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Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Universidad de Las Palmas de Gran Canaria ACONDICIONADORES DE SEÑAL PARA TRANSDUCTORES GENERADORES Juan A. Montiel-Nelson
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ACONDICIONADORES DE SEÑAL PARA TRANSDUCTORES GENERADORES
Juan A. Montiel-Nelson
05/10/2004Acondicionadores de
Transductores Generadores
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Indice
05/10/2004Acondicionadores de
Transductores Generadores
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Introducción
Características de la señal– Tensión o corriente débiles
• Necesidad de etapa de amplificación– Amplificadores de alta ganancia acoplados en alterna
• Capacidades muy altas– Amplificadores de continua
• Tensión de desequilibrio• Corrientes de polarización• Derivas
– Alta impedancia de salida• Consideración de capacidades parásitas
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Amplificadores de baja deriva
Desequilibrios y derivas en amplificadores operacionales– Tensión de desequilibrio y corrientes de polarización en un
amplificador opracional
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Amplificadores de baja deriva
Desequilibrios y derivas en amplificadores operacionales– Análisis
• El error de entrada – Será más grande si se
detecta alta impedancia de entrada y alta ganancia (R1 y R2/R1 grandes)
– Reduciendo todas las resistencias en un mismo factor, el error debido a V0no cambia, pero el de I0 sí
– Se desea utilizar resistencias de bajo valor
;
;1
;;1;//
11
102
210
1
2
1
2
1202001
2
1
2213
1
232210
1
2
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2
−
+−−=
+=
−=+
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;
++−
++
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RIRRRVV
RRV
RRG
IIIRIVRRV
RRVRRR
RRRIRIV
RRV
RRV
es
es
es
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Amplificadores de baja deriva
Análisis– La impedancia de los términos de error dependen del valor de
V0 e I0• Estos factores dependen de la tecnología y del grado de calidad del
A.O.– Los de entrada bipolar tienen menor tensión de desequilibrio y
menores derivas– Los de entrada FET tienen menores corrientes de polarización y
desequilibrio
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Amplificadores de baja deriva
Características de tensión de desequilibrio
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Amplificadores de baja deriva
Eliminación de la tensión inicial de desequilibrio en un A.O.– Utilizar el terminal de ajuste interno
• No siempre es lo mejor dado que este ajuste interacciona con lascorrientes de polarización y su desequilibrio, y con la deriva térmica de la tensión de desequilibrio
– Sumar una tensión externa al terminal de referencia y aparear las resistencias de entrada
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Amplificadores de baja deriva
Eliminación de la tensión inicial de desequilibrio en un A.O.– Estructura
• Elegir R3 = R1R2/(R1+R2)-R4• R3 no ajustable y R4 0 R3 –
R1R2/(R1+R2)– Ajuste de la tensión de salida
a cero• Cuando la entrada del circuito
está puesta a la tensión de referencia
• Una vez el amplificador a alcanzado la temperatura normal de funcionamiento
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Amplificadores de baja deriva
Eliminación de la tensión inicial de desequilibrio en un A.O.– Ajuste de la tensión de salida a cero
• Cuando la entrada del circuito está puesta a la tensión de referencia• Una vez el amplificador a alcanzado la temperatura normal de
funcionamiento• Evitar los gradienets de temperatura en los componentes activos• Emplear componentes pasivos con bajo coeficiente de temperatura• Las fuentes de alimentación deben tener buena regulación, de lo
contrario sus fluctuaciones repercuten en la salida– Mejoras obtenidas en los métodos de fabricación de
componentes apareados• Ajuste electrónico controlado por ordenador
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Amplificadores con autocorreción de la deriva
Principio de funcionamiento– Medir periódicamente cuál es la tensión de desequilirio, para
descontarla luego al medir la tensión de interés• Mientras se está procediendo a la medida de la tensión de desequilibrio, un
circuito de retención ofrece a la salida la señal de interés.• Durante la fase de autocero
– Mediante el conmutador S1 la entrada sel amplificador queda cortocircuitada y con la tensión del terminal inversor aplicada (tensión en modo común)
– La salida de la primera etapa será debida entonces a su tensión de desequilibrio, y al CMRR
– Dicha salida se reduce mediante un lazo de realimentación negativa, a la vez que el condensador CA (externo) y el conmutador S2 constituyen un circuito de muestreo para retener el valor de la tensión necesaria para anular la de desequilibrio propia
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Amplificadores con autocorreción de la deriva
Principio de funcionamiento– Medir periódicamente cuál es la tensión de desequilirio, para
descontarla luego al medir la tensión de interés• Durante la fase de muestreo
– El conmutador S1 conecta la señal de entrada al amplificador en modo diferenial, como es habitual, mientras S2 lleva ahora a la etapa de salida la señal amplificada, sin tensión de desequiloibriogracias a la acción de la fase anterios y a la presencia de CA
– El condensador CB (externo) retiene el valor necesario para que en la siguiente fase de autocero a la salida se siga teniendo la tensión correspondiente a la señal de entrada
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Amplificadores con autocorreción de la deriva
Principio de funcionamiento
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Amplificadores con autocorreción de la deriva
Modelos comerciales
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Amplificadores electrométricos
Introducción– Señales débiles
• Fuentes de corrientes o fuentes de tensión com impedancia de salida elevada– Detectores de radiaciones, células fotoeléctricas, tubos
fotomultiplicadores, células de ionización, transductores piezoeléctricos
• Bajas frecuencias– Convertidor tensión corriente mediante un A.O. De baja deriva
• Amplificador electrométrico o de carga
Descripción– Sistema de medida que posea una resistencia de entrada
superior a 1TΩ y una corriente de entrada inferior a 1pA
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Amplificadores electrométricos
Métodos– Medida directa de la caída de tensión en una resistencia de
valor elevado– Realizando una conversión corriente-tensión mediante el
amplificador
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Amplificadores electrométricos
Métodos– Medida directa de la caída de tensión en una resistencia de
valor elevado• Si R es elevada no sepueden medir fenómenos dinámicos, pues la
capacidad del transductor, junto con la del cable y la de entrada del amplificador, puede se suficientemente alta como parfa limitar la respuesta
• R=1TΩ,Cp=100pF=>f=1/2ΠRCp = 1,6×10-3Hz=>t=0,35/f=220s
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Amplificadores electrométricos
Métodos– Realizando una conversión
corriente-tensión mediante el amplificador• A es la ganancia del A.O. en
lazo abierto• C es la capacidad parásita
asociada a R y su montaje• A baja frecuencia A >> 1;• Respuesta paso bajo
– Frecuencia de corte f=1/2ΠRC• R=1TΩ,C=1pF,t=2,2s• Tiempo de respuesta
cien veces menos
( );
1)()(;1
;/1)(
)(
RCsR
sIsVA
sACCRR
sIsV
p
+−
=>>
++−
=
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Amplificadores electrométricos
Métodos– Realizando una conversión corriente-tensión mediante el
amplificador• Tiempo de respuesta• Impedancia de entrada
– Menor impedancia de entrada– Antes determinada por R– Ahora determinada por R/A
• Menor efecto de carga• Influencia de la resistencia de salida del transductor
– Si R es mayor que la Rs, el ruido es mayor• Ganancia del amplificador 1+R/Rs
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Amplificadores electrométricos
Conversión corriente-tensión de banda ancha– Estructura
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Amplificadores electrométricos
Conversión corriente-tensión de banda ancha– Si se considera Cp/A<<C, haciendo RC=R1C1, con R1<<R y
C1<<C, se obtienen una respuesta final v=-iR
Resistencias de valor elevado– Esquema de una red en T– Materiales con alta resistencia volumética
• Teflón, poliestireno
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Amplificadores electrométricos
Guarda para reducir corrientes parásitas
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Amplificadores de carga
Descripción– Un ampificador de carga es un montaje cuya impedancia de
entrada está constituida esencialmente por un condensador, ofreciendo así un valor alto a baja frecuencia
– Contrariamente a lo que su nombre representa, un amplificador de carga no amplifica la carga eléctrica presente en su entrada• Su función es obtener una tensión proporcional a dicha carga y
ofrecerla con una impedancia de salida baja• Convertidor carga-tensión
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Amplificadores de carga
Estructura
;;||||
;1)(
)(
ect
ect
q
CCCCRRRRRCsRCs
CS
sasV
++==
+=
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Amplificadores de carga
Transductor piezoeléctrico y amplificador electrométrico– Reducción de sensibilidad
• Depende de la longitud del cable– Respuesta en frecuencia
• Tipo paso alto y con una frecuencia de corte que depende tanto de la longitud del cable de conexión como de su aislamiento– Variable con la temperatura– Variable con la humedad ambiente
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Amplificadores de carga
Transductor piezoeléctrico y amplificador de carga– Estructura
( )[ ]
;21
;11)(
)(
0
0
0
0
RACf
sCACRsRCA
CS
sasV q
Π=
+++−=
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Amplificadores de carga
Transductor piezoeléctrico y amplificador de carga– Si R=1TΩ, C0=10pF y A=105, f=0,16Hz
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Amplificadores de carga
Factores de error en amplificador de carga real– Resistencia de fuga del transductor– Resistencia de fuga del cable– Resistencia de fuga a la entrada del amplificador– Tensión y corriente de desequilibrio del amplificador
