Amplificatoare de masurare

Amplificatoare de mAsurare

1 MODUL DE ACTIUNE SI DE REJECTIE AL

PERTURBATIILOR EXTERIOARE

Perturbatiile exterioare determina aparitia in circuitul de masurare a unor tensiuni parazite, generate de campuri electrice sau magnetice exterioare,    perturbatii provenite de la reteaua de c.a., tensiuni termoelectrice, puncte de legare la pamant neechipotentiale etc.Deci tensiunile parazite pot fi continue sau alternative.

Dupa modul in care actioneaza tensiunile perturbatoare in raport cu aparatul de masurat, se deosebesc perturbatii serie si perturbatii de mod comun.

PERTURBATII SERIE

Tensiunile perturbatoare serie (v_s) apar direct intre bornele de conectare ale tensiunii utile v_x si se suprapun peste acestea.

Fig.1 Modul de actiune al tensiunilor perturbatoare serie

Perturbatiile serie continue apar prin efect termoelectric datorita modificarii temperaturii ambiante in prezenta metalelor diferite de a lungul circuitului de masurare.Ordinul de marime al acestora, este de μV . . zeci de μV, ceea ce inseamna ca trebuie luate in considerare cand se masoara tensiuni continui mici sau se cer precizii ridicate.

Perturbatii alternative sunt tesiuni cu frecventa de 50Hz, ce apar datorita cuplajelor electrice sau magnetice cu diferite circuite alimentate de la retea, fie provin de la sursa ce produce tensiunea de masurat.

Pentru circuite de rezistenta mare predomina efectul cuplajelor capacitive, tensiunile alternative produse putand ajunge la ordinul voltilor.Ele se pot evita prin ecranarea electrostatica completa a circuitului de masurare.

Pentru circuite de mica impedanta predomina efectul cuplajelor magnetice. In acest caz, tensiunile induse nu depasesc ordinul mV. Ele se pot reduce prin utilizarea conexiunilor bifilare cu conductoare rasucite, deoarece tensiunile induse prin cuplaje magnetice sunt proportionale cu aria circuitului indus.

Proprietatea aparatului de a prezenta erori cat mai mici, datorita actiunii unei tensiuni parazite suprapusa peste tensiunea de masurat, e caracterizata prin raportul de rejectie serie RRS, egal cu raportul dintre tensiunea perturbatoare serie si o tensiune echivalenta de intrare, care ar produce acelasi efect asupra aparatului. Acest raport e exprimat de obicei in decibeli

RRS=20 lg [dB] (1)

Cu cat RRS e mai mare, cu atat aparatul e mai putin sensibil la acest gen de perturbatAvand valori diferite, RRS trebuie precizat atat in c.c. cat si in c.a.

PERTURBATII DE MOD COMUN

Tensiunile perturbatoare de mod comun apar intre oricare borna de masurare a aparatului si un punct de referinta, considerat de obicei punctul de masa, carcasa aparatului sau pamantul.Principala cauza de aparitie a perturbatiilor de mod comun o constituie existenta punctelor de legare la pamant de potentiale diferite.

Efectul perturbatiilor de mod comun, in functie de unele caracteristici ale aparatului de masurat si alei sursei de semnal, se poate manifesta deseori sub forma de perturbatie serie echivalenta

Fig.2 Modul de actiune al tensiunilor perturbatoare de mod comun

Efectul perturbatiilor de mod comun e apreciat cantitativ prin raportul de rejectie de mod comun RRMC, egal cu raportul intre o tensiune echivalenta de intrare care ar avea un acelasi efect asupra aparatului. Si in acest caz, se obisnuieste exprimarea in decibeli

RRMC=20lg (2)

Problema perturbatiilor de mod comun se pune numai in cazul aparatelor, convertoarelor sau amplificatoarelor de masura cu doua borne de semnal diferite de borna de masa, denumite borne flotante.

2AMPLIFICATORUL DIFERENTIAL

Amplificatorul cu o singura intrare, cealalta intrare fiind legata la masa sau intr-un circuit de reactie, amplifica in egala masura tensiunea utila si cea parazita de mod comun, dupa cum rezulta din fig.3, pentru cazul unui amplificator inversor.

Fig.3 Efectul perturbatiilor de mod comun asupra amplificatorului inversor

Se observa ca schemele din fig.2.a si fig.3.b sunt echivalente, iar tensiunea de iesire a amplificatorului v₀ e data de relatia:

V₀= -v_x -v_c (3)

Deci, aceasta configuratie de amplificator cu o singura intrare de semnal e inutilizabila in prezenta tensiunilor de mod comun.

Pentru rezolvarea problemei rejectiei tensiunilor de mod comun, se utilizeaza amplificatoare in structura diferentiala.

In fig.4 e prezentat un amplificator diferential realizat cu circuitul U1. Considerind U1 ideal (A=, I_b = I_b 0 , v_d=0), se determina amplificarea diferentiala, amplificarea si rejectia semnalului de mod comun.

Pentru calculul amplificarii se considera faptul ca potentialele la intrarile IN⁺ si IN^- ale amplificatorului operational sunt egale:

v₁ =v₂+(v₀-v₂) (4)

v₀=v₁-v₂ (5)

Pentru ca amplificatorul sa fie diferential si pentru a asigura compensarea efectului curentilor de intrare a circuitului integrat, trebuie indeplinite conditiile:

= ; R1IIR2=R3IIR4 (6)

rezultind:

R1=R3

si v₀=(v₁-v₂)=k(v₁-v₂) (7)

R2=R4

Considerind cunoscut RRMC_A a operationalului, se va calcula RRMC pentru configuratia diferentiala. Astfel, se va considera v₁=v₂=v_c, iar la intrarea U₁ se cosidera o tensiune echivalenta v_e conform relatiei:

v_ev_c (8)

Astfel, (4) devine:

v_c+ v_cv_c+(v₀-v_c) (9)

Exprimind rapoartele de rezistente in functie de k, din (9) rezulta ca amplificarea tensiunii de mod comun A_c , este:

A_c (10)

In cazul amplificatoarelor, se utilizeza exprimarea RRMC ca raport intre factorul de amplificare pe mod diferential k si factorul de amplificare pe mod comun A_c:

RRMC (11) Deci, RRMC al amplificatorului diferential este egal cu RRMC_A al U₁.

RRMC al amplificatorului diferential e sensibil afectat de abaterea valorii rezistentelor de la conditia (7), datorita tolerantelor de fabricatie. Astfel, considerind notatiile si conditiile:

k₁ k si k₂k(1+

(12) ;

v₁=v₂=v_c si RRMC_A= ;

se obtine pe baza relatiei (5) :

v0vc (13)

de unde:

Ac (14)

iar raportul de rejectie calculat functie de erorile rezistentelor RRMC_R, rezulta:

RRMC_R (15)

Pentru <<1, (15) poate fi aproximata:

RRMC_R (16)

Se observa ca RRMC_R e direct proportional cu factorul de amplificare pe mod diferential k si invers proportional cu abaterea rezistentelor de la valorile de calcul. Pentru k=1 si =0.01, deci rezistente de precizie ridicata, o tensiune de mod comun de 10V, genereaza pe mod diferential o tensiune echivalenta de 10mV, ce se suprapune peste tensiunea utila. Deci nu poate fi valorificata rejectia AO, ce prezintaRRMC_A>120 Db.

Amplificatorul diferential, in configuratia de baza conform fig. 4, prezinta o serie de dezavantaje ce limiteaza utilizarea lui,dupa cum urmeaza:

impedantele de intrare sunt de valoare redusa si diferita: R1 la intrarea inversoare si (R3+R4) la intrarea neinversoare, fapt ce afecteza negativ RRMC;

reglarea dificila a amplificarii, fiindca presupune reglarea cel putin al unei perechi de rezistente, pentru a respecta conditiile (6) sub forma (7), avind in vedere ca abaterea rezistentelor nu afecteaza doar amplificarea, ci si RRMC.

3AMPLIFICATORUL DIFERENTIAL CU REPETOARE LA INTRARE

Pentru marirea si egalizarea in acelasi timp, a impedantei de intrare, se introduc repetoare de tensiune la intrarea AO. Prezenta repetoarelor de tensiune la intrare permit si conectarea unor inele de garda, pentru intarile de semnal, ca in fig.5, unde s-a considerat cazul in care conectarea surselor de semnal e realizate prin cabluri coaxiale.

Analizind fig.5, se poate observa ca impedanta de intrare in acest caz e egala cu impedanta pe modul comun al etajelor repetoare U1si U2,care poate fi, in modul, de ordinul 10⁷-10¹², in functie de tipul tranyistoarelor de la intrarea acestora (bipolare, bipolare super-, cu efect de cimp).

Conectarea ecranelor de garda la iesirea repetoarelor, mentine o diferenta de potential nula intre ecranul cablului si conductorul central si elimina astfel, posibilitatea inchiderii unor curenti paraziti prin capacitatea parazita sau rezistenta de izolatie a cablului coaxial.

4AMPLIFICATORUL INSTRUMENTAL

Amplificatorul instrumental e un ansamblu constituit din amplificatoare diferentiale relizate cu retele de rezistente de precizie, calibrate si stabile.Scopul urmarit prin aceasta solutie e imbunatatirea performantelor amplificatoarelor diferentiale, in special in ce priveste caracterul antiperturbativ, adica cresterea RRMC .Schema simplificata e data in fig.6.

Amplificatoarele operationale U1 si U2 sunt conectate simetric, in configuratie neinversoare - constituind un etaj diferential neinversor simetric si asigurind oimpedanta de intrare mare, etajul U3 este un amplificator diferential, iar etajul U4 un amplificator inversor cu rol de tampon la iesire, pentru sarcini de putere mai mare.

Tinind cont de amplificarea amplificatorului diferential si a celui inversor, expresia tensiunii de iesire a amplificatorului instrumental rezulta de forma:

V₀ (17)

unde termenul (1+2R1/R) reprezinta amplificarea etajelor de intrare, termenul R3/R2 reprezinta amplificarea etajului diferential, iar R5/R4 amplificarea etajului inversor.

Pentru calcul RRMC, se poate observa ca pentru o excitatie de mod comun, amplificarea etajelor de intrare U1 si U2 e egala cu unitatea, fiindca ambele devin repetoare,in timp ce pentru o excitatie pe modul diferential, amplificarea acestor etaje are valoarea (1+2R1/R), care de obicei e supraunitara. Deci,pentru v₁=v₂=v_c, tensiunea de iesire v_0c are expresia:

V0c (18)

In care s-a tinut cont de relatiile (10) si (11). Din relatia de mai sus, rezulta expresia factorului de amplificare al tensiunii de mod comun:

Ac (19)

Factorul de amplificare al tensiunii pe mod diferential rezulta din (17):

Ad (20)

Pe baza (19) si (20),RRMC,rezulta:

RRMC (21)

Din (21), se observa ca RRMC crestefata de cel al amplificatorului diferential, proportional cu amplificarea etajelor de intrare (1+2R1/R).

Amplificatorul U4 fiind inversor,deciconectat cu o intrare la masa,conform fig.3, nu are nici o influenta asupra RRMC.

8AMPLIFICATOARE CU IZOLARE GALVANICA

8.1 PRINCIPIUL DE CONSTRUCTIE SI FUNCTIONARE

O problema esentiala pentru un amplif de masurare e asigurarea rejectiei perturbatiilor de mod comun.Tens de mod comun in practica pot atinge valori de ordinul KV.

Tens de mod comun si de val ridicata,pe linga f.c. dau erori mari,pot chiar sa distruga amplif prin depas circ de prot.De aici, a aparut necesit realiy unor amplif cu izolare galvanica intre partea de intrare si partea de iesire,astfel ca cele doua parti ale amplif sa poata fi conect la pct de masa cu potent diferite.

Transmiterea inf de masurare intre cele 2 parti ale amplif,separate galvanic,se poate realza prin cimp mag-cuplaj prin transf sau optic-cuplaj prin optocuplor.Totodata celor doua parti,separate galvanic,tb sa li se transmita si energia de alim.Aceasta transmisie se realiz prin transf de cuplaj sau prin fibra optica.

Sch de principiu este:

Se obs prezenta a trei bloc distincte,izolate galvanic intre ele:

bloc (1),constituit din amplif de intr-A.IN si bloc de alim al circ de intr-BA.IN;

bloc(2),const din amplif de ies-A.OUT si bloc de alim al circ de ies-BA.OUT;

bloc(3),const dintr-o sursa de c.c.-E si un oscilat ce transmite,prin transf TR,en de alim blocBA.IN si BA.OUT.

Sunt si situatii cind,infas n1 a TR nu e alim de la o sursa de c.c.,ci e cuplata direct la reteaua de c.a.

La transmit inf de masurare intre A.IN si A.OUT,posib tehnice de principiu :

modularea unor impuls in durata cu semn de intr si transmisia acestora catre A.OUT,prin transf de cuplaj sau prin cuplaj optic;

modularea unor impuls in frecv cu semn de intr si transmisia acestora catre A.OUT, prin transf de cuplaj sau prin cuplaj optic;

modularea unor purtatoare sinus in amplitudcu v_x si transmisia lor catre A.OUT prin transf;

transmiterea directa a semn de intr,amplif an prealabil cu A.IN,catre A.OUT,prin cuplaj optic.

Primele doua sol se bucura de precizie si liniarit sensibil mai bune fata de ultimile doua,in schimb au banda de frecv si vit mai scazute.Ultima sol asig banda de frecv cea mai buna,im detrimentul preciziei,liniarit si a stabilit in timp,din cauza imbatrinirii fotodiodelor.

Izolatia dintre cele 3 bloc e proiect sa reziste la urmat tens:

intre bloc(1) si bloc(2) sau (3):2-5Kv;

intre bloc(2) si bloc(3)    :0,3-1Kv.

Imped de izol dintre cele 3 bloc se defca o rez de izol in paralelcu o capac paraz,de val 10¹²WII10-15Pf.

Prin ac imped,cu param distrib,are loc o scurgere de crt dep de frecv,ce constituie o sursa de erori.

Deci,la amplif cu iz galvanica,pe linga RRMC se mai def si rap de rejectie al modului de iz-RRMI,ce exprima cantitativ efectul tens ce apar pe iz dintre bloc,interesind doar intr-ies:

RRMI 20lg[dB]

Diferenta dintre mod de act al tens de mod comun si al tens aplic izol,precum si eval RRMC si RRMI este in fig:

Astfel,tens de ies este:

V_o=

EXEMPLE DE AMPLIFICATOARE CU IZOLARE GALVANICA

(a)AMPLIFICATOARE CU MODULARE IN DURATA SI TRANSFORM

In fig se da un amplif cu iz galvanica,ce utiliz un singur traf de cuplaj,atit pt transm en de alim cit sipt transm inf de mas.

Transm en de alim se realiz prin palierul pozitiv al impuls cu frecvde 750 Khz,produse de catre gen de impulsurialim de la sursa E.En de alim se transmite de la infas n1 a trf TR la infas n2,n4,care impreuna cu D1,D2,C1 si C2,constituie sursele de alim V⁺ si V^- pt bloc de intr.Infasn3 si n5 ce primesc en tot de la n1,impreuna cuD3,D4,C3 si C4 constituie sursele de alim V⁺ si V^- pt bloc de ies.

Frontul negat al imp de la gen -GEN IMPULS,sincroniyeaya modulatorul

-MOD si cele doua demodulat,de intr -DEMOD.IN si de ies DEMOD.OUT. Fata de ac front,modulat produce un puls negat aplicabil n2,cu o anum intirziere depend de semn de intr.

Intirzierea t,constituie inf de mas si e demodul de catre cele doua demodprin intermed infas n6 si n7.

Tens furniz de DEMOD.IN e aplicata amplif de intr A_i,ca reactie negat,iar tens furniz de DEMOD.OUT e aplicata amplif de ies A_O,fiind disponibila ca semn de ies.

(b)AMPLIFICATOARE CU TRANSMITERE DIRECTA PRIN OPTOCUPL

Se utiliz cind e nevoie de o banda de frecv mai mare,iar precizia,liniarit,si stabilit in timp nu sunt critice.Avantajele acestuia sunt::simplitate si gabarit redus.Pt elimin neliniarit optocupl,data in gen de LED-uri,se utiliz sch de reactie in compon carora intra 2 optocupl identice sau unul singur constituit dintr-o sursa de lumina(LED) si 2 fotodetectoare(fotodiode,fototranz,fotorez).

Sch de principiu este:

La borna neinversoarea amplif AI avem

iar la borna neinversoare a amplif AO se poate scrie relatia:

Pp ca fact de transfer in crt,de la dioda LED la cele 2 fototranz,sunt identici:

k₁=

Astfel,avem:

v₀=

Daca e indeplin cond:v₀=

Curentii prin R2 si R3 sunt neces pt a asig funct pt semn negat de intr,deoarece crt prin FT1 si FT2 sunt unidirectionali.Pt aceasta e neces ca val crt prin R2 si R3 sa fie mai mari decit modulul maxim al crt prin R1 si R4.

Prin prepolarizarea fototranz se poate plasa pct static si interv de funct intr-o port liniara si restrinsa a caract de transf,ceea ce duce la imbun perform.

Tens de alim ale amplif de intr si ies,tb separate galvanic.

9AMPLIFICATOARE LOGARITMICE SI EXPONENTIALE

9.1. PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE

Pt reprez log,pt compresia semn,ca si pt o serie de transf matem de tipul x²,,1/x,xy,x/y,se utiliy conv electronice de semn cu caract logaritmica sau expon.

Funct celui mai simplu amplif log se bazeaza pe caract expon al rel crt-tens,caract pt o dioda semicond:

I_d=I_S

i_d si v_d sunt crt direct si tens directa pe dioda,I_s crt de saturatie,v_T=kT/q tens termica unde k=8,26*10^-5eV/K,T temperatura absoluta,q sarc electronului iar h fact de multiplicare(2 pt Si).Daca v_d= 400-700mV,rezulta exp(v_d/hv_T) >>1,se poate neglija unitatea in rel de mai sus,si obt:

I_D=

rel ce pune in evidenta dep logarit a tens directe,fct de crt direct,pt o dioda semicond.

Introd dioda in reteaua de reactie a unui AO se obt amplif log,respectiv expon.

Cd AO ideal se pot deduce expresiile tens de ies pt amplif de mai josS

In fig a e reprez un amplif log,pt care se poate scrie:

In fig b e reprez un amplif expon,pt care:

Rel expon de mai sus isi pastreza forma si in cazul unui tranz,dar intre crt de colector si tens baza -emitor:

unde i_cs=crt de colect de saturatie,v_BE=tens baza-emitor,iar v_T=tens termica.

Sch realiz cu tranz sunt date in fig:

Analog,tens de ies sunt:

pt fig a:

pt fig b:

Dezav sch de mai sus sunt date de termenii v_T,I_S,I_CS, care sunt puternici dep de temperat si astfel se impun masuri coresp de compensa acestor dep.

AMPLIFICATOARE LOGARITMICE SI EXPONENTIALE

COMPENSATE

Pt compens er introd de termenii de mai sus se mai utiliz inca o pereche dioda/tranz-AO.Astfel,in loc de o tens absoluta v_BE,sa intervina diferenta a doua tens v_BE,ce conduce la logaritm din raport.Se prefera sch cu tranz dat perform.

Cd Q1 si Q2 izoterme,se pot scrie:

v_BE1=v_T ln v_BE2=v_T ln

v₀=

De unde rezulta tens de ies:

V₀= -

Ac reflecta aspectele:

R4 tb sa fie dep de temp cu un coef pozitiv astfel ca prin alegerea convenabila a val R3 si R4,termenul v_T(R3+R4)/R4,sa rezulte indep de temp;pt ac,e nec ca R3>>R4

spre deoseb de I_CS dep putern de temp,rap I_CS1/I_CS2 e practic indep de temp si difera de unitate fct de gradul de imperechere a celor 2 tranz;abaterea rap de la unitate poate fi compens prin reglarea uneia din val elem R2 sau V_r.

Daca se asig cond de mai sus,atunci rezulta:

V₀₌-

unde s-a cd ca termenii:v_T(R3+R4)/R4=0,4343=log₁₀(e) si R2/V_r,sunt astfel dimensionati,incit sa se asig trecerea de la log natural la log zecimal.

In sch de mai sus ,C1 si C2 asig stabilitatea etajelor U1,Q1 si U2,Q2(prezenta Q1 si Q2 in bucla de reactie conduce la multiplicarea amplif U1 si U2 cu factorul b al Q1 si Q2),D1 protej jonct baza-emitor ale Q1 si Q2 la tens inverse,iar R_E asig inchiderea si limitarea crt de emitor ai Q1 si Q2.

Daca U1 si U2 prezinta crt mic la intr,iar Q1 si Q2 sunt realiz sub forma monolitica,sch poate funct intr-o gama de crt de intr de 10 nA-1mA,cu eroarea de 0,5-1

Aplicind aceleasi principii,conditii si masuride compensare,unui amplif expon elementar,rezulta sch:

Trecerea de la sch si caracteristicile amplif logaritm,la sch si caract amplif expon,au la baza ca fct matem log si exp sunt fct inverse.Astfel sch fig 19 devine cea din fig 20 iar rel de calcul conduc la o expresie a tens de iesire a amplif expon de forma:

V₀=10^-v_x