Amplificatoare de Masurare

17
AMPLIFICATOARE DE MĂSURARE Clasificare : Semnalul electric obţinut la ieşirea senzorilor sau a blocurilor de condiţionare are, de cele mai multe ori, un nivel scăzut. Amplificatorul este dispozitivul care realizează creşterea acestui nivel, fără a modifica forma sau structura semnalului. Amplificatoarele de măsură se utilizează în aparate de măsură electronice, dar pot fi întâlnite şi ca dispozitive independente. După mărimea care o amplifică, amplificatoarele pot fi: de tensiune, curent, putere sau cu destinaţie specială. Amplificatoare de tensiune. Rolul acestora este de a amplifica o tensiune păstrându-i forma cât mai fidel posibil: sunt blocuri fundamentale în aparate de măsură ca: voltmetre, osciloscoape etc. Amplificatoare de curent. Acestea dau la ieşire un curent superior celui de intrare şi de aceeaşi formă. Se utilizează la măsurarea curenţilor foarte mici, cum sunt curenţii de ionizare, curenţii de fugă, curenţii fotoelectrici, curenţii la măsurarea rezistenţelor foarte mari. Amplificatoare de putere. Sunt destinate a furniza puteri mai mari (watti), nedisponibile la bornele generatoarelor uzuale de măsură (zeci de mW). Se utilizează la testarea comportării în frecvenţă a

Transcript of Amplificatoare de Masurare

AMPLIFICATOARE DE MĂSURARE

Clasificare:Semnalul electric obţinut la ieşirea senzorilor sau a blocurilor

de condiţionare are, de cele mai multe ori, un nivel scăzut. Amplificatorul este dispozitivul care realizează creşterea acestui nivel, fără a modifica forma sau structura semnalului.

Amplificatoarele de măsură se utilizează în aparate de măsură electronice, dar pot fi întâlnite şi ca dispozitive independente. După mărimea care o amplifică, amplificatoarele pot fi: de tensiune, curent, putere sau cu destinaţie specială.

Amplificatoare de tensiune. Rolul acestora este de a amplifica o tensiune păstrându-i forma cât mai fidel posibil: sunt blocuri fundamentale în aparate de măsură ca: voltmetre, osciloscoape etc.

Amplificatoare de curent. Acestea dau la ieşire un curent superior celui de intrare şi de aceeaşi formă. Se utilizează la măsurarea curenţilor foarte mici, cum sunt curenţii de ionizare, curenţii de fugă, curenţii fotoelectrici, curenţii la măsurarea rezistenţelor foarte mari.

Amplificatoare de putere. Sunt destinate a furniza puteri mai mari (watti), nedisponibile la bornele generatoarelor uzuale de măsură (zeci de mW). Se utilizează la testarea comportării în frecvenţă a ampermetrelor AF şi RF, în măsurări electroacustice, la instalaţii de măsurare-reglare automată etc.

Amplificatoare speciale. Din rândul acestora menţionăm amplificatoarele logaritmice, selective, cu autocorelaţie şi de izolaţie.

Amplificatoare logaritmice. Sunt utile la comprimarea scării aparatelor de măsură destinate a măsura pe domenii foarte largi fără schimbare gamei aparatului respectiv. Amplificatoarele logaritmice sunt utilizate în electrometrie, pH-metrie, electroacustică precum şi în alte domenii unde mărimea de măsură variază în limite foarte largi.

Amplificatoare selective. Au bandă foarte îngustă, pe o singură frecvenţă, ceea ce permite selectarea unei tensiuni de o anumită frecvenţă. Se utilizează la voltmetre selective şi la analizatoare de armonici.

Amplificatoare de izolare. La acestea ieşirea este izolată galvanic (prin transformator, optocuplor), faţă de intrare, calitate ce permite o tensiune de mod comun ( ) mult mai mare (sute sau mii de volţi), precum şi o protecţie sigură a operatorului. Se utilizează în instrumentaţia industrială şi mai ales, în instrumentaţia biomedicală.

Amplificatorul de tensiune (semnalele de intrare şi ieşire sunt tensiuni) se utilizează în practică, în lanţurile de măsurare. Factorul de amplificare este definit ca raportul dintre tensiunea de ieşire şi tensiunea de intrare:

sau în decibeli:

Amplificatoare operaţionale

Cele mai raspandite amplificatoare sunt cele integrate, iar din randul acestora sunt cele operationale.

Circuitul integrat de tip amplificator operaţional (AO) prezintă o intrare diferenţială şi o ieşire simplă şi este folosit în circuite cu reacţie externă. AO poate să amplifice semnalul de intrare, şi/sau să-l prelucreze după o anumită relaţie matematică.

Iniţial, AO se utilizau în cadrul calculatoarelor analogice pentru a realiza operaţii ca: adunarea, scăderea, derivarea, integrarea, obţinerea funcţiilor logaritmice, pătratice, trigonometrice, etc. Aceste tipuri de operaţii le-au atras denumirea „operaţionale”. Astăzi, ele se utilizează într-o gamă largă de aplicaţii, pentru a realiza diverse funcţii, cu performanţe ridicate şi perfect controlabile.

AO au intrarea diferentiala si alimentarea de regula simetrica.

a) Caracteristici de bazăAceste amplificatoare au amplificarea în buclă deschisă

foarte mare, ( = 104 –106), impedanţă de intrare diferenţială ( ), ( 1 –10 M) mare şi impedanţă de ieşire ( ) foarte mică (zeci de

).

De asemenea, AO se caracterizează printr-o tensiune diferenţială de intrare foarte mică (0.1-2 mV), însuşire datorită căreia, în calcule, bornele de intrare (fig. 2.a) pot fi considerate că sunt la acelaşi potenţial.

Caracteristica de transfer la un AO este liniară:

Figura 1

Figura 2

însă datorită amplificării foarte mari ( – amplificarea diferenţială în circuit deschis) intră rapid în saturaţie (figura 2.b) la numai: 1-3 mV tensiune de intrare.

Ecuaţia de transfer este afectată de mai mulţi factori de eroare dintre care mai importanţi sunt: tensiunea şi curentul de decalaj şi amplificarea parazită de mod comun.

Tensiunea de decalaj sau offset reprezintă acea tensiune (fracţiuni de mV) care trebuie aplicată la una din cele două borne de intrare, pentru ca, în absenţa tensiunii diferenţiale de intrare , tensiunea de ieşire să fie nulă. AO integrate au, de regulă, prevăzute borne speciale pentru compensarea tensiunii de decalaj. Această compensare este obligatorie deoarece decalajul, în afară că duce la erori inadmisibil de mari, poate provoca intrare AO în saturaţie (figura 2.b) chiar în absenţa tensiunii utile aplicată la intrare.

Amplificarea parazită de mod comun se datorează unor nesimetrii în etajele diferenţiale în special celui de intrare din structura AO şi se manifestă prin aceea că, aplicând pe ambele terminale de intrare aceeaşi tensiune: tensiunea de ieşire nu este zero, ci are o anumită valoare numită tensiune de eroare. Pentru caracterizarea imunităţii AO la tensiunea de mod comun s-a introdus parametrul: rejecţia de mod comun.

reprezinta

acea tensiune care aplicata la intrarea AO produce aceeasi tensiune de eroare ca si .

In curent continuu: RMC = 80÷100 dB. Un AO pentru masurari trebuie sa aiba RMC mai mare cu cel putin 10÷20 dB decat

Rezistenţe de intrare. La un AO se disting: rezistenţa diferenţială de intrare şi rezistenţa de mod comun.(figura 2c).

Rezistenţa diferenţială de intrare la un AO este rezistenţa văzută de pe terminalele 11 şi 12 (figura 2.c). Valoarea acesteia depinde de tipul etajului de intrare:

- 0,1 … 0,5 MΩ la AO cu intrare pe tranzistoare bipolare;- 10 … 50 MΩ la cele cu intrare pe superbeta;- … Ω la cele cu intrare pe TECJ;- … Ω la cele cu intrare pe TECMOS (AO electrometrice).Rezistenţa de mod comun , care reprezintă rezistenţa

dintre o intrare şi masă, depinde de sursa de curent a etajului de intrare, sau de tranzistor şi este aproximativ 10 –100 ori mai mare decât .

Evident, indiferent de configuraţia de reacţie folosită, rezistenţa de intrare nu poate fi mai mare decât .

Tensiunea de lucru. Tensiunea de alimentare tipică este 9 – 15 V, tensiunea maximă de intrare este în jur de 10 V, iar cea de ieşire, cu un volt mai puţin decât tensiunea de alimentare.Exemple de AO mai frecvent utilizate în măsurări:

- AO cu intrare pe tranzistoare bipolare obişnuite: amplificatorul 741, cu , MΩ, MΩ şi dB.

- AO cu intrare pe superbeta, amplificatorul ROB 308 cu dB , MΩ, MΩ şi dB.

b) Configuraţii de AO cu reacţie negativăÎn tehnica măsurării se utilizează trei configuraţii de bază:

inversoare (polaritatea lui este de semn contrar lui ), neinversoare (polaritatea lui este de acelaşi semn cu ) şi repetoare.

b1) Configuraţia inversoare La această configuraţie tensiunea este aplicată pe intrarea

(-), situaţie în care tensiunea de ieşire rezultă în opoziţie de

fază, adică inversată ca semn. Este o configuraţie stabilă, însă oferă o impedanţă de intrare inacceptabil de mică . Se utilizează ca etaj de ieşire precum şi la alcătuirea unor convertoare. Punctul M (figura 3a) se bucură de proprietatea de masă virtuală (datorită valorii mici a tensiunii diferenţiale de intrare 1 -2 mV, potenţialul lui M este practic egal cu cel al masei).

Ecuaţia de funcţionare. Scriind că suma curenţilor în punctul M este nulă (curentul de intrare în AO este neglijabil de mic faţă de şi ), adică:

se obţin relaţiile:

; ;

Precizie – din a doua relaţie se deduce:

expresie care arată că precizia amplificatorului este condiţionată numai de calitatea rezistenţelor şi ; precizii tipice %, valori care arată că AO este un amplificator de precizie.

Observaţie: În afară de eroarea de bază mai pot apărea şi erori suplimentare (importante) din cauza tensiunii şi curentului de decalaj la intrare. Prima se compensează, de regulă, cu ajutorul unui potenţiometru P, având cursorul conectat la alimentarea (figura 3.b), iar efectul curentului de decalaj se ameliorează

Figura 3

conectând intrarea (+) la masă, nu direct, ca în (figura 3.a), ci prin intermediul rezistenţei având valoarea echivalentă a lui şi legate în paralel, adică . Există şi alte tehnici de compensare a tensiunii de decalaj.

Principalele aplicatii (in afara de cea de etaj de iesire) in tehnica masurarii sunt: la convertoare curent tensiune, integratoare, derivatoare si amplificatoare de sarcina.

Convertor curent-tensiune. Schema din figura 3c, satisface ecuaţia şi se utilizează la măsurarea curenţilor mici ( A); de exemplu, dacă V şi M , rezultă A pe toată scara.

Circuit integrator (figura 4a). Neglijând curentul de intrare în AO rezultă că serveşte numai la încărcarea condensatorului C2, adică: , relaţie din care rezultă ecuaţia de funcţionare:

Este utilizat ca bloc de intrare la convertoare analog-numerice de tipul cu integrare în dublă pantă sau de tipul tensiune-frecvenţă. De asemenea, intră în componenţa generatoarelor de tensiune liniar variabilă de tip Miller (,,integratorul Miller”), utilizate frecvent ca bază de timp pentru osciloscoape.

Figura 4

Amplificatoare de sarcină (figura 4b). Dacă printr-un mijloc oarecare se transmite condensatorului C1 o sarcină electrică necunoscută qx, aceasta dă naştere la un curent , care fiind integrat de către C2 (curentul de intrare la AO, neglijabil de mic) produce la bornele acestuia o tensiune,

proporţională cu sarcina de măsurat.

b2) Configuraţia neinversoare (figura 5a)

Figura 5

La această configuraţie tensiunea de ieşire este în fază cu cea de intrare . Se caracterizează printr-o impedanţă mare şi stabilitate bună la amplificări nu prea mari Este etajul tipic de intrare la milivoltmetrele electronice de c.c., precum şi la amplificatoarele de instrumentaţie.

Amplificarea . Se poate scrie că tensiunea de intrare trebuie să acopere tensiunea diferenţială şi tensiunea de reacţie adică (în c.c.):

relaţii din care rezultă amplificarea cu reacţie:

;

Se observă că A poate fi modificată prin simpla modificare a raportului (ca şi la configuraţia inversoare). Această însuşire este exploatată la realizarea gamelor de măsură (trepte de sensibilitate) la milivoltmetre electronice de c.c. Observaţii:

1. Fără ipoteza simplificatoare expresia amplificării cu reacţie devine:

relaţie în care poartă numele de coeficient de atenuare al buclei de reacţie, iar - câştigul buclei. Cum la AO, rezultă că .

b3) Configuraţia repetoare de tensiune (fig.5c)Este un caz particular al configuraţiei neinversoare şi se

caracterizează prin amplificare unitară şi rezistenţă de intrare foarte mare . Se utilizează ca etaje de intrare în aparatele electronice de măsură.

Amplificatorul de instrumentaţie (AI) este un amplificator diferenţial cu performanţe deosebite: o mare impedanţă de intrare, o amplificare finită, stabilă şi cunoscută cu precizie (reglată cu ajutorul unui singur rezistor exterior), o bună rejecţie de mod comun (în gama 100…120dB).

Amplificatoare diferenţiale (AD)

Amplificatoarele diferenţiale (figura 8) au calitatea preţioasă

că permit amplificarea precisă a unei diferenţe de tensiuni, după

ecuaţia:

adică răspund numai la diferenţa celor doua semnale aplicate la

intrare. În plus, aceste amplificatoare au valori foarte mari pentru

rezistenţa de intrare pe mod diferenţial ( ) şi pe cea de mod

comun ( ). AD permit şi rejectarea directă a tensiunilor de mod

comun, atât a celor provenite din perturbaţii cât şi a celor rezultate

din circuitul de măsură respectiv . AD se mai numesc amplificatoare

de instrumentaţie sau în unele cărţi se numesc şi amplificatoare de

măsură.

a) Amplificatoare diferenţiale "discrete"

Ecuaţia de funcţionare a acestui AD (figura 9) poate fi

dedusă simplu, prin metoda suprapunerii efectelor.

Dacă amplificatorul lucrează ca un AO inversor şi dă la ieşire

tensiunea , iar dacă , va lucra ca un AO neinversor

cu tensiunea de intrare şi va da:

. Cum tensiunea de ieşire este

rezultă că:

AD cu trei AO (figura 10 a). Se observa că este alcătuit din

două repetoare ( şi ) care atacă un etaj (final) de tipul celui

din figura 9. Acest tip de AD răspunde la ecuaţia de funcţionare

anterioara, asigură impedanţa de intrare foarte mare, (vecină cu

) şi deci, insensibilitate la disimetriile (inegalităţile - rezistenţelor de

ieşire) ce ar putea exista între sursa care dă pe şi cea care dă pe

; rezistenţa de ieşire este foarte mică ( ). Neajunsul

configuraţiei: pentru modificarea amplificării trebuie reglate,

simultan, două rezistenţe.

Variantă cu reglarea amplificării printr-o singură

rezistenţă. Schema (figura 10 b) este uşor integrabilă în CI.

Funcţionarea: Considerând că si sunt ideale rezultă

că prin rezistenţele şi circulă acelaşi curent

relaţie din care se deduce:

; ;

şi deci:

Prin urmare etajul de intrare ( si ) are amplificare de

mod comun egală cu unitatea, însă amplificarea diferenţială este

mult supraunitară ( ) şi deci, rejecţia de mod comun (RMC)

este mult mai bună. Din cele discutate rezultă că ecuaţia de

funcţionare a acestui amplificator este:

relaţie ce arată că amplificarea totală poate fi reglată numai cu o singură rezistenţă ( ).

Figura 10