A e m c
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 76

A E M C PowerPoint PPT Presentation


  • 114 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informa ţ iei. parate lectronice de ăsurare şi ontrol. A E M C. Prelegerea nr. 7 AMPLIFICATOARE INSTRUMENTAŢIE. Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Download Presentation

A E M C

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


A e m c

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

parate lectronice deăsurare şi ontrol

AE MC

Prelegerea nr. 7

AMPLIFICATOARE INSTRUMENTAŢIE


A e m c

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

DEFINIŢIE.

Amplificatorul instrumentaţie este un circuit în buclă închisă cu două intrări şi câştig la semnal diferenţial de intrare. Este un circuit des folosit a cărui primă funcţie este de a amplifica cu acurateţe tensiunea aplicată intrărilor sale.

În mod ideal, amplificatorul instrumentaţie răspunde numai la diferenţa între cele două semnale de intrare şi manifestă impedanţe infinte între cele două borne de intrare şi între fiecare dintre acestea şi masă. Tensiunea de ieşire este furnizată în mod asimetric faţă de masă şi este egală cu produsul dintre câştigul amplificatorului G şi diferenţa dintre cele două tensiuni de intrare e2 - e1.

PRELEGEREA nr.7

Generalităţi


A e m c

-

+

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Schema unui amplificator instrumentaţie ideal este prezentată în fig. 4.1

e1

e0 = G(e2-e1)

e2

Fig. 4 .1

Câştigul amplificatorului G este fixat, de regulă, din exterior de utilizator cu o singură rezistenţă.

PRELEGEREA nr.7

Generalităţi


A e m c

e1

e0 = G(e2-e1)

e2

-

+

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Proprietăţile modelului sunt:

- impedanţe de intrare infinite;

- impedanţă de ieşire nulă;

- tensiune de ieşire proporţională cu diferenţa de tensiune e2 - e1;

- câştig controlat şi fără neliniarităţi;

- bandă de trecere infinită;

- rejecţie totală a componentelor comune ambelor intrări;

- nu prezintă tensiuni de decalaj;

- nu prezintă derivă de tensiune.

PRELEGEREA nr.7

Generalităţi


A e m c

e1

e0 = G(e2-e1)

e2

-

+

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Aplicaţiile amplificatoarelor instrumentaţie

Amplificatoarele instrumentaţie se folosesc în aplicaţii în care este foarte importantă extragerea şi amplificarea cu acurateţe a tensiunilor diferenţiale de valori reduse, suprapuse peste tensiuni de mod comun ridicate. Astfel de aplicaţii necesită impedanţă de intrare ridicată, CMRR mare, zgomot de intrare redus şi stabilitate înaltă a nivelului de curent continuu (derivă cât mai redusă a tensiunii de decalaj).

PRELEGEREA nr.7

Aplicaţiile amplificatoarelor instrumentaţie


A e m c

e1

e0 = G(e2-e1)

e2

-

+

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Aplicaţiile amplificatoarelor instrumentaţie

Amplificatoarele instrumentaţie se folosesc la amplificarea semnalelor date de traductoare, la preamplificatoare pentru înregistratoare, buffere pentru multiplexoare analogice, servoamplificatoare de eroare, senzori de curent, condiţionarea semnalelor în procesele de prelucrare şi achiziţie a datelor, măsurări de semnale diferenţiale mici suprapuse peste tensiuni de mod comun mari.

PRELEGEREA nr.7

Aplicaţiile amplificatoarelor instrumentaţie


A e m c

e1

e0 = G(e2-e1)

e2

-

+

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Aplicaţiile amplificatoarelor instrumentaţie

Prin utilizarea amplificatoarelor instrumentaţie integrate se obţin performanţe ridicate, dimensiuni reduse şi preţ scăzut, eliminându-se zgomotele de mod comun, întrucât se transmite către circuitele de intrare a datelor un semnal util amplificat, de nivel ridicat faţă de semnalul redus obţinut de la traductor, la aceeaşi tensiune de zgomot. Se obţine la ieşire un raport semnal/zgomot (global) mai mare.

PRELEGEREA nr.7

Aplicaţiile amplificatoarelor instrumentaţie


A e m c

e1

e0 = G(e2-e1)

e2

-

+

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Aplicaţiile amplificatoarelor instrumentaţie

Folosirea unui amplificator pentru fiecare punct poate fi şi economic avantajoasă, pe lângă faptul că oferă performanţe şi flexibilitate superioare în raport cu soluţia utilizând multiplexarea semnalelor de nivel scăzut.

PRELEGEREA nr.7

Aplicaţiile amplificatoarelor instrumentaţie


A e m c

V-

-

0

Ib-

+

Ib+

G0

0

V+

0

Ro

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Caracteristici ale amplificatoarelor operaţionale

Realizarea amplificatoarelor instrumentaţie se bazează pe întrebuinţarea amplificatoarelor operaţionale. Pentru analiza (regim staţionar) a amplificatoarelor operaţionale vom folosi în cele ce urmează un model liniar idealizat, caracterizat de următoarele proprietăţi:

1. Potenţialele bornelor de intrare egale: V+ = V- ;

2. Curenţi de intrare (polarizare) nuli: Ib+ = Ib- = 0;

3. Impedanţă de ieşire nulă: RO = 0;

4. Câştig infinit în buclă deschisă: G0 = .

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Funcţionarea amplificatoarelor operaţionale este descrisă (în regim staţionar) de o caracteristică statică perfect liniară, ceea ce permite simplificarea semnificativă a analizei diferitelor configuraţii, prin utilizarea teoremei suprapunerii efectelor.

Aceste idealizări asigură o bună modelare a amplificatoarelor operaţionale. Erorile care apar se datorează practic abaterii caracteristicilor reale faţă de cele ale modelului ideal şi se pot studia cu uşurinţă (după determinarea caracteristicilor ideale). Folosind amplificatoare operaţionale se pot realiza trei configuraţii de circuite amplificatoare. Vom analiza în continuare aceste configuraţii, folosind proprietăţile enunţate mai sus.

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

+

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator inversor

Schema electrică a amplificatorului inversor este prezentată în fig. 4.2.

R2

+

vi

vo

-

Fig. 4.2

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R2

-

R1

+

+

vi

vo

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator inversor

În circuitul amplificatorului inversor apar curentul de intrare i1, curentul de reacţie i2 şi curentul de intrare pe borna inversoare Ib-.

Aplicând teorema lui Kirchhoff în nodul inversor de intrare a operaţionalului, putem scrie:

Conform modelului liniar ideal al amplificatorului operaţional:

i2

0

Ib-

i1

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R2

-

R1

+

+

vi

vo

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator inversor

În circuitul amplificatorului inversor apar curentul de intrare i1, curentul de reacţie i2 şi curentul de intrare pe borna inversoare Ib-.

Aplicând teorema lui Kirchhoff în nodul inversor de intrare a operaţionalului, putem scrie:

Conform modelului liniar ideal al amplificatorului operaţional:

Rezultă:

i2

i1

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R2

-

R1

+

+

vi

vo

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator inversor

Calculăm valoarea curentului i1:

Dar, conform modelului liniar ideal al amplificatorului operaţional:

Intrarea neinversoare fiind legată la masă, V+ = 0 şi deci:

V-

Rezultă:

i2

0

i1

0

V+

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R2

-

R1

+

+

vi

vo

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator inversor

Dar i1 = i2, de unde:

Calculăm valoarea tensiunii de ieşire:

Dar V-(= V+) = 0, de unde rezultă:

V-

i2

0

i1

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R2

-

R1

+

+

vi

vo

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator inversor

Dar i2 (= i1)are valoarea:

Rezultă valoarea tensiunii de ieşire:

Se obţine în final expresia amplificării de mod inversor Ai:

V-

i2

0

(4.8)

i1

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

+

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator neinversor

Schema electrică a amplificatorului neinversor este prezentată în fig. 4.3.

R2

vo

+

vi

-

Fig. 4.3

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

+

R2

+

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator neinversor

Conform modelului liniar ideal al amplificatorului operaţional:

Pe borna neinversoare + a amplificatorului operaţional se aplică tensiunea de semnal a generatorului de intrare Vi .

Ca urmare, aceeaşi tensiune apare şi pe borna inversoare – a amplificatorului operaţional.

V-

V+

vo

vi

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

+

R2

+

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator neinversor

În circuitul amplificatorului inversor apar curentul de intrare i1, curentul de reacţie i2 şi curentul de intrare pe borna inversoare Ib-.

Aplicând teorema lui Kirchhoff în nodul inversor de intrare a operaţionalului, putem scrie:

Conform modelului liniar ideal al amplificatorului operaţional:

V-

Rezultă:

i2

0

Ib-

vo

i1

vi

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

+

R2

+

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator neinversor

Calculăm valoarea curentului i1 :

dar:

Rezultă:

V-

i2

Deci:

vo

i1

vi

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

+

R2

+

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator neinversor

Se obţine pentru tensiunea de ieşire vo expresia:

Se obţine în final expresia amplificării de mod neinversor An:

V-

i2

(4.9)

vo

i1

vi

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

V-

-

0

Ib-

+

Ib+

G0

0

V+

0

Ro

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

DE REŢINUT!!!

Modelul ideal liniar al amplificatorului operaţional:

1. Potenţialele bornelor de intrare egale: V+ = V- ;

2. Curenţi de intrare (polarizare) nuli: Ib+ = Ib- = 0;

3. Impedanţă de ieşire nulă: RO = 0;

4. Câştig infinit în buclă deschisă: G0 = .

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

+

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

DE REŢINUT!!!

Expresia amplificării etajului inversor Ai :

R2

+

vi

vo

-

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

+

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

DE REŢINUT!!!

Expresia amplificării etajului neinversor An :

R2

vo

+

vi

-

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R3

-

v1

R1

-

+

+

R2

-

vo

+

+

vic

v2

R4

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Schema electrică a amplificatorului diferenţial este prezentată în fig. 4.4.

Fig. 4.4

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R3

-

-

v1

R1

R1

-

+

+

+

R2

-

vo

+

R3

+

vic

vic

v1

v2

R4

-

+

-

-

+

R2

-

vo

+

+

vic

v2

R4

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Modelul operaţionalului fiind liniar, pentru analiză se foloseşte teorema suprapunerii efectelor.

Observăm că putem redesena circuitul într-o formă echivalentă:

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

+

-

+

+

vic

v2

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Mai întâi considerăm activă intrarea inversoare şi pasivizată intrarea neinversoare. Pentru pasivizare, se întrerupe circuitul pe ramura intrării neinversoare după generatoarele de tensiune şi se leagă la masă capătul din stânga al rezistenţei R2.

La ieşirea amplificatorului va apărea componenta de semnal voi ce corespunde ramurii de intrare inversoare.

R3

vic

v1

-

+

-

+

R2

vo

voi

R4

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

În circuit rezistenţele R2 şi R4 apar în paralel.

R3

vic

v1

R1

-

+

-

+

-

R2

voi

+

R2 II R4

R4

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

În circuit rezistenţele R2 şi R4 apar în paralel.

Prin grupul R2IIR4 circulă curentul de polarizare al intrării neinversoare Ib+.

Conform modelului liniar ideal al amplificatorului operaţional, Ib+ (= Ib-) = 0.

Prin urmare căderea de tensiune pe rezistenţa R2 II R4are valoarea 0.

R3

vic

v1

R1

-

+

-

+

-

0

Ib+

voi

+

R2 II R4

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R2 II R4

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Ca urmare potenţialul bornei neinversoare a amplificatorului operaţional este 0.

Putem deci conecta la masă intrarea neinversoare.

R3

vic

v1

R1

-

+

-

+

-

V+= 0

voi

+

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Ca urmare potenţialul bornei neinversoare a amplificatorului operaţional este 0.

Putem deci conecta la masă intrarea neinversoare.

R3

vic

v1

R1

-

+

-

+

-

V+= 0

voi

+

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Ca urmare potenţialul bornei neinversoare a amplificatorului operaţional este 0.

Putem deci conecta la masă intrarea neinversoare.

S-a obţinut configuraţia inversoare, pentru care putem exprima direct tensiunea de ieşire voi pe baza relaţiei câştigului amplificatorului inversor ţinând seama că tensiunea supusă amplificării vi- este egală cu suma tensiunilor de semnal v1 şi de mod comun vic.

R3

vic

v1

R1

-

+

-

+

-

voi

+

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

(4.10)

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Se obţine expresia (4.10):

Aceasta va fi contribuţia intrării inversoare în răspunsul amplificato-rului diferenţial.

R3

vic

v1

R1

-

+

-

+

-

voi

+

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

+

vic

v1

-

+

-

+

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Considerăm acum pasivizată intrarea inversoare şi activ generatorul de semnal de pe intrarea neinversoare (fig. 4.7).

Pentru aceasta întrerupem circuitul la stânga rezistenţei R1. Apoi legăm la masă capătul din stânga al rezistenţei R1.

R3

R2

-

vo

+

+

vic

v2

R4

-

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

+

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Considerăm acum pasivizată intrarea inversoare şi activ generatorul de semnal de pe intrarea neinversoare (fig. 4.7).

Pentru aceasta întrerupem circuitul la stânga rezistenţei R1. Apoi legăm la masă capătul din stânga al rezistenţei R1.

Se obţine o configuraţie de amplificator neinversor.

La ieşirea amplificatorului va apărea componenta de semnal von ce corespunde ramurii de intrare neinversoare.

R3

R2

-

vo

von

+

+

vic

v2

R4

-

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

+

R2

-

+

+

+

vic

Vi+

v2

R4

-

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Întrucât, conform modelului ideal liniar al amplificatorului operaţional, Ib+ = 0 pe borna neinversoare a amplificatorului apare tensiunea vi+ culeasă de pe rezistenţa R4 din divizorul rezistiv R2 – R4. Pe divizor se aplică tensiunea de semnal a ramurii neinversoare v2 + vic.

R3

von

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

+

+

Vi+

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Conform expresiei câştigului amplificatorului neinversor, tensiunea de ieşire din acest circuit von este:

unde:

R3

von

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

+

+

Vi+

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Contribuţia intrării neinversoare în răspunsul amplificatorului diferenţial este:

(4.11)

R3

von

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R3

-

v1

R1

-

+

+

R2

-

vo

+

+

vic

v2

R4

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Aplicând teorema suprapunerii efectelor, tensiunea de ieşire din amplificatorul diferenţial vo are două componente: una datorată modului inversor voi şi una datorată modului neinversor von:

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

(4.12)

R3

-

v1

R1

-

+

+

R2

-

vo

+

+

vic

v2

R4

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Se obţine expresia (4.12):

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

(4.12)

(4.13)

=

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Dacă este îndeplinită condiţia (4.13) de echilibru între rezistenţele circuitului:

rezultă:

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R3

-

v1

R1

-

+

+

R2

-

vo

+

+

vic

v2

R4

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Se obţine pentru amplificarea de mod diferenţial Adexpresia (4.14):

(4.14)

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R3

-

v1

R1

-

+

+

R2

-

vo

+

+

vic

v2

R4

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

DE REŢINUT!!!

Expresia amplificării etajului diferenţial Ad :

dacă:

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R3

-

v1

R1

(4.14)

-

+

+

R2

-

vo

+

+

vic

v2

R4

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Dintre conexiunile posibile ale amplificatoarelor operaţionale, cea mai apropiată de structura unui amplificator instrumentaţie este cea diferenţială, pentru care s-a obţinut expresia câştigului de mod diferenţial (4.14). Rezultatele au fost obţinute pe baza modelului ideal.

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

(4.15)

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Practic apar anumite abateri de la acest model, ceea ce duce pe de o parte la existenţa câştigului de mod comun, iar pe de altă parte la apariţia erorilor statice. Evident, din punctul de vedere al utilizatorului, prezintă un deosebit interes evaluarea abaterilor ce apar faţă de modelul ideal.

Amplificarea de mod comun a amplificatorului diferenţial este (4.15):

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

În practică în locul câştigului de mod comun se utilizează factorul de rejecţie a modului comun CMRR (Common Mode Rejection Ratio), definit astfel:

Dacă amplificatorul diferenţial este perfect echilibrat (conform relaţiei de echilibru (4.13) şi amplificatorul operaţional nu are câştig de mod comun (CMRR = ), atunci circuitul în ansamblul său nu va avea câştig de mod comun.

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Dacă circuitul nu este perfect echilibrat şi/sau amplificatorul operaţional prezintă câştig de mod comun (CMRR finit), atunci etajul diferenţial va prezenta câştig de mod comun, ceea ce va duce la apariţia în tensiunea de ieşire a unei componente dependentă de tensiunea de intrare de mod comun, suprapusă peste componenta determinată de tensiunea diferenţială de intrare:

Deoarece cele două cauze ce determină apariţia câştigului de mod comun sunt independente, efectul fiecăreia se va studia separat.

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

(4.12)

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Dacă amplificatorul operaţional are CMRR =  (ideal), dar circuitul rezistiv nu este perfect echilibrat, apare o componentă a câştigului de mod comun Acc datorată neechilibrării circuitului. Din relaţia (4.12) separăm termenii în vic (considerând v1 = v2 =0, ceea ce conduce la anularea termenilor diferenţiali), obţinându-se:

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

(4.16)

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Rezultă pentru câştigul de mod comun din acest caz expresia (4.16):

Dacă circuitul rezistiv este perfect echilibrat (condiţia (4.13)), dar amplificatorul operaţional prezintă CMRR finit, apare o componentă a câştigului de mod comun Aco, datorată numai amplificatorului operaţional.

Pentru a analiza această situaţie, ţinem seama că factorul de rejecţie a modului comun (CMRR) este determinat funcţie de tensiunea de mod comun care apare efectiv pe bornele de intrare + şi - a amplificatorului operaţional.

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

+

R3

R1

R2

voc

+

vic

R4

vic+,-

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Câştigul de mod comun al circuitului echilibrat Aco funcţie de câştigul de mod comun al amplificatorului operaţional Ac rezultă din egalitatea (de echivalenţă a efectelor):

unde: voc reprezintă tensiunea de ieşire datorată tensiunii de intrare de mod comun, iar vic+,- reprezintă tensiunea de mod comun ce apare efectiv pe bornele de intrare + şi - ale amplificatorului operaţional.

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

+

R3

R1

R2

voc

+

vic

R4

vic+,-

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Rezultă:

dar

deci:

Se obţine:

unde

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Rezultă:

dar

deci:

Se obţine:

unde

Rezultă:

deci

deci

dar

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

(4.17)

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Rezultă pentru câştigul de mod comun Aco expresia (4.17):

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

(4.18)

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

În datele de catalog se precizează rejecţia de mod comun CMR. Pentru majoritatea operaţionalelor CMReste peste 60 dB.

Tensiunea de ieşire datorată componentei Acovic este independentă de cea datorată componentei Accvic. Dacă considerăm simultan ambele tipuri de câştig mod comun, se obţine o tensiune de ieşire de forma (4.18):

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

(4.19)

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Se poate exprima un factor de rejecţie a modului comun pentru întreg ansamblul (circuit rezistiv + amplificator operaţional) CMRRc, conform relaţiei (4.19):

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Pe durata utilizării amplificatorului diferenţial de bază se pune problema stabilităţii tensiunii de ieşire în timp şi cu temperatura. Multe aplicaţii ale amplificatorului diferenţial se referă la amplificarea unor semnale de nivel redus ce impun valori mari ale câştigului diferenţial Ad.

Tensiunea de decalaj (offset) de intrare vio, tensiunea de derivă (drift), curenţii de polarizare de intrare Ib+, Ib-, şi curentul de decalaj la intrare Iio, determină termeni de eroare statică.

Întrucât aceste mărimi ce determină apariţia erorilor statice sunt în esenţă independente între ele, studiem efectul lor în mod separat (considerăm mărimea studiată diferită de zero şi toate celelalte nule), iar efectul total îl obţinem prin suprapunere.

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Conform modelului liniar ideal al amplificatorului operaţional:

În realitare, potenţialele celor două intrări în amplificatorul operaţional nu sunt egale (din cauza dezechilibrului etajului diferenţial de intrare a operaţionalului):

Diferenţa de potenţial ce apare între intrările inversoare şi neinversoare ale operaţionalului este tocmai tensiunea de decalaj (offset).

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Întrucât nu se poate preciza semnul (sensul) dezechilibrului etajului diferenţial de intrare în amplificatorul operaţional, tensiunea de decalaj (offset) este precizată în modul:

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R3

-

-

v1

R1

R1

-

+

+

+

R3

R2

-

vo

+

+

vic

v2

R4

-

R2

vo

R4

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Pentru a studia erorile statice ce apar, vom anula generatoarele de semnal diferenţial şi de mod comun de la intrările amplificatorului diferenţial. Intrările vor fi conectate la masă.

În continuare sepăram efectele şi vom considera Vio ≠ 0 şi curenţii de polarizare de intrare nuli Ib+ = Ib- = 0.

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

+

R3

R2

vo

R4

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Pentru a determina termenul de eroare ΔVovdatorat tensiunii de decalaj (offset) de la intrare vio, în schema electrică a amplificatorului vom introduce generatorul tensiunii de decalaj (offset) Vio.

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

R1

+

R3

R3

V-= Vio

Vio

-

R2

R2

vo

ΔVov

+

R4

R4

V+= 0

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Pentru a determina termenul de eroare ΔVovdatorat tensiunii de decalaj (offset) de la intrare vio, în schema electrică a amplificatorului vom introduce generatorul tensiunii de decalaj (offset) Vio.

Se obţine schema electrică din fig. 4.5 a.

Întrucât Ib+ = Ib- = 0, potenţialul intrării neiversoare + a amplificatorului operaţional este V+ = 0 şi datorită prezenţei generatorului tensiunii de offset potenţialul intrării inversoare – este V- = Vio.

AO real

Fig. 4.5

a

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

R1

R1

+

R3

R3

V-= Vio

V-= Vio

Vio

-

R2

ΔVov

ΔVov

+

R4

V+= 0

+

Vio

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Deoarece tensiunea de ieşire din circuit ΔVov va fi dictată de potenţialul intrării inversoare (prin circulaţia de curent ce apare) V- = Vio, circuitul poate fi echivalat cu unul în care folosim un amplificator operaţional ideal atacat pe intrarea neinversoare cu generatorul tensiunii de decalaj (offset) Vio. Se obţine schema electrică din fig. 4.5 b.

Se observă că potenţialul intrării inversoare a amplificatorului operaţional (ideal) V- = Vio, deci nu se va modifica circulaţia de curent prin rezistenţele R1şi R3 şi prin aceasta nici tensiunea de ieşire ΔVov.

AO ideal

AO real

Fig. 4.5

a

b

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

(4.20)

-

R1

R1

+

R3

R3

V-= Vio

V-= Vio

Vio

-

R2

ΔVov

ΔVov

+

R4

V+= 0

+

Vio

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Se observă că apare o configuraţie de amplificator neinversor pentru generatorul Vio, ceea ce conduce la un termen de eroare Vov de forma (4.20):

AO ideal

AO real

Fig. 4.5

a

b

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

(4.20)

-

R1

R1

+

R3

R3

Vio

-

R2

ΔVov

ΔVov

+

R4

+

Vio

-

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

În expresia termenului Vovse folosesc ambele polarităţi (±), întrucât în catalog se prezintă modulul tensiunii de offset, fără a putea preciza semnul (semnul depinde de modul concret de dezechilibrare a etajelor diferenţiale de intrare în operaţional, pentru care nu poate fi prevăzut sensul abaterii).

AO ideal

AO real

Fig. 4.5

a

b

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R3

R1

-

R2

+

R4

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

În ceea ce priveşte efectul curenţilor de polarizare, considerăm Ib+Ib- 0 şi Vio = 0. Pentru analiză folosim schema din fig. 4.6.

i1

i3

Ib-

ΔVoi

Ib+

Fig. 4.6

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R3

i1

i3

Ib-

R1

-

ΔVoi

R2

Ib+

+

R4

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Tensiunea de eroare ΔVoi este:

unde:

Exprimăm potenţialele celor două intrări ale operaţionalului:

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R3

i1

i3

Ib-

R1

-

ΔVoi

R2

Ib+

+

R4

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

de unde:

Dacă este respectată condiţia:

se obţine:

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R3

i1

i3

Ib-

R1

-

ΔVoi

R2

Ib+

+

(4.21)

R4

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

de unde:

Dar Ib- - Ib+ = Iio reprezintă curentul de offset (decalaj) la intrare.

Se obţine în final expresia (4.21) pentru termenul de eroare datorat curentului de offset la intrare:

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

(4.22)

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Eroarea staţionară totală a amplificatorului diferenţial se obţine prin suprapunerea efectelor, rezultând expresia (4.22):

deci:

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

+

R1

VT

R2

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

O altă problemă o reprezintă evaluarea impedanţelor de intrare ale amplificatorului diferenţial de bază.

Impedanţa de intrare de mod diferenţial Rind rezultă din fig. 4.7, ţinând seama că V+ = V-.

Folosim metoda generatorului de test. Aplicăm pe intrarea diferenţială a amplificatorului generatorul de test VT.

R3

Rind

R4

Fig. 4.7

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

+

V-

R1

VT

R2

V+

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Conform modelului liniar ideal al amplificatorului operaţional:V+ = V-.

Ca urmare putem scurcircuita intre ele intrările amplificatorului operaţional.

Rezistenţele R3 şi R4 nu au nicio influenţă asupra curentului absorbit de la generatorul de test VT şi ca urmare le neglijăm în analiză.

R3

R4

Fig. 4.7

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

(4.23)

-

+

R1

VT

R2

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Întrucât generatorul de test VT “vede” rezistenţele R1 şi R2 în serie, se obţine pentru Rindexpresia (4.23):

Fig. 4.7

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

+

R3

R1

R2

Rinc

VT

R4

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Impedanţa de intrare de mod comun Rinc se determină pe baza schemei din fig. 4.8 a şi în ipoteza că amplificatorul nu prezintă câştig de mod comun.

Folosim metoda generatorului de test. Aplicăm pe ambele intrări (mod comun) ale amplificatorului generatorul de test VT.

Fig. 4.8

a

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

+

R3

R1

R1

R2

R2

VR

VT

VT

R4

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Pe intrările amplificatorului operaţional se stabileşte un potenţial constant VR = V+ = V- de valoare:

Se obţine pentru calcul schema echivalentă din fig. 4.8 b.

Fig. 4.8

a

b

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

-

+

R3

R1

R1

R2

R2

iT

VR

VT

VT

R4

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Calculăm curentul iTabsorbit de la generatorul de tensiune de test VT ,întrucât:

Fig. 4.8

a

b

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


A e m c

R1

R2

iT

VR

VT

(4.24)

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi

Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Amplificator diferenţial

Rezultă în final pentru rezistenţa de intrare de mod comun expresia (4.24):

PRELEGEREA nr.7

Scheme practice de amplificatoare instrumentaţie


  • Login