modulatori intermedi (condizionamento analogico dei segnali)

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MODULATORI MODULATORI INTERMEDI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI) DEI SEGNALI)

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Page 1: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

MODULATORIMODULATORIINTERMEDIINTERMEDI

(CONDIZIONAMENTO (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)ANALOGICO DEI SEGNALI)

Page 2: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

CARATTERISTICA DI FUNZIONAMENTO DEL DIODOCARATTERISTICA DI FUNZIONAMENTO DEL DIODO

Page 3: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

STABILIZZATORESTABILIZZATORE

Page 4: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

DIODO RADDRIZZATOREDIODO RADDRIZZATORE

GENGEN

RiRi

Page 5: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

GENGEN

RiRi

PONTE DI DIODIPONTE DI DIODI

Page 6: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

++ --

TRIODOTRIODO

Page 7: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

TRIODOTRIODO

APPLICAZIONE: VOLTMETRO ELETTRONICOAPPLICAZIONE: VOLTMETRO ELETTRONICO

Page 8: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

All’inizio i terminali di ingersso sono in corto All’inizio i terminali di ingersso sono in corto circuito, ossia le griglie G1 e G2 sono allo stesso circuito, ossia le griglie G1 e G2 sono allo stesso potenziale. In queste condizioni si regola il cursore potenziale. In queste condizioni si regola il cursore R in modo che le correnti anodiche T1 e T2 siano R in modo che le correnti anodiche T1 e T2 siano identiche: G non segna passaggio di corrente.identiche: G non segna passaggio di corrente.

In condizioni di lavoro, tra A e B vi è una d.d.p., che In condizioni di lavoro, tra A e B vi è una d.d.p., che varia il potenziale di polarizzazione della griglia G1, varia il potenziale di polarizzazione della griglia G1, quindi la corrrente anodica di T1, mentre G2, quindi la corrrente anodica di T1, mentre G2, sempre a massa, lascia inalterata la corrente sempre a massa, lascia inalterata la corrente anodica di T2. Tra i due anodi si ha ora una d.d.p., anodica di T2. Tra i due anodi si ha ora una d.d.p., quindi G segnerà un passaggio di corrente quindi G segnerà un passaggio di corrente proporzionale a Vi.proporzionale a Vi.

Page 9: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

VANTAGGI:VANTAGGI:

• impedenza di ingresso molto impedenza di ingresso molto elevata (oltre 1 Melevata (oltre 1 M))

• T1 amplifica le variazioni di T1 amplifica le variazioni di potenziale in griglia facilitando potenziale in griglia facilitando la misura di d.d.p. continue di la misura di d.d.p. continue di valore assai basso (valore assai basso (V)V)

Page 10: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

++ --

EVOLUZIONE DEL DIODO: EVOLUZIONE DEL DIODO: ILTRANSISTORILTRANSISTOR

NN

NN

PP

EMETTITOREEMETTITORE

COLLETTORECOLLETTORE

BASEBASE

Page 11: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

TRANSISTORTRANSISTOR

NPNNPN PNPPNP

Page 12: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

SCHEMA DI SCHEMA DI FUNZIONAMENTO (NPN)FUNZIONAMENTO (NPN)

Page 13: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

IL TRANSISTOR IN UN IL TRANSISTOR IN UN CIRCUITO CIRCUITO (SCHEMA COMMON-EMITTER)(SCHEMA COMMON-EMITTER)

I h IC FE B

h guadagno cFE orrente

valori tipici hvalori tipici hFEFE = 20 = 20

Page 14: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

IL TRANSISTOR IN UN IL TRANSISTOR IN UN CIRCUITO CIRCUITO (SCHEMA COMMON-EMITTER)(SCHEMA COMMON-EMITTER)

emitter in comune tra output emitter in comune tra output ed inputed input

IIBB

Page 15: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

Il funzionamento è dato Il funzionamento è dato dall’intersezione tra la retta di carico dall’intersezione tra la retta di carico del resistore RC e la carattteristica del del resistore RC e la carattteristica del transistor.transistor.

La linea tratteggiata esprime la La linea tratteggiata esprime la massima dissipazione del transistor: massima dissipazione del transistor: è un limite non oltrepassabile.è un limite non oltrepassabile.

La corrente di base è limitata da RB; La corrente di base è limitata da RB; Se IB cala, il punto di funzionamento Se IB cala, il punto di funzionamento si abbassa fino al cut-off (IB=0).si abbassa fino al cut-off (IB=0).

Page 16: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

Se IB cresce il limite è dato dalla Se IB cresce il limite è dato dalla “saturazione”. In tale condizione V(emitter-“saturazione”. In tale condizione V(emitter-collector ) è ad un valoire minimo di 0.1-0.2 V collector ) è ad un valoire minimo di 0.1-0.2 V con la massima corrente.con la massima corrente.

CUT-OFF CUT-OFF impedenza del transistor molto impedenza del transistor molto altaalta (interrruttore aperto)(interrruttore aperto)

SATURAZIONESATURAZIONE impedenza del transistorimpedenza del transistor molto bassa (interruttore molto bassa (interruttore chiuso) chiuso)

Page 17: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

IL CIRCUITO EMITTER-FOLLOWERIL CIRCUITO EMITTER-FOLLOWER

Page 18: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

La resistenza effettiva di ingresso è 100 La resistenza effettiva di ingresso è 100 volte più grande di quella di uscita. Questo volte più grande di quella di uscita. Questo siginfica che la potenza richiesta al segnale siginfica che la potenza richiesta al segnale di ingresso per pilotare il carico è molto di ingresso per pilotare il carico è molto minore di quella che si avrebbe nel caso di minore di quella che si avrebbe nel caso di collegamento diretto tra l’ingresso ed il collegamento diretto tra l’ingresso ed il carico.carico.

Questo circuito Emitter-Follower funziona Questo circuito Emitter-Follower funziona come un amplificatore di potenza e come come un amplificatore di potenza e come adattatore di impedenza. adattatore di impedenza.

Page 19: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

Per aumentare il rapporto di Per aumentare il rapporto di amplificazione l’emettitore di un amplificazione l’emettitore di un primo stadio può essere collegato primo stadio può essere collegato con la base di un ulteriore con la base di un ulteriore transistor.transistor.

Il guadagno in corrente è il Il guadagno in corrente è il prodotto dei due (1e2*1e2=1e4).prodotto dei due (1e2*1e2=1e4).

Page 20: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

Oggigiorno i transistor più diffusi Oggigiorno i transistor più diffusi sono i FET (field effect transistors) e sono i FET (field effect transistors) e i MOSFET che, invece che in i MOSFET che, invece che in corrente, sono controllati in corrente, sono controllati in tensione.tensione.

Page 21: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

AMPLIFICATORIAMPLIFICATORI

Page 22: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

L’amplificatore viene visto come una L’amplificatore viene visto come una scatola nera; può essere un semplice scatola nera; può essere un semplice transistor o un circuito più complesso transistor o un circuito più complesso (integrato).(integrato).

L’alimentazione è tipicamente in DC. Un L’alimentazione è tipicamente in DC. Un circuito di ingresso controlla il circuito di ingresso controlla il trasferimento di energia all’uscita: il trasferimento di energia all’uscita: il segnale in uscita deve avere un segnale in uscita deve avere un contenuto in potenza superiore a quello contenuto in potenza superiore a quello in ingresso: questo incremento in in ingresso: questo incremento in potenza è prelevato dall’alimentazione potenza è prelevato dall’alimentazione

Page 23: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

AMPLFICATOREAMPLFICATORE

V VR Ri

SS i

1 /Ri deve essere molto grande ed Ro deve Ri deve essere molto grande ed Ro deve essere molto piccola per il massimo essere molto piccola per il massimo guadagno in tensioneguadagno in tensione

Page 24: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

Il guadagno del circuito aperto in Il guadagno del circuito aperto in tensione è 100 volte. Se Ri=100 ktensione è 100 volte. Se Ri=100 k R0=100 R0=100 , Rs=300 , Rs=300 Determinare il Determinare il guadagno totale in tensione ed in potenza guadagno totale in tensione ed in potenza quando a valle dell’amplificatore si ha una quando a valle dell’amplificatore si ha una resistenza di 50 resistenza di 50 e la sorgente in e la sorgente in tensione è di 10 mV.tensione è di 10 mV.

Page 25: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

Stadio di ingresso: Stadio di ingresso:

V R V R R

Vi i s i s / /

.

10 10 10 10 300

0009708

4 3 4

Tensione a circuito aperto:Tensione a circuito aperto:

V A V Vo v i 100 0009708 09708. .

Stadio di uscita:Stadio di uscita:

V R V R RL L o L o / . /50 09708 100 50

Page 26: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

Potenza in uscita:Potenza in uscita:

V R mW W o L2 203236 50 209 2090/ . / .

Guadagno in tensione:Guadagno in tensione:

0.3236 / 0.009708 = 33.33

Potenza in ingresso:Potenza in ingresso:

V R W i i2 20009708 10000 0009425/ . / .

Guadagno in potenza:Guadagno in potenza:2090 / 0.00945 = 221762

Page 27: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

AMPLIFICATORE AMPLIFICATORE OPERAZIONALEOPERAZIONALE

Page 28: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

UN AMPLIFICATORE REALEUN AMPLIFICATORE REALE

Page 29: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

• componente essenziale che puo’ comparire anche in piu’ punti di una catena di misura.

• puo’ svolgere varie funzioni

Page 30: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

supponiamo di avere un sensore attivo (ad esempio una termocoppia), che produca un segnale in tensione di basso livello (ad es 10 mV)

da un punto di vista elettrico esso puo’ essere visto come un generatore di tensione con un’impedenza in serie...

Page 31: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

V0

R0

Rm

I

effetto di carico:

VmRmI R m

R mR 0

V0V0

Page 32: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

sensore attivo con segnale di basso livello

due problemi:

• eseguire una misura di tensione “a vuoto”

• elevare il livello di tensione.

Page 33: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

ELEMENTO BASE: AMPLIFICATORE AD ELEVATO GUADAGNO

V -

V+

V

Vu = A (V+-V- ) ; A=guadagno in ciclo apertoVu V alim

Vu

Zi

Zu

INGRESSO INGRESSO INVERTENTEINVERTENTE

INGRESSO NON INGRESSO NON INVERTENTEINVERTENTE

Page 34: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)
Page 35: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

Valori reali:Valori reali:

guadagno: 100000 V/V (teorico infinito)guadagno: 100000 V/V (teorico infinito)

tensione di offset 1 mV a 25°C (teorico 0)tensione di offset 1 mV a 25°C (teorico 0)

correnti di bias iA, iB 10e-6 10e-14 A correnti di bias iA, iB 10e-6 10e-14 A (teorico 0)(teorico 0)

impedenza di ingresso 10e5 10e11 impedenza di ingresso 10e5 10e11 (teorico infinito)(teorico infinito)

impedenza di uscita 1 10 impedenza di uscita 1 10 (teorico 0) (teorico 0)

Page 36: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

AMPLIFICATOREAMPLIFICATORE

Page 37: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

in generale

• A é molto grande , idealmente

• Zi é molto grande, idealmente

• Zu é molto piccola , idealmente

da cui le equazioni ideali:

V+ = V- ; I+ = 0 ; I- = 0

A

Z i

Zu 0

Page 38: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

ALTRI PARAMETRI IMPORTANTI:ALTRI PARAMETRI IMPORTANTI:

GUADAGNO IN TENSIONE DI MODO COMUNEGUADAGNO IN TENSIONE DI MODO COMUNE: : rapporto Vuscita/segnale uguale applicato su V+ e rapporto Vuscita/segnale uguale applicato su V+ e V-V-

LARGHEZZA DI BANDALARGHEZZA DI BANDA: frequenza in : frequenza in corrispondenza della quale il guadagno si riduce corrispondenza della quale il guadagno si riduce di volte rispetto alle basse frequenzedi volte rispetto alle basse frequenze

OFFSET DI TENSIONEOFFSET DI TENSIONE: V uscita quando V+=V- =0: V uscita quando V+=V- =0

1 2/

Page 39: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

LA RETROAZIONELA RETROAZIONE

AA

RR

VoVoViVi ++

++

V AAR Vo i 1

Page 40: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

loop apertoloop aperto loop chiusoloop chiuso

Page 41: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

tornando al problema del sensore che fornisce un segnale

in tensione piccolo

come ridurre il fattore di carico?

Page 42: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

AMPLIFICATORE SEPARATORE detto anche Voltage follower:

è un caso particolare di circuito NON INVERTENTE

V0

R0

Rm

I1

I2

V1 V2

Page 43: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

funziona come se...

V

Val

R0

Rm

V -

V+

V0

Page 44: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

se impongo che una frazione dell’uscita sia uguale all’ingresso...

AMPLIFICATORE NON INVERTENTE

V1

V2

V0

R0

Rm

R

R

/ 2V2

Page 45: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

schema generale:

R1

V1

V2

A

R2

V2 = V1( 1 + R2 / R1 )VA V2R1

R1 R2

Page 46: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

CASO PARTICOLARE R1>>R2: CASO PARTICOLARE R1>>R2: VOLTAGE FOLLOWERVOLTAGE FOLLOWER

GUADAGNO Av=1GUADAGNO Av=1

SI HA SOLO DISACCOPPIAMENTO SI HA SOLO DISACCOPPIAMENTO

Page 47: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

perché si chiama non invertente?

Page 48: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

esiste un altro modo di realizzare un amplificatore“che amplifica”:

AMPLIFICATOREINVERTENTE

V0

R0

Rm

R2

R1

V1 V2

A

I1 I2 0V

I11

R1I

V2

2

R2

V2 = - V1R 2 / R 1

I1

I2

Page 49: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

SCHEMA ED EQUAZIONISCHEMA ED EQUAZIONI

Page 50: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

Equazioni amplificatore invertente:Equazioni amplificatore invertente:

impedenza di uscita Ro=0;i1=V1/R1, perchè R1 è molto impedenza di uscita Ro=0;i1=V1/R1, perchè R1 è molto alta i1=0; questo equivale a potenziale in E pari a 0 alta i1=0; questo equivale a potenziale in E pari a 0 (E è detto “terra virtuale”).(E è detto “terra virtuale”).

Kirchoff: i1=-i2 V1/R1= -Vo/R2; il guadagno è allora Kirchoff: i1=-i2 V1/R1= -Vo/R2; il guadagno è allora

VoV

R

R12

1

contano dunque solo i resistori esterni e non il contano dunque solo i resistori esterni e non il guadagno dell’amplificatore a circuito aperto.guadagno dell’amplificatore a circuito aperto.

Page 51: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

Il discorso vale se l’impedenza di ingresso Ri ed il guadagno A Il discorso vale se l’impedenza di ingresso Ri ed il guadagno A dell’amplificatore sono grandi. Se si scrivono le equazioni dell’amplificatore sono grandi. Se si scrivono le equazioni rigorose in E (ove il potenziale è v1)rigorose in E (ove il potenziale è v1)

V vR

Vo vR

vRi

1 11

12

1

Inoltre Vo=-Av1 da cui:Inoltre Vo=-Av1 da cui:

Svolgendo i conti:Svolgendo i conti:

V Vo A

R

Vo Vo A

R

Vo A

Ri

1

1 2

/ / /

VoV

R R

A R R R Ri12 1

1 1 2 1 2 1

/

/ / /

La semplificazione vista La semplificazione vista prima vale solo se A è molto prima vale solo se A è molto grandegrande

Page 52: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

Valori tipici: R1=100 kValori tipici: R1=100 k, R2=1 M, R2=1 M, Ri=500 k, Ri=500 k, , A=10e3.A=10e3.

Dall’espressione semplificata viene un guadagno:Dall’espressione semplificata viene un guadagno:

Vo/V1=-10e6/(100e3)=-10Vo/V1=-10e6/(100e3)=-10

Se si utilizza l’espressione completa il guadagno è Se si utilizza l’espressione completa il guadagno è -9.87, con un errore di 1.3%. Spesso A è >10e3, per cui -9.87, con un errore di 1.3%. Spesso A è >10e3, per cui l’approssimazione è minorel’approssimazione è minore

Page 53: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

OFFSET VOLTAGE E BIAS CURRENTOFFSET VOLTAGE E BIAS CURRENT

CIRCUITO INVERTENTE NEL CASO GENERALE:

ei eBR

eo eBR

eBR iB 1 2 4 0

eB=eA+Vos da cui

Page 54: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

eo ei RR Vos iBR R

RRR 2

1 1 21

24( )( ) con R3=0

eo ei RR Vos iB iA R R

RRR 2

1 1 21

24[ ( ) ]( ) con R3=R

ERRORE

1/R=1/R1+1/R2+1/R3

caso R3=R: l’errore dovuto alla corrente di bias è proporzionale a (iA-iB), circa 10 volte più piccolo di quello legato alle sole iA o iB

possibili soluzioni più raffinate sono mostrate nella pagina seguente

Page 55: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

BILANCIAMENTO MANUALE

annulla problemi di bias current e offset voltage, ma la correzione va ripetuta nel

tempo.

ALTRA SOLUZIONE

( se predomina corrente di bias: iBR1>5mV)

Page 56: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

Esempio: caso del follower: Esempio: caso del follower: eo=(ea-eb-Vos)Aeo=(ea-eb-Vos)A

In teoria:In teoria:

eo=(ei-eo-0)infinitoeo=(ei-eo-0)infinito

eo/infinito=ei-eo; ei=eoeo/infinito=ei-eo; ei=eo

con A=1e6,Vos=1mV, con A=1e6,Vos=1mV,

si ha:si ha:

eo=0.9999ei-0.0009999, una eo=0.9999ei-0.0009999, una buona approssimazione se buona approssimazione se e0>>1mVe0>>1mV

Vos

b

aeo

ei

Valori tipici:Valori tipici:

eo=10V con 10mAeo=10V con 10mA

Page 57: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO L’AMPLIFICATORE OPERAZIONALEL’AMPLIFICATORE OPERAZIONALE

CIRCUITO SOMMATORECIRCUITO SOMMATORE

(invertente)(invertente)

-if=i1+i2+i3-if=i1+i2+i3

EoRf

ER

ER

ER

11

22

33

Eo Rf ER

ER

ER

11

22

33

Page 58: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO L’AMPLIFICATORE OPERAZIONALEL’AMPLIFICATORE OPERAZIONALE

CIRCUITO SOMMATORECIRCUITO SOMMATORE

(non invertente)(non invertente)

Eo=E1+E2Eo=E1+E2

Page 59: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO L’AMPLIFICATORE OPERAZIONALEL’AMPLIFICATORE OPERAZIONALE

CIRCUITO INTEGRATORECIRCUITO INTEGRATORE

Caduta di tensione sulla Caduta di tensione sulla capacità:capacità:

10

/ C idtt

ii= -i (terra virtuale);

i2= - (Vi/Ri); ne viene che

Vo C Vi Ri dtt

CRi Vi Ri dtt

10

10

/ /

/ /

Page 60: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO L’AMPLIFICATORE OPERAZIONALEL’AMPLIFICATORE OPERAZIONALE

CIRCUITO DERIVATORECIRCUITO DERIVATORE

ii= -if (terra virtuale);

Ei C iidtt

C EoRf dt

t

10

10

/

/

Page 61: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO L’AMPLIFICATORE OPERAZIONALEL’AMPLIFICATORE OPERAZIONALE

CIRCUITO MOLTIPLICATORECIRCUITO MOLTIPLICATORE

E DIVISOREE DIVISORE

Page 62: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO L’AMPLIFICATORE OPERAZIONALEL’AMPLIFICATORE OPERAZIONALE

CONVERTITORE CORRENTE TENSIONECONVERTITORE CORRENTE TENSIONE

E’ un follower con R tra E’ un follower con R tra l’ingresso non invertente e l’ingresso non invertente e terra.terra.V2=iin R; v1=Vo,V2=iin R; v1=Vo,Vo=A(v2-v1)Vo=A(v2-v1)Vo(1+A)=A iin RVo(1+A)=A iin RVo=A iin R/(1+A); A grandeVo=A iin R/(1+A); A grande

Vo=iin RVo=iin R

Page 63: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO L’AMPLIFICATORE OPERAZIONALEL’AMPLIFICATORE OPERAZIONALE

CONVERTITORE TENSIONE CORRENTECONVERTITORE TENSIONE CORRENTE

E’ un tipico non invertente E’ un tipico non invertente ove i di feedback è la base ove i di feedback è la base del segnale di uscita.del segnale di uscita.v1=ioutR, v2=Vinv1=ioutR, v2=VinVo=ioutRL=A(v2-v1)Vo=ioutRL=A(v2-v1)Vo=A(Vin-ioutR)Vo=A(Vin-ioutR)iout(RL+AR)=AVin, con Aiout(RL+AR)=AVin, con AioutAR=AVin; iout=Vin/RioutAR=AVin; iout=Vin/R

Page 64: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

consideriamo ora un sensore passivo, inseritoin un circuito a ponte:

se usassi uno degli amplificatori visti precedentementecortocircuiterei un ramo del ponte!

VV0

R+R

R+R

R

R

Rm?

Page 65: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

CONFIGURAZIONE DEGLI AMPLIFICATORI

UNIPOLARE DIFFERENZIALE

k k

Zi Zi

Zu Zu

VuVu

Page 66: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

torniamo dunque al ponte...

l’amplificatore differenziale separa il circuito di trasduzionedall’elemento terminale, consentendo due collegamentidi terra indipendenti.

VV0

R+R

R+R

R

RRm

Page 67: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

L’AMPLIFICATORE DIFFERENZIALEL’AMPLIFICATORE DIFFERENZIALE

V vR

v VoR

1 11

12

v V R VoRR R1 1 2 1

1 2

NODO XNODO X

V vR

vR

2 23

24

v RR R2 4

3 4

NODO YNODO Y

Page 68: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

Vo=A(v1-v2)Vo=A(v1-v2)

( ) ( ) ( )v v VoA

V R VoRR R

V RR R1 2 1 2 1

1 22 4

3 4

Vo

V R R R RR R

V R R 2 4 3 1 2 1

1 4 31 2 1

( / ) ( / )( / )

( / )

con A grandecon A grande

R4/R3 e R2/R1 possono essere rese ugualiR4/R3 e R2/R1 possono essere rese uguali

Vo R R V V 2 1 2 1/

Page 69: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

I segnali sono in genere composti da due parti I segnali sono in genere composti da due parti distinte: distinte:

il segnale COMMON MODE (media degli il segnale COMMON MODE (media degli ingressi)ingressi)

il segnale DIFFERENCE MODE (differnza degli il segnale DIFFERENCE MODE (differnza degli ingressi)ingressi)

Idealmente l’amplificatore differenziale Idealmente l’amplificatore differenziale dovrebbe riguardare solo il segnale differenziale, dovrebbe riguardare solo il segnale differenziale, tuttavia anche il segnale comune viene in qualche tuttavia anche il segnale comune viene in qualche modo amplificato.modo amplificato.

Page 70: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

CMRR è definito come il rapporto tra il CMRR è definito come il rapporto tra il guadagno della tensione differenziale e il guadagno della tensione differenziale e il guadagno della tensione comune. Tale guadagno della tensione comune. Tale valore deve essere il più alto possibile.valore deve essere il più alto possibile.

Valori tipici di CMRR: 90dB, ciò significa Valori tipici di CMRR: 90dB, ciò significa che lo stesso segnale applicato ai due che lo stesso segnale applicato ai due ingressi darà un’uscita circa 32000 volte ingressi darà un’uscita circa 32000 volte più piccola di quella data da un segnale più piccola di quella data da un segnale applicato ad uno solo dei due ingressi.applicato ad uno solo dei due ingressi.

Page 71: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

Esempio: riduzione del rumoreEsempio: riduzione del rumore

Page 72: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

DA RICORDARE !!!DA RICORDARE !!!

SIMBOLI DI MESSA A TERRASIMBOLI DI MESSA A TERRA

GROUNDGROUND CHASSISCHASSIS

Page 73: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

AMPLIFICATORE IN CORRENTEAMPLIFICATORE IN CORRENTE

R1

Vi

Rf Rsii

io

is

vi è circa 0, VX= - iiRf

io=ii+is, VX= - isRs

VX

GUADAGNO IN CORRENTE:

Aic=io/ii= - (VX/Rf+VX/Rs)/-VX/Rf =

Rf Rs RfRfRs

RfRs

( ) 1

Page 74: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

AMPLIFICATORE PER STRUMENTAZIONEAMPLIFICATORE PER STRUMENTAZIONE

Page 75: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

PREGI:PREGI:

Alta impedenza di ingresso e bassa impedenza Alta impedenza di ingresso e bassa impedenza di uscitadi uscita

Alto CMRRAlto CMRR

Basso livello di rumore Basso livello di rumore

Basso offset drift (effetto della temperatura)Basso offset drift (effetto della temperatura)

Page 76: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

In A la tensione è v1, in B è v2.V1=v1-v2 è la In A la tensione è v1, in B è v2.V1=v1-v2 è la caduta su R1; I=V1/R1.caduta su R1; I=V1/R1.

v’1=v1+R2V1/R1v’1=v1+R2V1/R1 v’2=v2+R2V1/R1 v’2=v2+R2V1/R1

v’1-v’2=V1[1+2(R2/R1)]v’1-v’2=V1[1+2(R2/R1)]

X terra virtuale, i1=i2; (v’1-vX)/R3=(vX-Vo)/R4X terra virtuale, i1=i2; (v’1-vX)/R3=(vX-Vo)/R4

Ingresso differenziale in A3 è virtualmente 0, Ingresso differenziale in A3 è virtualmente 0, vX=vYvX=vY

Ingresso non invertente: (v’2-vY)/R5=vY/R6Ingresso non invertente: (v’2-vY)/R5=vY/R6

Page 77: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

Si ricava Si ricava Vo R R v

R R R R v 1 4 3

1 5 6 4 321

// ( / )

''

Ma è anche:Ma è anche:Vo AD v v ( )' '2 1

da cui AD=R4/R3 ed anche AD=R6/R5.da cui AD=R4/R3 ed anche AD=R6/R5.

Il rapporto tra ingresso ed uscita è:Il rapporto tra ingresso ed uscita è:

Vo=(R4/R3)[1+2(R2/R1)]V1Vo=(R4/R3)[1+2(R2/R1)]V1

Page 78: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

Il quarzo ha una elevata impedenza di uscitaIl quarzo ha una elevata impedenza di uscita

L’impedenza di ingresso dell’amplificatore L’impedenza di ingresso dell’amplificatore deve essere molto maggioredeve essere molto maggiore

Due possibilità:Due possibilità:

- amplificatore in tensione- amplificatore in tensione

- amplificatore in carica- amplificatore in carica

AMPLIFICATORI IN TENSIONE E IN CARICAAMPLIFICATORI IN TENSIONE E IN CARICA

Page 79: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

AMPLIFICATORE IN TENSIONEAMPLIFICATORE IN TENSIONE

RRaa

CCaa

RRcc

CCcc

RRpp

CCpp

QQaaVVoo

accelerometroaccelerometro cavocavo preamplificatorepreamplificatore

++

--

adattatore di impedenzaadattatore di impedenzacon G = 1con G = 1

Page 80: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

SVANTAGGI:SVANTAGGI:

l’uscita varia al variare di:l’uscita varia al variare di:

capacità del cavocapacità del cavo

resistenze di contattoresistenze di contatto

umidità e sporcizia nei contattiumidità e sporcizia nei contatti

Page 81: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)
Page 82: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

RRaa

CCaa

RRcc

CCcc

RRpp

CCpp

QQaaVVoo

CCff

RRff

accelerometroaccelerometro cavocavo preamplificatorepreamplificatore

AMPLIFICATORE IN CARICAAMPLIFICATORE IN CARICA

Page 83: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

VVQQ

CCCC CC CC CC

GG

oo aa

ffaa cc pp ff

Se le resistenze RSe le resistenze Rii sono piccole: sono piccole:

essendo:essendo:G: G: guadagno dell’amplificatore operazionaleguadagno dell’amplificatore operazionale

Siccome G è molto elevato:Siccome G è molto elevato:

VVQQCCoo aa

ff

Page 84: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

SVANTAGGI:SVANTAGGI:

Alle alte frequenze il cavo lungo si comporta da Alle alte frequenze il cavo lungo si comporta da filtro passa-bassofiltro passa-basso

La resistenza RLa resistenza Rff limita la risposta per frequenze limita la risposta per frequenze

inferiori diinferiori di

Questa resistenza è spesso introdotta per Questa resistenza è spesso introdotta per eliminare le fluttuazioni a bassa frequenzaeliminare le fluttuazioni a bassa frequenza

ffRR CCff ff

1122

Page 85: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

FINEFINE

Page 86: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

AMPLIFICATORE SEPARATORE

V0

R0

Rm

I1

I2

V1 V2

Page 87: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

AMPLIFICATORE NON INVERTENTE

R1

V1

V2

A

R2

Page 88: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

AMPLIFICATORE INVERTENTE

V0

R0

Rm

R2

R1

V1 V2

A

Page 89: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

torniamo ora alla termocoppia e consideriamoi collegamenti di terra

si crea una maglia di terra!

k

V0 Rm

VTZT

Z2 Z1

Rc/ 2

Rc/ 2IT

Page 90: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

V0

Rc/ 2

k

Rm

Vmc

Rc/ 2

V sV

l’effetto risultante é:

Vs = tensione “serie”Vmc = tensione di “modo comune”V = V0 + Vs

Page 91: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

se invece utilizziamo un amplificatore differenziale:

V0

Rm

Z1

Rc/ 2

Rc/ 2

k

VTZT

Z2

Page 92: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

V

V0

Rc/ 2

Rc/ 2Rm

k

Vmc

V s

V s

per la simmetria ora, idealmente:V = k V0

in realtà:V = k (V0 + Vmc / CMRR)ove CMRR= Common Mode Rejection Ratio

Page 93: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

come si puo’ realizzare un amplificatore differenziale?

Page 94: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

ad esempio combinando uno schema invertente e unonon invertente:

R1

V1

V2

C

R1 R2

R2

VA

VB

VR2

R1VA VB

R2

R1V1

VC VAR2

R1 R2

V2 R2

R1VB

R1 R2

R1

VC

Page 95: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

infine, un tipico...

AMPLIFICATORE PER STRUMENTAZIONE

R

R

V3RR

R2

V1

R2

V2

R1

V3 1 2R2 / R1 V1 V2

Page 96: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

ricapitolando...

L’amplificatore svolge una funzione di raccordo fra il trasduttore primario e l’elemento terminale di rivelazione.

Page 97: MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

In particolare:

• disaccoppiamento energetico fra circuito di trasduzione e circuito di rivelazione (separatore)

• amplificazione del segnale di ingresso (amplificatore)

• isolamento (parziale o totale) del circuito di trasduzione da quello di rivelazione(differenziale o isolatore)

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RISERVERISERVE