MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

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MODULATORIINTERMEDI(CONDIZIONAMENTO ANALOGICO
DEI SEGNALI)
2
CARATTERISTICA DI FUNZIONAMENTO DEL DIODO
3
STABILIZZATORE
4
DIODO RADDRIZZATORE
Ri
GEN
5
PONTE DI DIODI
6
TRIODO
7
TRIODO APPLICAZIONE VOLTMETRO ELETTRONICO
8
Allinizio i terminali di ingersso sono in corto
circuito, ossia le griglie G1 e G2 sono allo
stesso potenziale. In queste condizioni si regola
il cursore R in modo che le correnti anodiche T1
e T2 siano identiche G non segna passaggio di
corrente. In condizioni di lavoro, tra A e B vi è
una d.d.p., che varia il potenziale di
polarizzazione della griglia G1, quindi la
corrrente anodica di T1, mentre G2, sempre a
massa, lascia inalterata la corrente anodica di
T2. Tra i due anodi si ha ora una d.d.p., quindi
G segnerà un passaggio di corrente proporzionale
a Vi.
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• VANTAGGI
• impedenza di ingresso molto elevata (oltre 1
  M?)
• T1 amplifica le variazioni di potenziale in
  griglia facilitando la misura di d.d.p. continue
  di valore assai basso (?V)

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EVOLUZIONE DEL DIODO ILTRANSISTOR
-

N
EMETTITORE
P
BASE
N
COLLETTORE
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TRANSISTOR
NPN
PNP
12
SCHEMA DI FUNZIONAMENTO (NPN)
13
IL TRANSISTOR IN UN CIRCUITO (SCHEMA
COMMON-EMITTER)
valori tipici hFE 20
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IL TRANSISTOR IN UN CIRCUITO (SCHEMA
COMMON-EMITTER)
IB
emitter in comune tra output ed input
15
Il funzionamento è dato dallintersezione tra la
retta di carico del resistore RC e la
carattteristica del transistor. La linea
tratteggiata esprime la massima dissipazione del
transistor è un limite non oltrepassabile. La
corrente di base è limitata da RB Se IB cala, il
punto di funzionamento si abbassa fino al cut-off
(IB0).
16
Se IB cresce il limite è dato dalla
saturazione. In tale condizione
V(emitter-collector ) è ad un valoire minimo di
0.1-0.2 V con la massima corrente. CUT-OFF
impedenza del transistor molto
alta (interrruttore aperto) SATURAZIONE impeden
za del transistor molto bassa (interruttore
chiuso)
17
IL CIRCUITO EMITTER-FOLLOWER
18
La resistenza effettiva di ingresso è 100 volte
più grande di quella di uscita. Questo siginfica
che la potenza richiesta al segnale di ingresso
per pilotare il carico è molto minore di quella
che si avrebbe nel caso di collegamento diretto
tra lingresso ed il carico. Questo circuito
Emitter-Follower funziona come un amplificatore
di potenza e come adattatore di impedenza.
19
Per aumentare il rapporto di amplificazione
lemettitore di un primo stadio può essere
collegato con la base di un ulteriore
transistor. Il guadagno in corrente è il prodotto
dei due (1e21e21e4).
20
Oggigiorno i transistor più diffusi sono i FET
(field effect transistors) e i MOSFET che,
invece che in corrente, sono controllati in
tensione.
21
AMPLIFICATORI
22
Lamplificatore viene visto come una scatola
nera può essere un semplice transistor o un
circuito più complesso (integrato). Lalimentazion
e è tipicamente in DC. Un circuito di ingresso
controlla il trasferimento di energia alluscita
il segnale in uscita deve avere un contenuto in
potenza superiore a quello in ingresso questo
incremento in potenza è prelevato
dallalimentazione
23
AMPLFICATORE
Ri deve essere molto grande ed Ro deve essere
molto piccola per il massimo guadagno in tensione
24
Il guadagno del circuito aperto in tensione è 100
volte. Se Ri100 k? R0100 ?, Rs300 ??
Determinare il guadagno totale in tensione ed in
potenza quando a valle dellamplificatore si ha
una resistenza di 50 ? e la sorgente in tensione
è di 10 mV.
25
Stadio di ingresso
Tensione a circuito aperto
Stadio di uscita
26
Guadagno in tensione
Potenza in uscita
Potenza in ingresso
Guadagno in potenza
27
AMPLIFICATORE OPERAZIONALE
28
UN AMPLIFICATORE REALE
29

• componente essenziale che puo comparire anche
  in piu punti di una catena di misura.
• puo svolgere varie funzioni

30
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 unimpedenza
in serie...
31
(No Transcript)
32

• sensore attivo con segnale di basso livello
• due problemi
• eseguire una misura di tensione a vuoto
• elevare il livello di tensione.

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ELEMENTO BASE AMPLIFICATORE AD ELEVATO GUADAGNO
INGRESSO INVERTENTE
Zu
Zi
Vu
INGRESSO NON INVERTENTE
V
?
V
Vu A (V-V- )
Aguadagno in ciclo aperto
u
a
lim
34
(No Transcript)
35
Valori reali guadagno 100000 V/V (teorico
infinito) tensione di offset 1 mV a 25C (teorico
0) correnti di bias iA, iB 10e-6 10e-14 A
(teorico 0) impedenza di ingresso 10e5 10e11 ?
(teorico infinito) impedenza di uscita 1 10 ?
(teorico 0)
36
AMPLIFICATORE
37
in generale

• A é molto grande , idealmente
• Zi é molto grande, idealmente
• Zu é molto piccola , idealmente

A
?
?
Z
?
?
i
Z
?
0
u
da cui le equazioni ideali V V- I
0 I- 0
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ALTRI PARAMETRI IMPORTANTI GUADAGNO IN TENSIONE
DI MODO COMUNE rapporto Vuscita/segnale uguale
applicato su V e V- LARGHEZZA DI BANDA
frequenza in corrispondenza della quale il
guadagno si riduce di volte rispetto
alle basse frequenze OFFSET DI TENSIONE V uscita
quando VV- 0
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LA RETROAZIONE
Vi

Vo
A

R
40
loop aperto
loop chiuso
41
tornando al problema del sensore che fornisce un
segnale in tensione piccolo come ridurre il
fattore di carico?
42
AMPLIFICATORE SEPARATORE detto anche Voltage
follower è un caso particolare di circuito NON
INVERTENTE
43
funziona come se...
44
se impongo che una frazione delluscita sia
uguale allingresso...
V2
R
0
R
V2
/
2
R
V
m
V1
0
R
AMPLIFICATORE NON INVERTENTE
45
schema generale
??
??
R
1
??
??
V
?
V
V2 V1( 1 R2 / R1 )
A
2
R
?
R
??
??
1
2
46
CASO PARTICOLARE R1gtgtR2 VOLTAGE
FOLLOWER GUADAGNO Av1 SI HA SOLO
DISACCOPPIAMENTO
47
perché si chiama non invertente?
48
esiste un altro modo di realizzare un
amplificatore che amplifica
R
2
R
R
I2
0
1
A
V
I1
0
V
1
V
2
AMPLIFICATORE INVERTENTE
49
SCHEMA ED EQUAZIONI
50
Equazioni amplificatore invertente impedenza di
uscita Ro0i1V1/R1, perchè R1 è molto alta
i10 questo equivale a potenziale in E pari a
0 (E è detto terra virtuale). Kirchoff i1-i2
V1/R1 -Vo/R2 il guadagno è allora
contano dunque solo i resistori esterni e non il
guadagno dellamplificatore a circuito aperto.
51
Il discorso vale se limpedenza di ingresso Ri ed
il guadagno A dellamplificatore sono grandi. Se
si scrivono le equazioni rigorose in E (ove il
potenziale è v1)
Inoltre Vo-Av1 da cui
Svolgendo i conti
La semplificazione vista prima vale solo se A è
molto grande
52
Valori tipici R1100 k?, R21 M?, Ri500 k?,
A10e3. Dallespressione semplificata viene un
guadagno Vo/V1-10e6/(100e3)-10 Se si utilizza
lespressione completa il guadagno è
-9.87, con un errore di 1.3. Spesso A è gt10e3,
per cui lapprossimazione è minore
53
OFFSET VOLTAGE E BIAS CURRENT
CIRCUITO INVERTENTE NEL CASO GENERALE
eBeAVos da cui
54
con R30
con R3R
ERRORE
1/R1/R11/R21/R3
caso R3R lerrore 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
55
BILANCIAMENTO MANUALE
ALTRA SOLUZIONE ( se predomina corrente di bias
iBR1gt5mV)
annulla problemi di bias current e offset
voltage, ma la correzione va ripetuta nel tempo.
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Esempio caso del follower eo(ea-eb-Vos)A
In teoria eo(ei-eo-0)infinito eo/infinitoei-eo
eieo con A1e6,Vos1mV, si ha eo0.9999ei-0.00
09999, una buona approssimazione se e0gtgt1mV
Valori tipici eo10V con 10mA
57
APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO LAMPLIFICATORE
OPERAZIONALE
CIRCUITO SOMMATORE (invertente)
-ifi1i2i3
58
APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO LAMPLIFICATORE
OPERAZIONALE
CIRCUITO SOMMATORE (non invertente)
EoE1E2
59
APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO LAMPLIFICATORE
OPERAZIONALE
CIRCUITO INTEGRATORE
Caduta di tensione sulla capacità
ii -i (terra virtuale) i2 - (Vi/Ri) ne viene
che
60
APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO LAMPLIFICATORE
OPERAZIONALE
CIRCUITO DERIVATORE
ii -if (terra virtuale)
61
APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO LAMPLIFICATORE
OPERAZIONALE
CIRCUITO MOLTIPLICATORE E DIVISORE
62
APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO LAMPLIFICATORE
OPERAZIONALE
CONVERTITORE CORRENTE TENSIONE
E un follower con R tra lingresso non
invertente e terra. V2iin R v1Vo, VoA(v2-v1) V
o(1A)A iin R VoA iin R/(1A) A grande Voiin
R
63
APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO LAMPLIFICATORE
OPERAZIONALE
CONVERTITORE TENSIONE CORRENTE
E un tipico non invertente ove i di feedback è
la base del segnale di uscita. v1ioutR,
v2Vin VoioutRLA(v2-v1) VoA(Vin-ioutR) iout(RL
AR)AVin, con A ioutARAVin ioutVin/R
64
consideriamo ora un sensore passivo, inserito in
un circuito a ponte
R

?
R
R
?
V
V
0
R
R

?
R
se usassi uno degli amplificatori visti
precedentemente cortocircuiterei un ramo del
ponte!
65
CONFIGURAZIONE DEGLI AMPLIFICATORI
UNIPOLARE
DIFFERENZIALE
Zu
Zu
Zi
Zi
Vu
Vu
66
torniamo dunque al ponte...
R

?
R
R
V
V
0
R
R

?
R
R
m
lamplificatore differenziale separa il circuito
di trasduzione dallelemento terminale,
consentendo due collegamenti di terra
indipendenti.
67
LAMPLIFICATORE DIFFERENZIALE
NODO Y
68
VoA(v1-v2)
con A grande
R4/R3 e R2/R1 possono essere rese uguali
69
I segnali sono in genere composti da due parti
distinte il segnale COMMON MODE (media degli
ingressi) il segnale DIFFERENCE MODE
(differnza degli ingressi) Idealmente
lamplificatore differenziale dovrebbe riguardare
solo il segnale differenziale, tuttavia anche il
segnale comune viene in qualche modo amplificato.
70
CMRR è definito come il rapporto tra il guadagno
della tensione differenziale e il guadagno della
tensione comune. Tale valore deve essere il più
alto possibile. Valori tipici di CMRR 90dB, ciò
significa che lo stesso segnale applicato ai due
ingressi darà unuscita circa 32000 volte più
piccola di quella data da un segnale applicato ad
uno solo dei due ingressi.
71
Esempio riduzione del rumore
72
DA RICORDARE !!!
SIMBOLI DI MESSA A TERRA
GROUND
CHASSIS
73
AMPLIFICATORE IN CORRENTE
vi è circa 0, VX - iiRf ioiiis, VX - isRs
VX
GUADAGNO IN CORRENTE Aicio/ii -
(VX/RfVX/Rs)/-VX/Rf
74
AMPLIFICATORE PER STRUMENTAZIONE
75
PREGI Alta impedenza di ingresso e bassa
impedenza di uscita Alto CMRR Basso livello di
rumore Basso offset drift (effetto della
temperatura)
76
In A la tensione è v1, in B è v2.V1v1-v2 è la
caduta su R1 IV1/R1. v1v1R2V1/R1
v2v2R2V1/R1 v1-v2V112(R2/R1) X terra
virtuale, i1i2 (v1-vX)/R3(vX-Vo)/R4 Ingresso
differenziale in A3 è virtualmente 0,
vXvY Ingresso non invertente (v2-vY)/R5vY/R6
77
Si ricava
Ma è anche
da cui ADR4/R3 ed anche ADR6/R5. Il rapporto
tra ingresso ed uscita è Vo(R4/R3)12(R2/R1)V1
78
AMPLIFICATORI IN TENSIONE E IN CARICA

• Il quarzo ha una elevata impedenza di uscita
• Limpedenza di ingresso dellamplificatore deve
  essere molto maggiore
• Due possibilità
• - amplificatore in tensione
• - amplificatore in carica

79
AMPLIFICATORE IN TENSIONE

-
Ra
Rc
Rp
Vo
Qa
Ca
Cc
Cp
accelerometro
cavo
preamplificatore
adattatore di impedenza con G 1
80

• SVANTAGGI
• luscita varia al variare di
• capacità del cavo
• resistenze di contatto
• umidità e sporcizia nei contatti

81
(No Transcript)
82
AMPLIFICATORE IN CARICA
Rf
Ra
Rc
Rp
Vo
Qa
Ca
Cc
Cp
accelerometro
cavo
preamplificatore
83
Se le resistenze Ri sono piccole
essendo G guadagno dellamplificatore
operazionale Siccome G è molto elevato
84
SVANTAGGI Alle alte frequenze il cavo lungo si
comporta da filtro passa-basso La resistenza Rf
limita la risposta per frequenze inferiori
di Questa resistenza è spesso introdotta per
eliminare le fluttuazioni a bassa frequenza
85
FINE
86
AMPLIFICATORE SEPARATORE
87
AMPLIFICATORE NON INVERTENTE
R
2
A
V
2
V
1
88
AMPLIFICATORE INVERTENTE
R
2
R
R
0
1
A
V
0
V
1
V
2
89
torniamo ora alla termocoppia e consideriamo i
collegamenti di terra
R
/
2
c
V
R
0
m
R
/
2
c
I
Z
Z
T
2
1
Z
V
T
T
si crea una maglia di terra!
90
leffetto risultante é
Vs tensione serie Vmc tensione di modo
comune V V0 Vs
91
se invece utilizziamo un amplificatore
differenziale
R
/
2
c
k
V
0
R
m
R
/
2
c
Z
Z
2
1
Z
V
T
T
92
per la simmetria ora, idealmente V k V0 in
realtà V k (V0 Vmc / CMRR) ove CMRR Common
Mode Rejection Ratio
93
come si puo realizzare un amplificatore
differenziale?
94
ad esempio combinando uno schema invertente e
uno non invertente
95
infine, un tipico...
AMPLIFICATORE PER STRUMENTAZIONE
R
2
R
V
1
R
R
R
1
2
V
3
R
R
V
2
96
ricapitolando...
Lamplificatore svolge una funzione di raccordo
fra il trasduttore primario e lelemento
terminale di rivelazione.
97

• 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 (differenzi
  ale o isolatore)

98
RISERVE