Acondicionamiento De Señal 393f40

7. Acondicionadores de señal para sensores generadores Los sensores generadores ofrecen una tensión o una corriente cuya magnitud, frecuencia e impedancia de salida determinan las características requeridas en la etapa de acondicionamiento. Cuando la tensión o corrientes son débiles, hace falta una amplificación, que exige soluciones nuevas. Las tensiones manejadas, son muy débiles, hasta el punto de impedir la utilización de aplicadores de alta ganancia acoplados en alterna porque los condensadores necesarios serian desorbitadamente grandes. En los amplificadores de continua, se presentan la problemática de su tensión de desequilibrio (offset). Cuando se desea alta ganancia, los amplificadores de continua se basan en amplificadores operacionales (AO). En otros casos la señal a acondicionar no es débil, pero procede de una alta impedancia. Las consideraciones de estas lleva entonces a la necesidad de amplificadores con características singulares o con estructuras distintas a la convencional. Cuando se desea obtener una resolución elevada, aun en el caso de la medida de magnitudes variables a las que no afectan las derivas en los amplificadores, surge el problema del ruido interno en estos. 7.1 Amplificadores con bajas Derivas 7.1.1 Desequilibrios y derivas en amplificadores operacionales. Amplificador Ideal  Tensión de salida nula.  Tensión de entrada nula.  Corrientes de entrada nulas. Amplificador Real Existe tensión de salida. Existe tensión de entrada. Las corrientes aparte de existir son diferentes. Denominándose offset. Esto se debe: 

Al des apareamiento de los transistores de entrada (bipolares o FET).



Para tener una salida nula hay que aplicar una tensión entre los terminadas de entrada: tensión de desequilibrio.

El efecto de esta tensión y corrientes se pueden analizar observando la sig. fig.

Fig. Tensión de desequilibrio y corrientes de polarización en un amplificador operacional. La polaridad de Vos, es desconocida.(se indica para analizar el circuito). El sentido real de I1 e I2 depende de si los transistores de entrada de AO son npn, pnp, o algún tipo de FET. La tensión de salida es:

1.1

La Resistencia R3 no es neesaria para la amplificacionn en si, pero sis u valor se elige tal que R3 = R1||R2 la expression se reduce a:

1.2 Donde se ha designado la corriente de desequilibrio (Ios = I2 – I1). Cuando I0s << I1, I2; R3 reduce el error debido a las corrientes de entrada porque R3 = 0(1.1). EL error correspondiente seria I1 R2 en la ecuación (1.2) es IosR2. En los AO con compensación de polarización, hay una fuente de corriente alterna en cada terminal de entrada.

Fig. Corrientes de entrada en un amplificador operacional con compensación de las Corrientes de polarización. La corriente de entrada puede ser bipolar. La corriente de desequilibrio Ios es muy alta porque las corrientes de entrada son muy distintas. Por lo tanto se tiene que buscar la compensación de las corrientes mediante R3. Pero R3 añadirá ruido térmico. Para un amplificador no inversor los errores son los mismos, pero la ganacia es 1+R2/R1 y R3 para a ser la resistencia de salida de la señal a amplificar. Para compesar el error hay que poner una resistencia R4= R3 – R1||R2 en serio con la terminal inversor. Como se muestra en la sig fig.

Fig: Desequilibrios y derivas en amplificadores operacionales.

Si se desea referir en error a la entrada, se obtiene:

Reduciendo todas las resistencias a un mismo factor(valor bajo), el error debido a Vos no cambia, pero el de Ios sí. Tecnologías básicas de fabricación Bipolar  Transistores bipolares  Menor Vos (1mV 100uV)

 Menores derivas (3.3 uV/°C)  Menor dispersión entre componentes de un mismo lote de fabricación. BIFET  Transistores de entrada FET (canal p)  Mayor Vos (1 a 10mV)  Mayores derivas (3 a 30 uV/°C) CMOS    

Transistores MOS Vos intermedia Corrientes de entrada ínfimas (< 1pV) Sus derivas aumentan a temperaturas altas.

Las derivas térmicas de los AO no son constantes con la temperatura. En los primeros AO la deriva se calculaba simplemente dividiendo la diferencia de Vos a las temperaturas extremas por la diferencia de temperaturas:

1.4a Las dericas terminas en AO con estrada FET es en forma U (sig fig).

De modo que en la ecuación 1.4ª indica derivas bajas, irreales. Si las derivas a bajas y altas temperaturas son distintas pero bastante lineales, esto da lugar a unas graficas en forma de mariposa. (sig. Fig)

Habitualmente se especifica un único valor promedio.

Y al temperatura de referencia es Tr = 25°C. La temperatura interna aproximada que alcanza el AO, supuesto de baja potencia, es:

Dónde:

Las derivas terminas de las corrientes de entrada dependen del tipo de transitores empleados.   

Para los JFET, las corrientes de fuga doblan 10°C. Para los bipolares npn. I2 e I1 decrecen ligeramente al aumentar la temperatura Para los bipolares pnp. Tienen corrientes de entrada casi constantes hasta unos 100°C, a partir de eso aumentan las fugas.

La tensión de desequilibrio y las corrientes de polarización y de desequilibrio cambian también con el tiempo. La precaución que hay que tener en su manejo es que no suelen ser unas derivas acumulativas. Una buena aproximación es hacer la suma cuadrática, de modo que la deriva trimestral es (3)1/2 veces la mensual y la anual es (12)1/2 veces esta última. Para eliminar la tención inicial de desequilibrio, consiste en utilizar el terminal de ajuste interno que disponen algunos modelos. Pero no siempre es mejor ya que este ajuste interacciona con las corrientes y su desequilibrio, y con la deriva térmica de la tensión de desequilibrio. 7.1.2. Amplificadores operacionales con autocorrección de la deriva El método empleado en los AO monolíticos para obtener una deriva muy baja, consiste en medir periódicamente cual es la tensión de desequilibrio, para descontarla luego al medir la tensión de interés. Mientras esto ocurre, un circuito de retención ofrece a la salida la señal de interés. Dado que la entrada del amplificador se conecta alternativamente a la señal a amplificar y a masa, la señal que entra parece “troceada” y de ahí la denominación de amplificadores “Choppers”.

Fig: Esquema simplificado de un amplificador anterior operacional con autocorrección de la deriva. A) fase autcero B) fase de muestreo. Precauciones •

Evitar efector termoeléctricos en los circuitos.

•

Emplear elementos con bajas fuerzas termo electromotrices.

•

Aparear el número y tipo de uniones termoeléctricas en el camino de la señal manteniendo las uniones próximas y añadiendo componentes redundantes si es necesario

•

Reducir la potencia disipada en la placa y los gradientes de temperatura en ella.

•

Usar componentes con baja f.t.e.m. en las uniones.

Esta técnica de autocorrección de la deriva se puede aplicar también a circuitos realizados con componentes discretos.  La entrada se conecta periódicamente al potencial de referencia y se guarda en un circuito de retención en serie.

 Para cancelar los errores de cero debidos a los elementos que no queden dentro del lazo de retroacción de la corrección, hay que recurrir a una re calibración y autocorrección periódica por software. 7.1.3 Amplificadores Compuestos El diseño de amplificadores compuestos no sigue pautas establecidas sino que responde a la idiosincrasia de cada diseñador. En la sig. fig. se presenta el esquema simplificado de un amplificador inversor que tiene alta velocidad de salida, gracias a AO2, y bajas derivas gracias a AO1.

Para analizar su tensión de desequilibrio y derivas: V1 = 0 Vos1 y Vos2 = Aplicar superposición

Donde A1 y A2 son las ganancias en lazo abierto Vos1 y Vos2 = las tensiones de desequilibrio respectica a cada AO. Queda finalmente:

El circuito real puede necesitar algunos componentes adicionales para ajustar el nivel de ero, desacoplar la alimentación, limitar el ancho de vanda o para evitar oscilaciones. 7.1.4 Desequilibrios y derivas en amplificadores de instrumentación Cuando hay que amplificar una señal de baja frecuencia que procede de un sensor con salida diferencial, hay que pensar en un amplificador de instrumentación. Empleando AO de baja deriva, o bien puede ser integrando. AD624C •

la tensión máxima de desequilibrio de la etapa de entrada es de 26 μV y la deriva termina máxima son .25 μV/°C.

•

Su contribución de salida se obtiene multiplicando valores por la ganancia a la que se trabaje.

•

La tensión de desequilibrio de la etapa de salida es, de 2μV, y la deriva termina 10μV/°C.

•

Estas tensiones se suman directamente a la salida, con independencia de la ganancia a al que se trabaje.

•

El cambio de tensión de desequilibrio total referida a la entrada con respecto a la fluctuaciones de la tensión de alimentaciones de:

 80 dB para ganancia 1.  110 dB para ganancia 100.  115 dB para ganancia 1000. Este modelo ofrece 2 ajustes para la tensión de desequilibrio. •

Actúa sobre la tapa de entrada y se emplea para altas ganancias.

•

Actúa sobre la etapa de salida y se emplea para ganancias unidad.