asimetra.

IB se puede eliminar pero a veces no es necesario.

Con valores altos de las resistencias R 1 y R2Corrientes de polarizacin y asimetra(Input Bias and Offset Currents ) (Se aade a la tensin de desviacin)

Relacin de rechazo de modo comn

(Common Mode RejectionRatio )

(CMRR) Ad / Ac

Afecta al valor de la ganancia.

No tiene mucha influencia en el amplificador no inversor

(Slo para el amplificador en modo diferencial)

Cuando la tensin de modo comn tiene un valor elevado.

Cuando se pretende eliminar ruido de modo comn

Cuidado con su comportamiento en frecuencia!

dBiO vv +=ioTOTALv

( )i

21

1cd

cdo v

RRR

2/AA1

2/AAv

+++

+=

( )CMRR

vRR

vvRR

v 21

212

1

2o +=

1

21ov R

RRvv iooideal

++=

IMPERFECCIONES ESTTICASDEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

VdB= IB |RTH+ - RTH-|+ Iio |RTH+ - RTH-| / 2

12


Tema 13 - 23



Resumen (III)

Parmetro Influencia Cundo hay que tenerlo en cuenta y otras consideraciones

EFECTOS DE LAS IMPERFECCIONES ESTTICAS SOBRE EL AM PLIFICADOR OPERACIONAL EN CONFIGURACIN NO INVERSOR A

PSRR En sistemas porttiles (Alimentados con bateras)

Puede ser conveniente incluir reguladores de tensin en la alimentacin

Slo se tiene en cuenta para variaciones lentas

Relacin de rechazo de la alimentacin

(Power Supply RejectionRatio )

o

nAlimentaci

VV

log20SRRP

=



Tema 13 - 24



Ancho de banda ( Bandwidth )

lo g f0d B

1/

A

0

-90

-180

-20d B /d ec

-40d B /d ec

lo g f

IMPERFECCIONES DINMICAS [PERE pgina 76] DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

Definicin: Rango de frecuencias para el que la dis minucin de la ganancia es inferior a 3 dB ( 2). Por ejemplo en el 741 es 4Hz.

Debido a las capacidades parsitas la ganancia de u n AO disminuye al elevarse la frecuencia de las seales que se le aplican. Los AO en cuyo circuito no se conectan condensadores se comportan como sistemas l ineales de segundo orden que tienen dos polos en su diagrama ganancia-frecue ncia.

13


Tema 13 - 25



Ancho de banda ( Bandwidth ) de un circuito implementado con un AO

Vo+

-R1

R2

Vi

Ad

106dB

log f0dB

1/

B

B0dB

B

Ganancia delcircuito

Ad

A

Circuito amplificador no inversor realimentado con un factor Ganancia del amplificador no

inversor

21

1

1

RR

R

A

AG

d

d

+=

+=

IMPERFECCIONES DINMICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

Se obtiene a partir de la curva de ganancia en bucle abierto del AO y de la ganancia del circuito.

Ejemplo: AO741


Tema 13 - 26



Pendiente de cambio ( Slew Rate )

Vo+

-Vi

Vo

Log f

Vo

t

t

Vo

Vo

t

t

SR

SR

dtdVo

dtdVo

SR

SR

Log ff

ArmnicosgeneradosPrdida de

Real

Terica

SRSR

max

max 2

..

oV

RSf

=

IMPERFECCIONES DINMICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

Mxima pendiente de cambio de la seal de salida (s e suele indicar en V/s).

14


Tema 13 - 27



AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL

Principales parmetros que caracterizan a los AO rea les

La corriente de polarizacin de entrada I B (Input bias current ).

La corriente de asimetra de entrada I IO (Input offset current ).

La tensin de asimetra de entrada V IO (Input offset voltage ).

La mxima corriente de salida I OMAX (Maximum output current )

La ganancia de tensin en bucle abierto A O (Open loop voltage gain ).

La relacin de rechazo de modo comn denominada CMR R (Common Mode Rejection Ratio ).

La mxima pendiente de cambio de la tensin de sali da, denominada SR (Slew Rate ).

La resistencia de entrada R i (Input resistance ).

La resistencia de salida R o (Output resistance ).

El producto ganancia/ancho de banda ( Gain bandwidth product ).


Tema 13 - 28



AMPLIFICADOR OPERACIONAL IDEAL

Como resumen de todo lo expuesto anteriormente se p uede decir que el AO ideal se caracteriza por tener los siguie ntes valores de los diferentes parmetros de un AO real:

Corrientes de polarizacin y de asimetra de entrad a nulas.

Tensin de asimetra de entrada nula.

Ganancia de tensin en bucle abierto infinita.

Relacin de rechazo de modo comn infinita

Mxima pendiente de cambio de la tensin de salida, infinita.

Resistencia de entrada infinita.

Resistencia de salida nula.

Producto ganancia ancho de banda infinito.

15


Tema 13 - 29



Clasificacinde los

AmplificadoresOperacionales

Reales

Segn la tecnologade implementacin

Segn el valor de losparmetros estticos

Segn el valor de losparmetros dinmicos

De aplicacin general(General Purpose )

De parmetros mejorados(Low Offset, Low Drift, etc. )

Bipolares

BIFET

CMOS

Compensados internamente(Internal Compensation )

No compensados internamente



Tema 13 - 30



Tecnologas de implementacin


Amplificadores operacionales bipolares

Son AO en los que todos los transistores son bipola res NPN y PNP. Pueden ser de aplicacin general o de parmetros es tticos mejorados.

Segn la respuesta dinmica pueden estar compensado s internamente o no.

Amplificadores operacionales BIFET

Poseen transistores de efecto de campo en la etapa de entrada y bipolares en el resto. Tienen corrientes de polarizacin redu cidas pero en general mayor tensin de asimetra de entrada y mayor deriv a trmica.

Amplificadores operacionales CMOS

Realizados con transistores MOS de canal P y canal N. Se caracterizan por su bajo consumo y por tener corrientes de polarizac in prcticamente nulas.

16


Tema 13 - 31



AO de aplicacin general

Se caracterizan por tener los siguientes valores de sus parmetros mas caractersticos:

Corrientes de polarizacin y de asimetra del orden de decenas de nA.

Tensin de asimetra de entrada del orden de alguno s mV.

Ganancia en bucle abierto del orden de 100dB.

Resistencia de entrada del orden de varios M .

Resistencia de salida del orden de las centenas de .

Relacin de rechazo en modo comn del orden de 90 d B.

Producto de la ganancia por el ancho de banda compre ndido entre 1 y 10 MHz segn estn o no compensados internamente.



Tema 13 - 32



Se suelen realizar con transistores bipolares y se p ueden considerar ideales si se les aplican seales cuya amplitud no es inferior a algunas unidades de mV y su frecuencia no supera las decenas de KHz.

Segn su respuesta en frecuencia se dividen en dos c ategoras:

AO de aplicacin general compensados internamente.

AO de aplicacin general no compensados internamente .

AO de aplicacin general


17


Tema 13 - 33



AMPLIFICADOR OPERACIONAL REALDE APLICACIN GENERAL COMPENSADO INTERNAMENTE

Incorpora en su etapa intermedia un condensador que hace que su segundo polo est situado en el punto en el que la curva de respuesta en frecuencia se corta con el eje de abscisas del diag rama que representa la ganancia en bucle abierto en funcin de la frecu encia. Se suele decir que el primer polo es dominante. Se logra as que el amplificador operacional realimentado sea siempre estable.

lo g f0d B

1/

A

0

-90

-180

-20d B /d ec

-40d B /d ec

lo g f


Tema 13 - 34



Ejemplo: AO 741

El condensador C1 hace que el primer polo sea el dom inante.

(c)

(b)

+

-INV.Vo

+V cc

-V ee

NOINV.

OFFSET

+

-

(a)

Q 1 Q 2

Q3 Q 4

Q7

Q 5 Q6Q

10

Q 9Q 8

Q 11

Q13

Q 12

Q15

Q14

Q16

Q17

Q18

Q19

Q

Q21

Q22

Q23

Q24

R2 R3 R4

R5R6

R1

R7

R8R9

R 10

R 11

C 1

I+

I -

+ Vcc

Vo

- Vee

Terminales de ajuste de offset

Q 1 Q 2

Q3 Q 4

Q7

Q 5 Q6

Q 9Q 8 Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q20

Q

R2 R3 R4

R5R6

R1

R7

R8R9

R

R

C 1

I+

I -

+ Vcc

Vo

- Vee

Terminales de ajuste de offset

Etapa deentrada Etapa de salida

Etapaintermedia

AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE APLICACIN GENERAL COMPENSADO INTERNAMENTE

18


Tema 13 - 35



Respuesta en frecuencia del AO 741

(c)(b)

+

-INV.Vo

+V cc

-V ee

NOINV.

OFFSET

+

-

(a)

AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE APLICACIN GENERAL COMPENSADO INTERNAMENTE

Ad

106 dB

0 dB

4 Hz 1,5 MHz

-20 dB/dc

log f

741


Tema 13 - 36



Al realimentar un amplificador operacional no compe nsado internamente se puede tener una ganancia superior a 1 con un des fase de 180 (realimentacin positiva) y el amplificador oscila.

0dB

A

-20dB/dec

-40dB/dec

B

1/

Ad

log f 0dB

A

-20dB/dec

-40dB/decINESTABLE! 1/

(d)

A d

log f

AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE APLICACIN GENERAL NO COMPENSADO INTERNAMENTE

19


Tema 13 - 37



Permiten que el diseador pueda compensar el circui to externamente mediante la utilizacin de un condensador conectado de acuerdo con las indicaciones del fabricante.

log f0dB

-20dB/dec

-40dB/dec

1/

(a)

Ad

Compensacin

log f0dB

A

-20dB/dec

-40dB/dec

1/

(b)

Ad

Compensacin

-20dB/dec

1/

d Ad

AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE APLICACIN GENERAL NO COMPENSADO INTERNAMENTE


Tema 13 - 38



AMPLIFICADOR OPERACIONAL REAL DE CARACTERSTICAS MEJORADAS

Se pueden denominar amplificadores operacionales de caractersticas mejoradas los que poseen caractersticas estticas o dinmica s mejores que las de los amplificadores de aplicacin general.

Su denominacin vara de unos fabricantes a otros s egn el parmetro caracterstico que desean destacar. Como ejemplo se puede citar:

NE5512: se denomina AO de prestaciones elevadas ( Dual High-Performance ) porque su I B es inferior a 20 nA y su V OS (VIO es inferior a 1 mV) y la deriva de temperatura de V OS (VIO) es inferior a 5 V/C.

OP07: se denomina AO de pequea asimetra y deriva ( Low Offset, Low Drift ) porque su V O es inferior a 75 V y la deriva de temperatura de V OS (VIO) es inferior a 0,6 V/C.

TL082: se denomina AO JFET de elevado ancho de banda ( Wide Bandwidth ) porque su ancho de banda es de 4 MHz, pero tambin tiene una corriente de polarizacin de entrada de 50 pA y una elevada pendi ente de cambio SR de 13 V/s.

20


Tema 13 - 39



FILTROS ANALGICOS [PERE pgina 145]

Son cuadripolos que atenan determinadas frecuencias del espectro de la seal que se les aplica y permiten el paso de la s dems sin atenuarlas.

Funcin de transferencia

011

011

...

...

)(

)()(

bsbsbs

asass

s

ssH

nn

mm

++++++++==

1-n

1m-m

i

o aavv

)p)...(sp)(sp(s

)z)...(sz)(sz(saH(s)

n

mm

=

21

21

Sacando factor comn:

n: orden del filtro

pn: poloszm: ceros Para que el filtro sea realizable n m


Tema 13 - 40



Parmetros de diseo

Banda de pasoBanda

detransicin

Banda suprimida

fp

Amax

fs

Amin

0

|H| (dB)

f

FILTROS ANALGICOS

21


Tema 13 - 41



CLASIFICACIN DE LOS FILTROS

Clasificacinde losFiltros

Segn la funcin detransferencia queimplementan

Segn el modelo de lafuncin de transferencia

Segn el tipo de sealque procesan

Paso bajo

Paso alto

Paso banda

Rechazo de banda

Pasivos

Activos

Conmutados

Butterworth

Chebyshev

Bessel

Analgicos

Digitales


Tema 13 - 42




(a) Filtro paso bajo

f fffc fc

fc2 fc2fc1ffc1

Ideal

Real

0 0 0 0

-3

f0 f0

-3-3-3

(dB)H (dB)H

(b) Filtro paso alto (c) Filtro paso banda (d) Filtro rechazo de banda

Bandade paso

Bandade paso

Bandade paso

Bandade paso

Bandade paso

(dB)H(dB)H

Paso bajo

v i v o

Paso alto

v i v o

Paso banda

v i v o

Rechazo de banda

v i v o

FILTROS ANALGICOS ACTIVOS

22


Tema 13 - 43



Modelos matemticos

Butterworth, Chebyshev y Bessel

t

Bessel

Chebyshev

Butterworth

io vv

Respuestas temporales a una entrada en escaln



Tema 13 - 44



Modelos matemticos

Ejemplo: Filtro paso bajo.

Modelo de Butterworth


0,01 0,1 100

10

0

-30

-50

1 10

n=3

-60

-40

-20

-10

-70

-80

n=2

n=1

n=4

|H| (dB)

Frecuencia normalizada (f / f c )

( )n

pf

f

jf2

21

+

=

1H

en la cual:

n es el orden del filtro.

es el parmetro que determina el rizado.

fp es la frecuencia extrema de la banda de paso.


23


Tema 13 - 45



Modelos matemticos


Modelo de Chebyshev

Funcin de transferencia de Chebyshev de tipo I

( ) p

p

para

n

jH

+

=122 coscos1

1

( ) p

p

para

hconh

jH >

+

=122 cos1

1



Tema 13 - 46



Modelos matemticos


Modelo de Bessel


en la cual:

Bn(s) es el polinomio de Bessel de orden n:

en la cual:

Bessel

Chebyshev

Butterworth

0,1 1 10

10

0

-10

-20

-30

-40

-50

-60

RC

Frecuencia normalizada (f / f c )

|H | (dB)

( ))(sB

sn

1H =

=n

kkn sasB

0

)(

( )( ) nkparaknkk

akn

n

k ...,,1,0!!2

!2 =

=


24


Tema 13 - 47



Paso alto

Filtros pasivos RC (I)

Filtros que utilizan solamente resistencias y conde nsadores.

Tipo de filtro Respuesta frecuencial Relaciones de inters

Paso bajo


R

CV1 Vo

RC

V1 Vo


Tema 13 - 48



Tipo de filtro Respuesta frecuencial Relaciones de inters

Paso banda

Filtros pasivos RC (II)

Filtros que utilizan solamente resistencias y conde nsadores.

Rechazo de banda


R1

R2C2

C1Vi Vo

R

C

Vi Vo

C

R/2

2C

R

25


Tema 13 - 49



Son filtros que utilizan amplificadores operacional es, condensadores y resistencias.

Topologas o estructuras ms comunes

Sallen-Key

Realimentacin mltiple [ Multiple FeedBack (MFB)]

Variables de estado ( State Variables )



Tema 13 - 50



Topologa Sallen-Key

Estructuras para la realizacin de filtros activos Caractersticas

Sallen-Key


ViVo

Z4

+

-

Z1 Z2

Z3

R3

R4

26


Tema 13 - 51



R1

C1

R4

R3

ViVo

R2

C2

+

-

Paso banda de 2 orden

Paso alto de 2 ordenPaso bajo de 2 orden

Topologa Sallen-Key



Tema 13 - 52



Topologa de realimentacin mltiple ( Multiple Feedback)

Estructuras para la reaizacin de filtros activos Caractersticas

Realimentacin mltiple (MFB)


ViVo

Z4

+

Z1 Z3

Z2

Z5

27


Tema 13 - 53



V iVo

R3

R2

C1

C2

R1

+

-


Paso alto de 2 orden Paso bajo de 2 orden

R1

C3=C

v ivo

C1=C

C2

R2

-

+

Topologa de realimentacin mltiple ( Multiple Feedback)



R2

C

vi

vo

C

R3

-

+

R1


Tema 13 - 54



Topologa de variables de estado ( State Variables)

Permiten ajustar todos los parmetros del filtro de forma independiente Se logran valores de Q ms elevados. Las salidas estn disponibles de forma simultnea


R1

R2

RF1

RF2R3

R4

C1 C

2

Paso bajo(LP)

Paso alto(HP)

Paso banda(BP)

vi v

o

RQ

-

+-

+

-

+

28


Tema 13 - 55



Son filtros que reemplazan las resistencias de los filtros activos por interruptores MOS que las emulan.

Ejemplo: Circuito integrador

C2

v ivo

S1S2

C1

Reloj

"R"

-

+

t

v o

Durante el semiperiodo en el que S 1 esta cerrado la carga que se almacena en C 1 es v i C1.

FILTROS ANALGICOS ACTIVOS DE CAPACIDADES CONMUTADAS


Tema 13 - 56



PROGRAMAS DE DISEO DE FILTROS ASISTIDO POR COMPUTADOR

PROGRAMA

FilterLab

FABRICANTE

Microchip(www.microchip.com

)

CARACTERSTICAS

Diseo de filtros hasta de 8 orden

Diseo de filtros anti-aliasing Genera salida para Spice

LIMITACIONES

Slo filtros activos paso bajo Sallen-Key o MFB

No permite respuesta temporal

FilterCADLinear Technology(www.linear.com)

Todo tipo de filtros, respuestas y estructuras

Respuesta frecuencial y temporal

Slo para circuitos integrados de linear

No genera salida para Spice

MAX274Maxim

(www.maxin-ic.com)

Todos los modelos Filtro de variables de estado universal

Slo para DOS Solo para el MAX274 y MAX275

Filter2Texas Instruments

(www.ti.com)

Permite las cuatro funciones y los tres modelos

Estructuras Sallen-Key y MFB Slo para DOS

Filter2Texas Instruments

(www.ti.com) Filtro Universal UAF42 Slo para DOS

Sa Tema 13-Amplificadores Para El Acondicionamiento de Sensores

Documents

Transcript of Sa Tema 13-Amplificadores Para El Acondicionamiento de Sensores