2008-2009 1Instrumentación Electrónica
Universidad
Rey Juan Carlos
Ingeniería de Telecomunicación
Tema 2: Acondicionamiento de Tema 2: Acondicionamiento de seseññalal
Susana Borromeo López
Ingeniería de Telecomunicación
2008-2009 2Instrumentación Electrónica
ContenidoContenido
1. Circuitos de amplificación
2. Circuitos de linealización3. Filtrado analógico
2008-2009 3Instrumentación Electrónica
PROPÓSITOS
Mejorar su calidad.
Adecuarla a un nuevo formato para su procesamiento posterior.
IMPLEMENTACIÓN
• Analógica
Siempre es necesario un primer procesado analógico, aún cuando la mayor parte del procesado sea digital.
Circuitos pasivos (con resistencias, condensadores y bobinas).
Circuitos activos (con amplificadores operacionales).
Menor coste.
Menor tiempo de procesado.
• Digital Menor incertidumbre (menor influencia de ruidos, impedancias, etc.).
Aprovecha el aumento del uso de ordenadores, PDA, etc para monitorización, control o medida.
Posibilidad de implementar procesamientos más complejos.
IntroducciIntroduccióón: hardware de acondicionamienton: hardware de acondicionamiento
2008-2009 4Instrumentación Electrónica
TAREAS DE LOS CIRCUITOS DE ACONDICIONAMIENTO:
Amplificación / atenuación
Cambio de nivel: eliminación del offset.
Filtrado: eliminación de ruido y frecuencias de detección.
Ajuste de la impedancia.
Linealización
Transformación para su transmisión: modulación, conversiones tensión-corriente o tensión-frecuencia.
Otros procesos para interfaz digital: muestreo-retención, multiplexación...
Niveles de señal estándar en instrumentación electrónica (protocolos de comunicación industrial)
Tensión: 0~5 VDC , 1~5 VDC, -10~+10VDC, etc.
Corriente: 4~20mA DC “lazo de corriente” (transmisión de largo alcance, evitar caídas de tensión en cables), 0-20 mA DC, 0 ~ 5 mA DC.
IntroducciIntroduccióón: hardware de acondicionamienton: hardware de acondicionamiento
2008-2009 5Instrumentación Electrónica
• Cambio de nivel, adaptación de impedancias
Acoplamiento de señales sin interferencias
(optoacopladores)
00
Vin
Vs
Vout
V1
R1
C1
Circuito
• Filtrado analógico
(filtros activos y pasivos) • Linealización (puentes...)
IntroducciIntroduccióón: n: hardwarehardware de acondicionamientode acondicionamiento
Amplificación
2008-2009 6Instrumentación Electrónica
AMPLIFICACIÓNAMPLIFICACIÓN
2008-2009 7Instrumentación Electrónica
No idealidades de los amplificadoresNo idealidades de los amplificadores
• Ganancia no lineal• Generación interna de ruido• Desviaciones• Distorsión armónica y de fase debido a un ancho de banda limitado
( )( )o
i
S/N
S/N10logNF = (Noise Figure)
Vi Vo
A
ruido
desviación
distorsión
(S/N) o< (S/N) i
V i Vo
A
Vn
(S/N) i(S/N) o
2008-2009 8Instrumentación Electrónica
1. Impedencia de entrada Infinita: la corriente de entrada por cualquiera de sus terminales (V+ or V-) es nula
2. Ganacia de tensión infinita. Si su salida es finita, la tensión diferencial de entrada es nula. Es decir, misma tensión en los terminales de entrada.
3. Impedancia de salida nula: “infinita”capacidad de proporcionar corriente sobre cualquier carga (incluso con muy baja resistencia)
Amplificador Operacional IdealAmplificador Operacional Ideal
ddo vAv =
ccoee VvV +≤≤−
+-
2008-2009 9Instrumentación Electrónica
1. Los terminales de entrada deben tener la misma tensión.
2. La corriente de entrada por cualquiera de sus terminales es cero ( impedancia de entrada infinita).
Amplificador Operacional: anAmplificador Operacional: anáálisislisis
Inversor
(1) V- = V+ (V+ = 0, V- = 0)
(2) I1=I2
I1 = (VIN - V-)/R1 = VIN/R1
I2 = (0 - VOUT)/R2 = -VOUT/R2 => VOUT = -I2R2
VOUT = -I2R2 = -I1R2 = -VIN(R2/R1 )
VOUT = (-R2/R1)VIN
2008-2009 10Instrumentación Electrónica
Amplificador no inversorAmplificador no inversor
(1) V- = V+ (V+ = 0, V- = 0)
(2) I1=I2
I1 = VIN/R1
I2 = (VOUT -VIN )/R2 = => VOUT = VIN+I2R2
VOUT = I1R2 + I2R2 = I1 (R1+R2) = (R2+R1 )VIN/R1
VOUT = (1 + R2/R1)VIN
2008-2009 11Instrumentación Electrónica
VOUT = (V1 – V2)R2/R1
VOUT = AC(V1 + V2) + AD(V1 – V2)
AD: ganancia diferencial (señal)
AC: ganancia en modo común (ruido)
AD/AC (Common Mode Rejection Ratio – CMRR) Ideal: CMRR →∞
Amplificador DiferencialAmplificador Diferencial
2008-2009 12Instrumentación Electrónica
VOUT = -Rf (V1/R1 + V2/R2 + … + Vn/Rn)
¿Cuál es la tensión de salida si R1=R2=…=Rf, ?
IfIf = I1 + I2 + … + In
SumadorSumador
2008-2009 13Instrumentación Electrónica
Amplificador OperacionalAmplificador Operacional
2008-2009 14Instrumentación Electrónica
Amplificador OperacionalAmplificador Operacional
2008-2009 15Instrumentación Electrónica
Amplificador OperacionalAmplificador Operacional
Aplicaciones no lineales: realimentación positiva o trabajando en bucle abierto
2008-2009 16Instrumentación Electrónica
Vout=A(Vin – Vref)
Si Vin>Vref, Vout = Vcc
Si Vin<Vref, Vout -Vee
Vcc
-Vee VIN
VREF
Aplicación: detección del complejo QRS en ECG
Comparador Comparador
2008-2009 17Instrumentación Electrónica
AO realAO real
Q1 Q2
Q3 Q4
Q7
Q5 Q6Q 10
Q9Q8
Q 11
Q13Q 12
Q15
Q14
Q 16
Q 17
Q 18
Q19
Q
Q21
Q22
Q 23
Q 24R2 R3 R4
R5R6
R1
R7
R8R9
R 10
R11
C1
I+
I-
+Vcc
Vo
-Vee
Terminales de ajuste de offset
Q1 Q2
Q3 Q4
Q7
Q5 Q6
Q9Q8 Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q 20
Q
R2 R3 R4
R5R6
R1
R7
R8R9
R
R
C1
I+
I-
+Vcc
Vo
-Vee
Terminales de ajuste de offset
Etapa de entrada Etapa de salida
Etapa intermedia
Etapa de entrada:• Aporta la ganancia• Necesidad de corrientes de polarización•Asimetría en las tensiones: Input offset voltage
Etapa Intermedia:•Adaptación de nivels•Acoplamiento entre etapas en continua•Compensación en frecuenciaEtapa de salida:•Impedancia de salida no nula•Excursión de la tensión de salida
2008-2009 18Instrumentación Electrónica
+
-
+V cc
VoVd
-V ee
CaracterCaracteríísticas de entrada del AO realsticas de entrada del AO real
UDO Ia
Ib
ReDRec
Rec
• SUPPLY VOLTAGE REJECTION RATIO (Razón de rechazo a la tensión de alimentación ∆Vcc / ∆UDO ): Valor típico 100 dB•INPUT BIAS CURRENT (Corriente de entrada de polarización IB): (Ia+Ib)/2 Valor típico 200nA. (tª, alimentación, tiempo)• INPUT OFFSET CURRENT (Corriente de desviación iDO): (Ia-Ib) Valor típico 50nA. (Temperatura)• OFFSET CURRENT DRIFT (Deriva Corriente de desviación diDO/dt): Valor típico -100pA/ºC.
•OFFSET VOLTAGE (Tensión de desviación UDO): Diferencia de tensión en la entrada para tener una salida nula. Valor típico 1 mV. (tª, alimentación, tiempo)• OFFSET VOLTAGE DRIFT (Deriva Tensión de desviación dUDO/dT): Valor típico 5µV/ºC
2008-2009 19Instrumentación Electrónica
+
-
+V cc
VoVd
-V ee
CaracterCaracteríísticas del AO realsticas del AO real
UDO Ia
Ib
ReDRec
Rec
• DIFFERNTIAL INPUT RESISTENCE (Resistencia diferencial de entrada ReD): Resistencia entre los terminales + y -. Valor típico 1 MΩ. • COMMON MODE INPUT RESISTECE (Resistencia de entrada en modo común Rec ): resistencia entre cada uno de los terminales y masa ): Valor típico 100 MΩ.• COMMON MODE INPUT VOLTAGE: Margen de tensión de entrada en modo común. 70% Vcc.
• OUTPUT RESISTENCE (resistencia de salida ): Valor típico 75Ω
• OUTPUT VOLTAGE SWING (excursión de la tensión de salida): máximo nivel de salida sin distorsión con una cierta carga y ganancia unidad
• SLEW RATE (Máxima deriva de la tensión de salida): V/µs Valor típico 1V/µs
CARACTERÍSTICAS DE SALIDA
2008-2009 20Instrumentación Electrónica
CaracterCaracteríísticas del AO realsticas del AO real
• Características estáticas
• Ganancia en continua y en modo común• Resistencias de entrada y de salida• Tensión de desviación de entrada y corrientes de polarización
• Tensión de alimentación• Características dinámicas
• Ancho de banda
• Ad(f)• Slew rate
• Ruido
2008-2009 21Instrumentación Electrónica
CaracterCaracteríísticas del AO real: Caractersticas del AO real: Caracteríísticas eststicas estááticasticas
• Ganancia en continua
i
21
1d
do v
RR
RA1
Av
++
=E2.1
• Resistencia de entrada (rid)
E 2.2
2008-2009 22Instrumentación Electrónica
CaracterCaracteríísticas del AO real: Caractersticas del AO real: Caracteríísticas eststicas estááticasticas
• Ganancia en salida
E2.3
(a)
ii
+AdVd
Vd
a
b
Vo
ro
(b)
Ad(-V
b)
Vi
R1
Vo
R2
RL
R0
(c)
VO
Vi
R1
RL
+
-
R2
Vd
i
L
o
21
o
21
1d
21
o
21
2d
o v
R
r
RR
r
RR
RA1
RR
r
RR
RA
v
++
++
+
++
+−
=
2008-2009 23Instrumentación Electrónica
CaracterCaracteríísticas del AO real: Caractersticas del AO real: Caracteríísticas eststicas estááticasticas
• Tensión de la desviación de la entrada
E2.4
1
21ioo
R
RRvv
+=
• Alterna: Eliminar la tensión de desviación mediante un C
• Continua• Pines • Red de compensación
2008-2009 24Instrumentación Electrónica
CaracterCaracteríísticas del AO real: Caractersticas del AO real: Caracteríísticas eststicas estááticasticas
• Corrientes de polarización
E2.7
b2Thb1Thd iRiRv −+ −=
2
iiI B2B1
B
+=
B2B1io iiI −=
( )/2RRIRRIv ThThioThThBdB −+−+ ++−=
Input bias current
Input offset current
2008-2009 25Instrumentación Electrónica
CaracterCaracteríísticas del AO real: Caractersticas del AO real: Caracteríísticas eststicas estááticasticas
• Corrientes de polarización
E2.7
2008-2009 26Instrumentación Electrónica
CaracterCaracteríísticas de transferenciasticas de transferencia
Razón de rechazo en modo común
ccddo vAvAv +=
)dB(A
A20logCMRR
c
d=
i
21
1cd
cdo v
RR
R
2
AA1
/2AAv
+
++
+=
Vo
+
-R1
R2
Vi
VdAdVd
Vi
R1
Vo
R2
Vi-Vd
Ac(Vi-Vd/2)
2
VVVc
- ++=
2008-2009 27Instrumentación Electrónica
CaracterCaracteríísticas de transferenciasticas de transferencia
Razón de rechazo en modo común
( ) 2
1
21cd
c
1
212
1
21cd
cd
1
2o v
R
RR
2
AA
A
R
Rvv
R
RR
2
AA
2
AA
R
Rv
++−
+−+
+−
−
=
CMRR
v
R
R)v(v
R
Rv 2
1
212
1
2o +−=
Vo
+
-R1
R2
V1
R1
R2
V2
Vd
V+
V-
AdVd
AcVc
E2.9
2008-2009 28Instrumentación Electrónica
Respuesta en frecuenciaRespuesta en frecuencia
βA1
AG
d
d
+=
β)A1(BB do +=
Vo
+
-R1
R2
Vi
21
1RR
Rβ
++++====
Ad
106dB
log f0dB
1/ββββ
B
B0dB
B
Ganancia delcircuito
Ad
A
Ad>>1/ββββ
Ancho de banda crece con el valor de la realimentación
2008-2009 29Instrumentación Electrónica
Respuesta en frecuenciaRespuesta en frecuencia
log f0dB
A
-20dB/dec
-40dB/dec
1/ββββ
(a)
Ad
Compensación
log f0dB
A
-20dB/dec
-40dB/dec
1/ββββ
(b)
Ad
Compensación
0dB
A
-20dB/dec
-40dB/dec¡INESTABLE! 1/ββββ
(d)
Ad
log f0dB
A
-20dB/dec
-40dB/dec
0dB
A
-20dB/dec
-40dB/dec
B0dB
A
-20dB/dec
B
1/ββββ
(b)(a) (c)
1/ββββ
Ad Ad Ad
log f log f log f
Añadir fase: red adelanto-retraso de fase Añadir polo E2.12
2008-2009 30Instrumentación Electrónica
Respuesta en frecuencia: Respuesta en frecuencia: slew rateslew rate
SLEW RATE (Máxima deriva de la tensión de salida): V/µs Valor típico 1V/µs
Vo
+
-V i
Vo
V i
t
tSR
2008-2009 31Instrumentación Electrónica
Respuesta en frecuencia: Respuesta en frecuencia: slew rateslew rate
V = Tensión de salida
V o
ZONADE USO
ANCHO DE BANDA DEPEQUEÑA SEÑAL
SR MÁXIMO
MÁXIMA TENSIÓN DE SALIDA
f
( ) Vfπ2dt
dvtfπ2Vcosf2π
dt
dv
máx
oo =
⇒=
Vπ2
SRfSRVfπ2 máx
=⇒<
E2.13
2008-2009 32Instrumentación Electrónica
NoNo--idealidades del AO en configuraciidealidades del AO en configuracióón no inversoran no inversora
2008-2009 33Instrumentación Electrónica
NoNo--idealidades del AO en configuraciidealidades del AO en configuracióón no inversoran no inversora
2008-2009 34Instrumentación Electrónica
Ruido internoRuido interno
∫=s
i
f
f
2
t df4kTRV
Expresado en términos de densidad espectral
• Ruido interno• Ruido térmico, ruido Johnson o ruido blanco• Ruido de parpadeo, ruido flicker o ruido 1/f
• Shot noise• Burst noise• Ruido de transición
• Ruido de avalancha• Interferencias externas
HzV/
2008-2009 35Instrumentación Electrónica
Tipos fundamentales de ruido intrTipos fundamentales de ruido intríínseconseco
RUIDO BLANCO ≡ THERMAL NOISE ≡ JOHNSON NOISE Producido fundamentalmente en RESISTENCIAS por
agitación TÉRMICA de los portadores de carga. Tiene densidad espectral plana.
RUIDO DE FLUCTUACIÓN ≡ SHOT NOISE Producido por movimientos aleatorios de los portadores
de carga en SEMICONDUCTORES ATRAVESADOS POR UNA CORRIENTE CONTINUA. Se presenta como FUENTE DE CORRIENTE (Idc) con densidad espectral plana
RUIDO ROSA ≡1/F NOISE ≡≡ CONTACT NOISE Producido por variación de resistencia sobre todo en las
UNIONES METAL-SEMICONDUCTOR y METAL-
METAL. Tiene densidad espectral de la forma k/√fPORCORN NOISE ≡ BURST NOISE
Producido por defectos en los procesos de fabricación debidos a impurezas metálicas en semiconductores.
Tiene densidad espectral de la forma k / f n
η
f
η
f
dcqI2
η
f
f
k
η
f
nfk
2008-2009 36Instrumentación Electrónica
AMPLIFICADORES
DE
INSTRUMENTACIÓN
AMPLIFICADORES
DE
INSTRUMENTACIÓN
2008-2009 37Instrumentación Electrónica
Si R2 = R4 y R1 = R3
)vv(R
Rv 12
3
4o −=
Amplificador diferencialAmplificador diferencial
11
22
43
4
1
2o v
R
Rv)
RR
R()1
R
R(v −
+⋅+=
Vo
V1
R3
R 4
V2 +
-
R2
R 1
2008-2009 38Instrumentación Electrónica
Circuitos prCircuitos práácticoscticos
V1
V2
Salida
Sense
25k
INA105
V+
V-
Reference25k
25k25k
+
-
V1
V2
Salida
380k
INA117
V+
V-
Ref. A20k
380k380k
+
-
21,11kRef. B
2008-2009 39Instrumentación Electrónica
( )−+ −
++= ii
G
2
1
2o vv
R
R2
R
R1v
GG
2
1
2
R
Ωk805GG
R
R2
R
R1 +=⇒=++
Amplificador de dos operacionales (ejemplo prAmplificador de dos operacionales (ejemplo práácticoctico
Ajuste del rechazo en modo común en continua
Ajuste en alterna
+
-
+
-
V i+
VoA2
R1
C
RG
R5R4
R3
R 2
V i-
A1
(a)
+
-
+
-
V i+
Vo
10k
RG
40k
10k
40k
V i-
(b)
R 5
C
3
7
+V cc
INA126
5
4
6
8
1
2
-V cc
2008-2009 40Instrumentación Electrónica
( )−+ −
+⋅= ii
G
1
2
3o vv
R
R21
R
Rv
G
1d
R
R21A +=
Amplificador de tres operacionalesAmplificador de tres operacionales
Si R2=R3⇒
+
-
+
-
V i-
A1
RG R 1
R 1
V i+
A2
R2
R2
R 3
R 3
A
B
C
D
Sense
Salida ( Vo)
Referencia
ENTRADA
DIFERENCIAL
A 3
2008-2009 41Instrumentación Electrónica
I1
I1 = (V1 – V2)/R1
I2 = I3 = I1
VOUT = (R1 + 2R2)(V1 – V2)/R1
= (V1 – V2)(1+2R2/R1)
I2I3
Amplificador de instrumentaciAmplificador de instrumentacióón (etapa 1)n (etapa 1)
2008-2009 42Instrumentación Electrónica
I1
V- = V+ = V2R4/(R3 + R4)
(V1 – V-)/R3 = (V- – VOUT)/R4
VOUT = – (V1 – V2)R4/R3
I2I3
Amplificador de instrumentaciAmplificador de instrumentacióón (etapa 2)n (etapa 2)
2008-2009 43Instrumentación Electrónica
VOUT = – (V1 – V2)(1 + 2R2/R1)(R4/R3)
Amplificador de instrumentaciAmplificador de instrumentacióónn
2008-2009 44Instrumentación Electrónica
Amplificador de ganancia programable por pinAmplificador de ganancia programable por pin
PGA204 PGA205 A1 Ao1 1 0 010 2 0 1
100 4 1 01000 8 1 1
GANANCIA SELECCIÓN
RED RESISTIVA DERETROALIMENTACIÓN
DIGITALMENTESELECCIONABLE (R G, R1)
PROTECCIÓNSOBRE-
TENSIONES
PROTECCIÓNSOBRE-
TENSIONES
A2
A1
V i-
Vi+
25k
25k
25k
25kSense
Salida ( Vo)
Referencia
A1
A0
Vo1 V+
DIGITALCOMÚN
AjusteVos Vo2 V-
1
6 7 98
5
14
15
18
4
13
12
11
10
2008-2009 45Instrumentación Electrónica
Amplificador de ganancia programable por softwareAmplificador de ganancia programable por software
A.O + Circuito de detección analógico que conmuta distintas resistencias
+
-
+
-
V i-
A 1
R1
R1
V i+
A 2
R
R
R
R
Sense
Salida ( Vo)
Referencia
A 3
R 2
R 4
R 3
R 3
R 2
Ao
A1
SA
SB
I1A
I4B
I3B
I2B
I1B
I4A
I3A
I2A
LÓGICADE
CONTROL
V+
V -
VDDHABILITACIÓN
Vo1
Vo2
A.I.
MPX ANALÓGICODIFERENCIAL
2008-2009 46Instrumentación Electrónica
PARÁMETROS
GANANCIA
1 2 4 8 16
Error de ganancia (%) 0.05 0.05 0.1 0.15 0.15
No linealidad a 25ºC (%) 0.05 0.05 0.1 0.15 0.15
Deriva del error de ganancia (ppm/ºC)
0.5 0.5 0.5 0.5 1
Tensión de ruido (RTI) @ 0,1 - 10Hz (mVpp)
5 5 5 4 3
Corriente de ruido @ 0,1 – 10Hz (nApp)
60 60 60 60 60
Ancho de banda a 3dB (MHz) 4 2 1.1 0.65 0.35
Ancho de banda de potencia (MHz) 0.1 0.1 0.1 0.35 0.35
Slew rate, (V/ms) 6 6 6 24 24
Amplificador de instrumentaciAmplificador de instrumentacióón. Parn. Paráámetrosmetros
2008-2009 47Instrumentación Electrónica
DiseDiseñño con A.O para instrumentacio con A.O para instrumentacióónnASPECTOS A CONSIDERAR:• Características de la fuente de señal y de la carga• Respuestas en amplitud (Ganancia), frecuencia y fase (ancho de banda)• Relación S/N• Estabilidad térmica
Amplif. para señales referidas a masa:Etapa de entrada:• Generar poco ruido a la salida
• Tensiones y corrientes de desviación muy pequeñas• Alta estabilidad térmica
• No necesaria alta ganancia
Amplif. para señales diferenciales con modo común:• Alta CMRR • La configuración elegida depende de los niveles máximos de modo común y del desequilibrio de la resistencia de la funete
BiFET
- Alta SR
CMOS
- Bajas tensiones
- Simple fuente DC
- Bajo consumo
- Operación RAIL to RAIL
Zin
Iin
VOS
ESTABLE
B
Io
- Muy bajo ruido
- Baja tensión offset
- Ad muy alta
BIPOLAR
2008-2009 48Instrumentación Electrónica
DiseDiseñño con A.O para instrumentacio con A.O para instrumentacióónnASPECTOS A CONSIDERAR:• La aplicación. Ejemplo: Sensor de temperatura
• Características de la fuente de señal y de la carga• Respuestas en amplitud (Ganancia), frecuencia y fase (ancho de banda)• Relación S/N
• Estabilidad térmica
TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN• Bipolar
• Bajos niveles de tensión de desviación y ruido en la entrada• Alto nivel de corriente de ruido Io• Alta Ad y slew rate
• BiFET (FET en el circuito de entrada y bipolares en el resto)• Resistencia de entrada y slew rate mejores que los bipolares• Tensiones de desviación y derivas térmicas mayores que los bipolares
• CMOS• Bajo consumo y aplicaciones con una única fuente de alimentación: aplicaciones portátiles
• Muy altas derivas térmicas• Corrientes y tensiones de ruido muy pequeñas
2008-2009 49Instrumentación Electrónica
Tmo en modo común
Resistencias realesResistencias reales
Vo
V1
R1
R 2
V2 +
-11 R∆R ++++
22 R∆R ++++
( )( )( ) 2
1121
211212
11
22o v
∆RRRR
∆RR∆RRvv
∆RR
∆RRv
++
++−
+
+=
2008-2009 50Instrumentación Electrónica
Tensión de desviaciónCorrientes de polarización
Integrador. Resistencias realesIntegrador. Resistencias reales
Vo
+
-
Vio
R
C
Vo
+
-R
C
ib1
ib2
2008-2009 51Instrumentación Electrónica
dod vR
R'Rv
+=
CR'2π
1fmín =
Integrador. Resistencias realesIntegrador. Resistencias reales
V i
V O
+
-R
C
R’
log f
)dB(Vi
Vo
RCππππ2
1
IntegraAmplifica
(a) (b)
2008-2009 52Instrumentación Electrónica
Derivador. Resistencias realesDerivador. Resistencias reales
V i
VO
R’
(b)
+
-
R
C
log f
A
1/ββββ
Ad
RCπ21
Compensada
fo
Estable
(a)
RCjω11/β +=
oCf2π
1R' >
CR'2π
1fmáx =
+
-
R
C
VO
V i
(a)RCπ21
A
1/ββββ
40dB/dec
A d
Inestable
log f
(b)
2008-2009 53Instrumentación Electrónica
Valores de resistenciasValores de resistencias
Tolerancia: 10 % Tolerancia: 5 % Tolerancia: 2 %
1.0 1.0 - 1.1 1.00 - 1.05 - 1.1 - 1.15
1.2 1.2 - 1.3 1.21 - 1.27 - 1.33 - 1.40 - 1.47
1.5 1.5 - 1.6 1.54 - 1.62 - 1.69 - 1.78
1.8 1.8 - 2.0 1.87 - 196 - 2.00 - 2.05 - 2.15
2.2 2.2 - 2.4 2.26 - 2.37 - 2.49 - 2.61
2.7 2.7 - 3.0 2.74 - 2.87 - 3.01 - 3.16
3.3 3.3 - 3.6 3.32 - 3.48 - 3.65 - 3.83
3.9 3.9 - 4.3 4.02 - 4.22 - 4.42 - 4.64
4.7 4.7 - 5.1 4.87 - 5.11 - 5.36
5.6 5.6 - 6.2 5.62 - 5.90 - 6.19 - 6.49
6.8 6.8 - 7.5 6.81 - 7.15 - 7.50 - 7.87
8.2 8.2 - 9.1 8.25 - 8.66 - 9.09 - 9.53
2008-2009 54Instrumentación Electrónica
V i+
Vi-
+Vcc1
-Vcc1
+V cc2
-V cc2
Vo
(a) Aislamiento de dospuertos
V i+
V i-
Vo
-V cc+V cc
(b) Aislamiento de trespuertos
Amplificadores aislados (I).Amplificadores aislados (I).
• Aislamiento Galvánico entre sus circuitos de entrada y salida• Aplicaciones con tensiones de modo común a la entrada del Amplificador altas• Aplicaciones con señales provenientes de sensores en los que no exista aislameinto galvánico con tierra física en el punto de medición. • Aplicaciones biomédicas• Limitación: Poco ancho de banda.
2008-2009 55Instrumentación Electrónica
Amplificadores aislados (II).Amplificadores aislados (II).
Diagrama simplificado de un ampliicador aislado capacitivamente
• Aislamiento: paso de información de la entrada a la salida sin circulación de corriente• Tipos de aislamento:
• Eléctrico• Magnético• Electromagnético
• Técnicas capacitivas, Inductivas u ópticas
2008-2009 56Instrumentación Electrónica
Amplificador ISO102.
OSCI-LADOR
fo
+5 VSALIDA
DETECTORDE
FRECUENCIA
FILTRODE
BUCLE
FILTROPASOBAJO
fo
+5 VSALIDA
AJUSTEDESPLAZ. +Vcc2-Vcc1
BARRERA DEAISLAMIENTO
-Vcc2+Vcc1
REF1
REF2
VCO
VIN
BUCLE ENGANCHADO ENFASE PLL
Vo
(VSAL)
C2
COMÚNDIGITAL
COMÚNENTRADA
AJUSTE DEGANANCIA
Vi
DESPLAZ.0,5k
2,5k
24,5k
97,5k
VCO3pF
3pF
3k
3k
AMPL.
1
2
3 4 10
1112 13
14
15
16
21
22
23 24
COMÚNSALIDA
C1
fo
fo
of
9
Amplificadores aislados (III).Amplificadores aislados (III).
VCO: Oscilador controlado por tensión
PLL: Phase Locked Loop
Altas tensiones de aislamiennto 1500-2000V
Buena precisión en la ganancia Ancho de banda de peq. Señal grandes (70-80Khz)
Rizado de la portadora en la salida
Aparición de ruido de banda ancha
2008-2009 57Instrumentación Electrónica
Amplificadores aislados (IV).Amplificadores aislados (IV).
Diagrama simplificado de un amplificador aislado opticamente
Buena linealidad Gran rapidez de respuesta Ancho de banda moderadamente alto
2008-2009 58Instrumentación Electrónica
V5±±±±V5±±±±
Amplificadores aislados (V).Amplificadores aislados (V).
Amplificador aislado a trasformador AD202
Altas tensiones de aislamiento 1500-2000V
Buena linealidad Ancho de banda de peq. Señal grandes (70-80Khz)
Limitación en el ancho de banda ( 5KHz con ganancia unitaria)
2008-2009 59Instrumentación Electrónica
Amplificadores aislados (VI).Amplificadores aislados (VI).
Aplicación de amplificadores aislados alimentando puentes de sensores
2008-2009 60Instrumentación Electrónica
CMRRViCMIMRR
VRiv ISOFso ±⋅=
FISOs
Fcso RIMRRV
R
R
CMRR
vvv ⋅⋅±⋅
±=
IMRR
V
R
R
CMRR
vvv ISO
s
Fcso ±⋅
±=
Amplificadores aislados (VII).Amplificadores aislados (VII).
IMRR: Razón de rechazo del modo de aislamiento (Isolated Mode Rejection Ratio)
2008-2009 61Instrumentación Electrónica
Amplificadores aislados (VIII).Amplificadores aislados (VIII).
IMRR
V
R
R
CMRR
vvv ISO
s
Fcso ±⋅
±=
E3.8
2008-2009 62Instrumentación Electrónica
Amplificador de transimpedancia (I).Amplificador de transimpedancia (I).
Amplificador de Transimpedancia o CFA (Current Feedback Amplifier o amplficador realimentado en corriente)
ZmOL [Ω]: ganancia de trasimpedancia
2008-2009 63Instrumentación Electrónica
OLF
G
FOL
i
o
ZmR
R
R1Zm
v
v
+
+⋅
=G
F
i
o
R
R1
v
v+=
+ ZmOLIC
Vo
Ie
(a)
+
RB
Ro
Vi
RF
RG
Am
plit
ud
de
la S
alid
a, d
B
Ganancia = 1Vcc = 15 V R i = 150 Ohm V i = 200 mV RMS
Frecuencia f, Hz
THS 3001TEXAS INSTRUMENTS
(b)
Amplificador de transimpedancia (II).Amplificador de transimpedancia (II).
2008-2009 64Instrumentación Electrónica
Amplificador de transconductanciaAmplificador de transconductancia
Amplificador de Transconductancia o CSVC (Current Source Voltage
Controlled) o fuente controlada por tensión
Amplificador en el que la señal de entrada es una tensión y su salida una corrientegm [S]: ganancia de transconductancia
)v(vgI iimo −+ −⋅=
Aplicaciones:• Multiplicadores analógicos• Moduladores de amplitud• Filtros activos
2008-2009 65Instrumentación Electrónica
Amplificadores troceadores.Amplificadores troceadores.
Amplificador operacional con autoceroSe realiza la medición alternada de la señal y de los “errores”.Ejemplo: TLC2652
2008-2009 66Instrumentación Electrónica
oV=xVinV
log.yV
x
iyo
V
vVv 10log⋅=
Amplificadores LogaritmicosAmplificadores Logaritmicos
xlogy =
Vx: tensión de corte en ceroVy: slope voltage o factor de voltios por década [V/dB]
2008-2009 67Instrumentación Electrónica
o
i
o
io
IR
vlog06,0
I
iln
q
kTv
⋅≅=
Amplificadores logaritmicos (II).Amplificadores logaritmicos (II).
Arquitecturas básicas:• Amplificador logarítmico con diodo• Amplificador logarítmico de video• Amplificador logarítmico de detección sucesiva
2008-2009 68Instrumentación Electrónica
Amplificadores logaritmicos (III).Amplificadores logaritmicos (III).
Amplificador Logaritmico para señales unipolares
2008-2009 69Instrumentación Electrónica
Amplificadores logaritmicos (IV).Amplificadores logaritmicos (IV).
Amplificador Logaritmico de detección sucesiva de 4 etapas de 12 dB