CURS Amplif Instrumentatie 2 Prez

Amplificatoare în instrumentația și electronica biomedicalã. Prof. H. Costin 1

6. AMPLIFICATOARE ÎN INSTRUMENTAŢIA ŞI ELECTRONICA BIOMEDICALĂ (II)

6.4 Realizări practice de amplificatoare de instrumentaţie

Realizarea amplificatoarelor de instrumentaţie se bazează pe întrebuinţarea

amplificatoarelor operaţionale (AO). Pentru analiza (de regim staţionar) a AO se folosește un

model idealizat, caracterizat de următoarele proprietăţi:

• impedanţă de ieşire nulă: R0 = 0 ;

• potenţialele bornelor de intrare egale: V+ = V− ;

• curenţi de intrare (polarizare) nuli: Iin+ = Iin− = 0 ;

• câştig infinit în buclă deschisă: G0 = ∞.

De asemenea, se consideră că funcţionarea AO este descrisă (în regim staţionar) de o

caracteristică statică perfect liniară. Modelul liniar permite simplificarea semnificativă a

analizei diferitelor configuraţii, prin utilizarea teoremei suprapunerii efectelor. Aceste

idealizări asigură o bună modelare a AO. Erorile care apar se datorează practic abaterii

caracteristicilor reale faţă de cele ale modelului ideal şi se pot studia cu relativă uşurinţă

(după determinarea caracteristicilor ideale).

Folosind AO se pot realiza trei configuraţii de bază de circuite amplificatoare.

6.4.1 Amplificator inversor

Schema electrică a amplificatorului inversor este prezentată în Figura 6.8.

Figura 6.8 Amplificator operaţional inversor

Avem relaţiile: 0 = V :deci , 0 = V -+ .

Amplificatoare în instrumentația și electronica biomedicalã. Prof. H. Costin 2i = i :deci , 0 = I = I 21-bb+ .

:deci , Rv =

RV - v = i

1

i

1

-i1

v RR - = V + i * R - = v

Rv = i i

1

2-22o

1

i2 .

Se obţine în final expresia amplificării de mod inversor, Ai :

RR - =

vv = A

1

2

i

oi (6.1)

6.4.2 Amplificator neinversor

Schema electrică a amplificatorului neinversor este prezentată în Figura 6.9.

Rv = i = i : deci ,

Rv =

RV = i : dar , i = i:idec , 0 = I = Iv = V = V

1

i12

1

i

1

-121-b+bi-+ .

Figura 6.9 Amplificator operaţional neinversor

Se obţine pentru tensiunea de ieşire expresia:

i1

2i

1

i222o v

RR

1vRv

RViRv ⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=+⋅=+⋅= − .

Rezultă pentru amplificarea de mod neinversor, An , expresia:

RR + 1 =

vv = A

1

2

i

on . (6.2)


6.4.3 Amplificator diferenţial

Schema electrică a amplificatorului diferenţial este prezentată în Figura 6.10.

Figura 6.10 Amplificator operaţional diferenţial

Modelul amplificatorului operaţional fiind liniar, folosim pentru analiză teorema

suprapunerii efectelor. Mai întâi considerăm activă intrarea inversoare şi pasivizată

intrarea neinversoare. Pentru pasivizare se întrerupe circuitul pe ramura intrării neinversoare

după generatoarele de tensiune şi se leagă la masă capătul din stânga al rezistenţei R2.

Apare o grupare paralel a rezistenţelor R2 şi R4, cu un capăt legat la masă şi celălalt la

intrarea neinversoare (+) a AO. Conform modelului ideal utilizat pentru AO, Ib+ = 0, deci

căderea de tensiune pe grupul paralel este 0 şi se obţine schema din Figura 6.11.

Fig. 6.11 Schema echivalentă a Fig. 6.10 după pasivizarea intrării neinversoare

Se observă că s-a obţinut configuraţia inversoare, pentru care putem exprima direct

tensiunea de ieşire, voi, ţinând seama că tensiunea supusă amplificării, vi-, este egală cu

suma tensiunilor de semnal v1 şi de mod comun vic. Se obţine expresia:


)v + v( RR - = v

RR - = v ic1

1

3i-

1

3oi ⋅⋅ . (6.3)

Considerăm acum pasivizată intrarea inversoare şi activ generatorul de semnal de pe

intrarea neinversoare. Se obţine schema din Figura 6.12.

Se observă că s-a obţinut o configuraţie de amplificator neinversor. Conform relaţiei (6.2),

tensiunea de ieşire din acest circuit, von, este:

( )ic242

4i

1

3on vv

RRRundev

RR

1v +⋅+

⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= + : , (6.4)

unde vi+ reprezintă tensiunea aplicată bornei neinversoare a AO. Această tensiune se obţine

prin preluarea de pe rezistenţa R4 din divizorul rezistiv R2 / R4 a părţii corespunzătoare din

tensiunea obţinută din sumarea tensiunii de semnal v2 şi tensiunii de mod comun, vic.

Fig. 6.12 Schema echivalentă a Fig. 6.10 după pasivizarea intrării inversoare

Se obţine în final pentru tensiunea de ieşire din acest caz expresia:

( )ic242

4

1

3on Vv

RRR

RR

1v +⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= . (6.5)

Aplicând teorema suprapunerii efectelor, tensiunea de ieşire vo are două componente:

una datorată modului inversor, voi, respectiv cea de-a doua datorată modului neinversor, von.

Se obţine expresia : unde de , v + v = v onoio

( ) ( )ic11

3ic2

42

4

1

3o Vv

RR

vvRR

RRR

1v +⋅−+⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= (6.6)

Dacă este îndeplinită condiţia (6.7), de echilibru între rezistenţele circuitului,


RR =

RR

2

4

1

3 , (6.7)

rezultă:

) v - v ( RR = ) v - v - v + v (

RR = v 12

1

3ic1ic2

1

3o ⋅⋅ . (6.8)

Se obţine pentru amplificarea de mod diferenţial Ad expresia (6.9):

RR =

v - vv = A

1

3

12

od . (6.9)

Din analiza acestor rezultate se observă că îndeplinirea condiţiei de echilibru (6.7)

determină eliminarea tensiunii de mod comun vic din expresia tensiunii de ieşire a

amplificatorului diferenţial.

6.4.4 Amplificator diferenţial de bază

Dintre conexiunile posibile ale amplificatoarelor operaţionale, cea mai apropiată de structura

unui amplificator de instrumentaţie este cea diferenţială. Practic apar anumite abateri de la

modelul ideal folosit, ceea ce duce pe de o parte la existenţa câştigului de mod comun, iar

pe de altă parte la apariţia erorilor statice. Din punctul de vedere al utilizatorului prezintă un

deosebit interes evaluarea abaterilor ce apar faţă de modelul ideal.

Amplificarea de mod comun a amplificatorului diferenţial este definită ca fiind

vv =

v + vv 2 =

intrare de rtensiunilo mediav = A

ic

o

21

ooc

⋅. (6.10)

Dacă amplificatorul diferenţial este perfect echilibrat (conform relaţiei de echilibru (6.7)) şi

amplificatorul operaţional nu are câştig de mod comun (CMRR = ∞), atunci circuitul în

ansamblul său nu va avea câştig de mod comun. Practic însă este dificil să ne apropiem de

acest model.

Dacă circuitul nu este perfect echilibrat şi / sau amplificatorul operaţional prezintă câştig

de mod comun (CMRR finit), atunci etajul diferenţial va prezenta câştig de mod comun, ceea

ce va conduce la apariţia în tensiunea de ieşire a unei componente dependentă de tensiune

de intrare de mod comun, suprapusă peste componenta determinată de tensiunea

diferenţială de intrare:

) v + v ( A 21 + ) v - v ( A = v 12c12do ⋅⋅⋅ . (6.11)

Întrucât cele două cauze ce determină apariţia câştigului de mod comun sunt în esenţă

independente, efectul fiecăreia se va studia separat.

Amplificatoare în instrumentația și electronica biomedicalã. Prof. H. Costin 6 Dacă amplificatorul operaţional are CMRR = ∞ (ideal), dar circuitul rezistiv nu este perfect

echilibrat, apare o componentă a câştigului de mod comun Acc datorată neechilibrării

circuitului. Din relaţia (6.6) separăm termenii în vic (considerând v1 = v2 = 0, ceea ce conduce

la anularea termenilor diferenţiali), obţinându-se:

( )( ) ic

1

3

421

314ic

1

3ic

42

4

1

3o v

RR

RRRRRR

vRR

vRR

RRR

1v ⋅⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

+⋅+⋅

=⋅−⋅+

⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= ,

v ) R + R ( R

R R - R R = v ic421

3214o ⋅

⋅⋅⋅

. (6.12)

Rezultă pentru câştigul de mod comun din acest caz expresia:

) R + R ( RR R - R R =

vv = A

421

3214

ic

occ ⋅

⋅⋅ . (6.13)

Dacă circuitul rezistiv este perfect echilibrat dar AO prezintă CMRR finit, apare o

componentă a câştigului de mod comun Aco, datorată numai AO. Pentru a analiza această

situaţie, ţinem seama că factorul de rejecţie a modului comun (CMRR) este determinat

funcţie de tensiunea de mod comun care apare efectiv pe bornele de intrare (+) şi (-) ale AO.

Câştigul de mod comun al circuitului echilibrat, Aco, funcţie de câştigul de mod comun al AO,

Ac, rezultă din egalitatea (de echivalenţă a efectelor):

v A = v A = v +,-ic ciccooc ⋅⋅ , (6.14)

unde: voc reprezintă tensiunea de ieşire datorată tensiunii de intrare de mod comun, iar vic+,−

reprezintă tensiunea de mod comun ce apare efectiv pe bornele de intrare (+) şi (−) ale AO.

Rezultă:

RR = A : unde , A

CMRR1 = A deci ,

AA = CMRR dar , A

vv = A

1

3ddc

c

dc

ic

+,-ic co ⋅⋅ .

Se obţine:

2

4

1

3

4

2

1

3

co1

3c R

RRR

darCMRR

RR1

RR

AdeciCMRR

1RR

A =

⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

=⋅= : .

Rezultă pentru câştigul de mod comun Aco expresia:

( ) CMRRRRRR

CMRRRR

1

1RR

A311

23

3

11

3co ⋅+⋅

=

⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

⋅= . (6.15)

De cele mai multe ori în datele de catalog se precizează rejecţia de mod comun, CMRR.

Amplificatoare în instrumentația și electronica biomedicalã. Prof. H. Costin 7Pentru majoritatea operaţionalelor CMRR este peste 60 dB.

Tensiunea de ieşire datorată componentei Aco⋅vic este independentă de cea datorată

componentei Acc⋅vic. Dacă considerăm simultan ambele tipuri de câştig de mod comun, se

obţine o tensiune de ieşire de forma

v ) A + A ( = V A + v A = v iccccoiccciccooc ⋅⋅⋅ . (6.16)

Se poate exprima un factor de rejecţie a modului comun pentru întreg ansamblul (circuit

rezistiv + AO), CMRRc, conform relaţiei

A + AA =

v / vA =

comun mod de total castigulldiferentia castigul = CMRR

ccco

d

ivo

dc . (6.17)

Pe durata utilizării amplificatorului diferenţial de bază se pune problema stabilităţii

tensiunii de ieşire, în timp şi cu temperatura. Multe aplicaţii ale amplificatorului diferenţial se

referă la amplificarea unor semnale de nivel redus ce impun valori mari ale câştigului

diferenţial Ad. Tensiunea de offset de intrare vio, tensiunea de derivă (drift), curenţii de

polarizare de intrare Ib+, Ib−, precum şi curentul de decalaj la intrare Iio, determină termeni de

eroare statică ce pot fi calculaţi. Întrucât aceste mărimi ce determină apariţia erorilor statice

sunt în esenţă independente între ele, studiem efectul lor în mod separat (considerăm

mărimea studiată diferită de zero şi toate celelalte nule), iar efectul total îl obţinem prin

suprapunere.

Pentru a determina termenul de eroare datorat tensiunii de decalaj (offset) de la intrare

vio, folosim schema electrică din Figura 6.13(a, b). În Figura 6.13(a) se prezintă situaţia reală

din circuitul amplificatorului diferenţial. Generatorul de tensiune vio exprimă diferenţa de

potenţial între bornele de intrare (+) şi (−) ale AO. Conform proprietăţilor modelului ideal, V+

= V− şi având în vedere faptul că s-a considerat în această fază Ib+= Ib−= 0, rezultă că

potenţialul bornei neinversoare este zero. Pentru această schemă se obţine un potenţial al

bornei inversoare de valoare vio, ca şi în cazul schemei din Figura 6.13(b).

Se observă că apare o configuraţie de amplificator neinversor pentru generatorul vio, ceea

ce conduce la un termen de eroare ΔVo de forma

io1

3o v

RR

1V ⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+±=Δ . (6.18)

Amplificatoare în instrumentația și electronica biomedicalã. Prof. H. Costin 8 În expresia acestui termen se folosesc ambele polarităţi (±), întrucât în catalog se prezintă

modulul tensiunii de offset, fără a putea preciza semnul (semnul depinde de modul concret

de dezechilibrare a etajelor diferenţiale de intrare în operaţional, pentru care nu poate fi

prevăzut sensul abaterii).

Figura 6.13 Efectul tensiunii de offset de intrare

În ceea ce priveşte efectul curenţilor de polarizare, considerăm Ib+ ≠ Ib− ≠ 0 şi vio =

0. Pentru analiză folosim schema din Figura 6.14.

Termenul de tensiune de eroare ce apare, Voi , rezultă după cum urmează:

I R + I ) R + R ( =I R + ) I + I ( R = I R + I R = V -b311311-b131133oi ⋅⋅⋅⋅⋅⋅ ,

unde:

RV = I

1

-1 .

Exprimăm potenţialele celor două intrări ale AO:

I R + I R ) R + R (

R R ) R + R ( - = V : unde de , ) R _ R ( I - = V = V -b3+b142

4213oi42+b+- ⋅⋅

⋅⋅⋅

⋅ .

Dacă este respectată condiţia:

R + RR R =

R + RR R R R = R R

31

31

42

424231

⋅⋅⇔|||| ,

se obţine:

) I - I ( R = I R + I R - = I R + I R ) R + R (

R R ) R + R ( - = V b+-b3-b3b+3-b3b+113

3113oi ⋅⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅

.

Diferenţa Ib− - Ib+ = Iio reprezintă curentul de offset (decalaj) la intrare. Se obţine în final

expresia (6.19) pentru termenul de eroare datorat curentului de offset la intrare:

Amplificatoare în instrumentația și electronica biomedicalã. Prof. H. Costin 9I R = V io3oi ⋅ . (6.19)

Evident, pentru curenţi de polarizare egali Ib− = Ib+, Iio = 0, Voi = 0, deci nu apare acest

termen al erorii.

Eroarea totală se obţine prin suprapunere, rezultând expresia

: deci , V + V = V oiovoΔ

| I | R | v | R

R + R = V io3io1

31o ⋅±⋅±Δ . (6.20)

Figura 6.14 Efectul curenţilor de polarizare

O altă problemă de interes o reprezintă evaluarea impedanţelor de intrare ale

amplificatorului diferenţial de bază.

Impedanţa de intrare de mod diferenţial, Rind , rezultă din Figura 6.15, ţinând seama că

V+ = V− .

Folosind metoda generatorului de test şi observând faptul că intrările operaţionalului sunt

la acelaşi potenţial (ceea ce permite scurtcircuitarea lor) se obţine pentru Rind expresia

R + R = R 21ind . (6.21)

Impedanţa de intrare de mod comun, Rinc , se determină pe baza schemei din Figura

6.16(a) şi în ipoteza că amplificatorul nu prezintă câştig de mod comun. Pe intrările

amplificatorului operaţional se stabileşte un potenţial constant VR = V+ = V− de valoare

V R + R

R = V ic42

4R ⋅ .


Figura 6.15 Schema pentru calculul impedanţei de intrare de mod diferenţial

Se obţine pentru calcul schema echivalentă din Figura 6.16(b).

Figura 6.16 Schema pentru calculul impedanţei de intrare de mod comun

R + RR R

V R + R

R - R + R

=

R + RR R

V R + R

R - V =

R || RV - V = I : unde ,

IV = R

21

21

ic42

442

21

21

ic42

4ic

21

Ricicinc ⋅

⋅

⋅

⋅

.

V ) R + R ( R

R + R = ) R + R ( R R

V ) R + R ( R = I ic421

21

4221

ic212 ⋅⋅⋅⋅

⋅⋅ .

Rezultă în final expresia pentru impedanţa de intrare de mod comun

R + R) R + R ( R =

IV = R

21

421incinc

⋅. (6.22)

Relaţiile (6.21) şi (6.22) arată faptul că impedanţele de intrare în amplificatorul diferenţial

de bază au valori finite, ceea ce diferă de modelul ideal al amplificatorului instrumentaţie, la

care impedanţele de intrare sunt infinite. Pentru a obţine impedanţe de intrare cât mai mari

Amplificatoare în instrumentația și electronica biomedicalã. Prof. H. Costin 11cu acest montaj suntem obligaţi să folosim rezistenţe de valori ridicate.

Analiza amplificatorului diferenţial de bază a pus în evidenţă anumite abateri faţă de

modelul ideal al amplificatorului instrumentaţie. Întrucât în practică nu avem nevoie de multe

ori de toate proprietăţile modelului ideal, s-au elaborat scheme adecvate care, pe baza

renunţării la anumite proprietăţi, permit, pentru restul proprietăţilor, performanţe ridicate la un

preţ scăzut.

6.5 Amplificatorul de instrumentaţie flotant

Adjectivul flotant este folosit pentru circuitele separate de masa sistemului de

măsură printr-o impedanţă mare de izolaţie. În curent continuu acest lucru înseamnă o

rezistenţă de izolaţie de ordinul a miilor de MΩ, în timp ce în joasă frecvenţă impedanţa de

izolaţie este combinaţia paralel a rezistenţei de izolaţie de mai sus cu o capacitate de

câţiva pF.

În anumite împrejurări considerentele de electrosecuritate cer ca subiectul de la care

se culeg potenţialele bioelectrice să fie izolat în raport cu masa sistemului de

înregistrare sau vizualizare. Să examinăm căile în care putem să realizăm acest

deziderat.

(1) O primă cale ar fi desfiinţarea electrodului de masă, electrodul 3 al culegerii

diferenţiale, deci utilizarea unui amplificator diferenţial cu intrări flotante.

Electrofiziologii ştiu că, în cazul amplificatoarelor alimentate de la reţeaua de c.a., acest

lucru nu este fezabil: brumul ar acoperi catastrofal orice informaţie. Pe de altă parte nu ne

putem permite nici introducerea unei rezistenţe mari în serie cu electrodul de masă

deoarece ştim că tehnica de culegere dă o atenţie specială tocmai asigurării unui cât mai

bun contact la electrodul de masă, o condiţie necesară pentru a obţine un traseu fără

brum. Experienţa demonstrează deci că în absenţa unei legături de joasă impedanţă la

pământ, brumul apare ca semnal de mod comun de un nivel inacceptabil la intrările unui

amplificator diferenţial alimentat de la reţeaua de c.a.

Dacă amplificatorul diferenţial este alimentat de la o baterie iar masa (referinţa) sa nu

este legată la pământ, experienţa arată că desfiinţarea electrodului 3 produce, încă, o

anumită creştere a interferenţei, ceea ce arată fie că o parte a brumului rejectată în mod

obişnuit ca semnal de mod comun apare, în absenţa electrodului de referinţă, diferenţial,

fie semnal comun sporit.

Configuraţia cu trei electrozi la subiect (doi calzi + referinţă) este deci aproape

imperativă când este vorba de orice culegere diferenţială, iar pentru culegerea

Amplificatoare în instrumentația și electronica biomedicalã. Prof. H. Costin 12convenţională cu amplificator diferenţial alimentat de la reţeaua de c.a. formula doi

electrozi calzi + referinţă = împământare, este obligatorie.

(2) Se dispune totuşi de un mijloc care permite menţinerea electrodului 3 legat de masa

de referinţă a amplificatorului, izolat totuşi de masa sistemului global de măsură, pusă la

pământ. Soluţia constă în utilizarea, cu trei electrozi, a unui preamplificator diferenţial

(PAD) izolat în raport cu restul sistemului de măsură alimentat la reţeaua de c.a. şi legat la

pământ, ansamblul fiind întâlnit în literatură sub numele de amplificator de izolaţie (AI).

Prin acest artificiu subiectul este izolat de masa generală a sistemului de măsură, ceea

ce sporeşte securitatea electrică, dar pentru PAD-ul izolat a cărui referinţă (masă flotantă)

rămâne legată la electrodul 3, brumul apare, în proporţie dominantă, ca semnal de mod

comun şi este astfel rejectat.

În Figura 6.17 se prezintă o configuraţie cu PAD flotant. Transmisia informaţiei se face

pe cale termică, prin transformator de izolare (cuplaj magnetic), prin cuplaj optic sau prin

radiotelemetrie.

Un amplificator de izolaţie (cu separare galvanică) este un circuit a cărui primă

funcţie este de a asigura izolarea ohmică (întreruperea continuităţii ohmice) între semnalele

şi circuitele de intrare şi cele de ieşire.

În principiu, un AI este format dintr-un amplificator diferenţial de intrare (amplificator

operaţional sau amplificator de instrumentaţie), urmat de un etaj de izolare (separare) cu

câştig unitar. Unicul scop al etajului de separare este de a izola complet intrarea de ieşirea

circuitului. În mod ideal, continuitatea ohmică a semnalului este întreruptă (la nivelul barierei

de izolaţie) şi totuşi, după etajul de separare cu câştig unitar, semnalul se transferă cu

acurateţe şi fără atenuare. O caracteristică importantă a AI este aceea că are intrarea

complet flotantă, ceea ce contribuie la eliminarea unor conexiuni complicate la masa

surselor în multe aplicaţii.

În Figura 6.18 se prezintă schema - bloc tipică a unui amplificator de izolaţie.

Pentru acest amplificator, expresia tensiunii de ieşire Vout este dată de relaţia

IMRRV

CMRRV

VRR

V isocmd

1

2out +⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅= . (6.23)

Tensiunea de izolaţie Viso este tensiunea ce apare pe bariera de izolaţie. Contribuţia

adusă de Viso la eroarea referită la ieşire este Viso / IMRR, unde IMRR este factorul de

rejecţie al modului izolaţie (Isolation Mode Rejection Ratio). Vd este tensiunea diferenţială

de semnal de intrare, iar Vcm reprezintă tensiunea de mod comun (referită la masa circuitelor

Amplificatoare în instrumentația și electronica biomedicalã. Prof. H. Costin 13de intrare). Curentul de fugă este curentul ce circulă prin bariera de izolaţie cu o anumită

tensiune de izolaţie specificată aplicată între intrare şi ieşire.

Sursă dealim entare

Re ţeac.a.

M asă

Sursă flotantăde alimentare

PAD(ECG )

M odulator

SUBIECTLA

RA

RF

M asă flotantă

Dem odulator

M onitorECG

Transm isie deenergie

Transm isie desemnal util

Figura 6.17 Structura unui amplificator de izolaţie

Figura 6.18 Schema-bloc tipică a unui amplificator de izolaţie


6.5.1 Caracteristicile amplificatoarelor de izolaţie

Tensiunea de mod comun şi tensiunea de izolaţie. Anumiţi producători tratează

tensiunea de mod comun şi tensiunea de mod izolaţie în mod identic pentru descrierea

folosirii şi / sau caracteristicilor AI. În principal această imprecizie în prezentare apare din

nespecificarea masei circuitului în raport cu care se măsoară aceste tensiuni. Pentru

aplicaţiile specifice de bioinstrumentaţie, este esenţială înţelegerea exactă a semnificaţiilor

acestor termeni şi diferenţele dintre ei. Astfel, când se fac legăturile în circuitul de intrare ca

în Figura 6.18, tensiunea diferenţială de semnal de intrare Vd poate fi suprapusă peste

componenta Vcm în raport cu masa circuitelor de intrare. Vcm este tensiunea de mod

comun şi are în general ordinul de mărime ±10 V, limitată de gama tensiunii de mod comun

a etajului diferenţial de intrare.

Tensiunea de izolaţie Viso (Figura 6.21) reprezintă diferenţa de potenţial între

circuitul de masă de intrare şi circuitul de masă de ieşire. Mărimea tensiunii de izolaţie

descrie diferenţa de potenţial pe care bariera de izolaţie poate să o suporte fără străpungere.

Ordinul de mărime al tensiunii de izolaţie este de sute sau mii de volţi.

Această caracteristică a AI permite două conexiuni de masă distincte ce se pot realiza

oricând este necesar. Ca urmare, AI se pot folosi în aplicaţii ce presupun tensiuni de mod

comun foarte mari şi în aplicaţii cu întreruperea buclelor de masă. În acest caz conexiunile

se efectuează în aşa fel încât tensiunile de mod comun să apară referite la masa circuitelor

de ieşire (ca tensiune de izolaţie). Utilizând această conexiune, amplificatorul poate primi

tensiuni de mod comun de ordinul 2000 V sau chiar mai mari.

Rejecţia de mod comun şi rejecţia de mod izolaţie. Rejecţia de mod izolaţie (IMR)

este un alt termen la care unii producători se referă identic cu rejecţia de mod comun (CMR).

Confuzia apare din acelaşi motiv cu cel precizat anterior, respectiv din cauza nespecificării

circuitului de masă în raport cu care se fac determinările. Discuţia de mai sus ne ajută să

identificăm diferenţa între IMR şi CMR.

Rejecţia de mod comun, CMR, este măsura în care etajul de intrare rejectează

semnalele de mod comun referite la masa circuitelor de intrare în timp ce amplifică intrarea

diferenţială.

Rejecţia de mod izolaţie, IMR, este măsura în care amplificatorul rejectează

tensiunile de mod comun referite la masa circuitelor de ieşire în timp ce se transmite semnal

prin bariera de izolaţie. Factorul de rejecţie al modului izolaţie, IMRR, este definit de ecuaţia

(6.23). În acest fel, cunoscând capacitatea de rejecţie a modului izolaţie a AI, acestea se pot

Amplificatoare în instrumentația și electronica biomedicalã. Prof. H. Costin 15utiliza în aplicaţii unde sunt necesare rejecţii ale tensiunilor de mod comun foarte mari, de

ordinul 100 ... 140 dB.

Valoarea tensiunii de izolaţie. Tensiune de test. Este important să cunoaştem

semnificaţia tensiunii de izolaţie de curent continuu (precizată şi garantată de producător în

catalog) şi relaţia sa cu valoarea reală a tensiunii de test aplicate. Întrucât un test continuu la

valoarea nominală nu este posibil în cazul produselor de consum (implicând o durată

infinită), se acceptă în general realizarea testelor de înaltă tensiune (de valoare mult mai

mare decât valoarea continuă nominală), dar pentru o durată scurtă (şi bine precizată) de

timp. Întrucât testul de înaltă tensiune este distructiv (circuitele care nu rezistă se distrug în

totalitate, devenind irecuperabile), este important de ştiut ce relaţie există între condiţiile

reale de test şi valoarea continuă minimum garantată. Pentru aceasta se folosesc mai multe

reguli empirice. De exemplu, firma Burr-Brown a ales o formulă foarte restrictivă:

Vtest = 2 Vcontinuu + 1000 V .

Relaţia de mai sus este folosită în aplicaţii în care sistemul de tensiuni tranzitorii nu poate fi

precizat. Când tensiunile reale sunt bine definite sau când tensiunea de izolaţie nu este

continuă, utilizatorul poate alege pentru testare o relaţie mai puţin restrictivă pentru a stabili

condiţiile de test, ceea ce reduce numărul circuitelor distruse prin testare, respectiv reduce

costul.

Principiile fizice pe care se bazează construcţia barierei de izolaţie determină şi tipul de

cuplaj utilizat. Astfel întâlnim:

• cuplajul magnetic, bazat în esenţă pe utilizarea transformatoarelor, la care nu

apare conexiune între circuitul primar şi cel secundar; soluția este depășită tehnc;

• cuplajul optic, utilizând optocuploare, transferul informaţiei fiind asigurat prin

modularea unei radiaţii, de exemplu infraroșii;

• cuplajul termic, utilizând în circuitul de intrare o rezistenţă de încălzire, iar în

circuitul de ieşire o termorezistenţă, transferul de informaţie fiind asigurat prin

intermediul fluxului termic.

Performanţele AI variază în mod semnificativ, funcţie de tipul de aplicaţie. Astfel, în

aplicaţiile în care banda şi viteza de răspuns sunt criteriile cele mai importante, cel mai bine

se adaptează cuplajul optic. Pentru aplicaţii la care se impune acurateţe şi liniaritate pentru

răspuns, cuplajul magnetic este soluţia cea mai bună. Cuplajul termic are avantajul celui mai

redus cost, dar se poate utiliza numai pentru semnale de foarte joasă frecvenţă, având în

vedere inerţia mare a sistemelor bazate pe procese termice.

CURS Amplif Instrumentatie 2 Prez

Documents

Transcript of CURS Amplif Instrumentatie 2 Prez