1

Facultatea de Electronic, Telecomunicaii i Tehnologia Informaiei

Amplificator de instrumentaie Microproiect la Electronic i Informatic Medical

Vartolomei Florin, grupa 5302 Student:

2

Amplificator de instrumentaie

1. Realizarea unui amplificator de instrumentatie (AdI) standard, folosind 3 AO tip 741 2. Masurarea amplificatorului realizat: amplificare, tensiune de decalaj la intrare, banda de trecere

3. Proiectarea unui AdI cu banda trecere 0,1 Hz -100 folosind un filtru de ordin 1 trece sus pe etajul de intrare si un filtru trece jos de ordin 1 pe etajul de iesire

4. Calculul unul filtru oprete banda de 50 Hz (se vor discuta avantajele/dezavantajele conetrrii la inrtare sau la ieire a acestui filtru)

5. Calcul complet de zgomot

6. Calculul tensiunii de decalaj si de fug cu temperatura, pentru plaja de temperaturi 0..50oC 7. Calcul estimativ (cu ipoteze realiste) a perturbatiilor vazute la iesirea AdI

Tensiunea de ieire a amplificatorului, exprimat n funcie de diferena tensiunilor de la intrare, are urmtoarea expresie:

n schemele uzuale, R2 = R3, ceea ce nseamn c relaia va deveni:

= 64 1 + 221 (2 1) Aceste relaii sunt valabile pentru cazul n care A3 este perfect echilibrat, adic:

Etapele microproiectului

Amplificatorul de instrumentaie

( )6 1 2 3 2 14 1

oR R R Rv v vR R

+ +=

5

7

4

6

RR

RR

=

3

Pentru realizarea unui aplificator de instrumentaie cu amplificarea reglabil (aproximativ 90), se consider R2=R3=10K, iar R1 va fi reprezentat de o grupare serie de un rezistor fix de 5,1 k i de un semireglabil de 10K (vezi Anexa1, fig. 1).

n aceste condiii se calculeaz amplificare primului etaj, constituit din A1 si A2:

1 = 1 + 221 = 1 + 2105,1 = ,, pentru R1=5,1k i

1 = 1 + 221 = 1 + 21015,1 = ,, pentru R1=15,1k.

Pentru a obine amplificarea ntregului circuit de aproximativ 90 se calculeaza amplificarea celui de-al doilea etaj al amplificatorului, n condiiile n care se utilizeaz R4=R5 de valoare 10k (ntruct valoarea a mai fost folosit i la primul etaj). Amp2 va trebui s fie de apriximativ 20, ceea ce nseamn:

2 = = 64 6 = 20 4 = 200

Pentru valorile obinute, amplificarea circuitului variaz (n funcie de poziia cursorului semireglabilului) n gama 46,4 98,4 (gama care cuprinde valoarea 90 propus n proiectare).

Pentru alimentarea aplificatorului n vederea msurrii parametrilor de funcionare s-a utilizat o surs dubl de alimetare de valoare 12V.

Pentru determinarea amplifirii difereniale s-a folosti schema de mai jos. Astfel s-a calculat valoarea amplificrii pentru un semnal de ieire din amplificator aflat sub limita maxim a tensiunii posibile de ieire pentru aceast tensiune de alimentare.

Etapa 1

Etapa 2

4

S-au msurat astfel urmtoarele valori: vout = 16Vvv pentru vin = 170mVVV, ceea ce nseamn:

= 160,17 = 94,11 Pentru determinarea amplifirii difereniale s-a folosti schema urmtoare.

S-au msurat astfel urmtoarele valori: vout = 20mVvv pentru vin = 170mVvv, ceea ce nseamn:

= 20170 = 0,11 Utiliznd cele dou rezultate se poate determina factorul de rejecie al modului comun specific

circuitului realizat, fiind calculat astfel:

=

= 94,110,11 = , iar valoarea sa exprimat n dB este: 20 log(855,54) = ,

Pentru determinarea tensiunii de decalaj la intrare s-a folosti schema din figura urmtoare.

5

S-a determinat astfel valoarea tensiunii de decalaj la ieire: Voffout = 40mVvv, ceea ce nseamn c valoarea tensiunii de decalaj la intrare este:

= = 4094,11 = 0,425 = 425 Determinarea benzii de trecere a amplificatorului s-a realizat utiliznd acelai mod de conectare a

generatorului de semnal ca n cazul msurrii amplificrii difereniale, obinndu-se caracteristca urmtoare:

Schema amplificatorului de instrumentaie avnd filtre de ordin 1 la intrare i la ieire este

urmtoarea:

Calculul filtrului trece sus:

1 = R1 C1 = 121 = 12R1C1

1 = 12R1fsus = 16,28 5,1 103 0,1 = 13,2 103 = 0,3125 103 = 312,5 se alege valoarea standard de 330uF

Fcutoff = 40kHz 0Hz

94,11

66,54

Ampl

ifica

re

Frecven

Etapa 3

6

Calculul filtrului trece jos:

2 = R6 C2 = 121 = 12R6C2

1 = 12R6fjos = 16,28 200 103 100 = 11,256 108 = 0,796 108 = 7,96 se alege valoarea standard de 8,2nF

Adugnd la circuitul de baz cele dou condensatoare avnd valorile cele mai apropiate de cele

calculate, caracteristica de frecven a circuitului va arata ca n Anexa 1, fig.2.

Schema electronic a filtrului de rejecie a frecvenei de 50Hz este cea din figura alturata. n schema R1=R2=R3=R4=680k, C1=C2=C3=C4=4,7nF.

Utiliznd aceste valori, frecvena de taiere a filtrului va fi:

= 12 = 12RC = R C

n ceea ce privete amplasarea acestui filtru la intrarea sau la ieirea amplificatorului de instrumentaie, teoretic, oricare dintre aceste dou variante este corect, ea producnd acelai efect

asupra semnalului de ieire. Cu toate acestea, varianta de amplasare a filtrului Notch la ieirea

amplificatorului prezint un avantaj major fa de cea care const n amplasarea lui la intrare: zgomotul produs de elementele de circuit care compun filtrul nu va fi amplificat de cele dou etaje de amplificare.

Etapa 4

= 16,28 680 103 4,7 109 = 12,007 102 = 50

7

Schema utilizat pentru calculul zgomotului la de la intrarea unui amplificator operational este cea din figura urmtoare:

unde

ez2 densitatea spectral de putere a generatorului echivalent de zgomot la intrare (n tensiune), iz2 densitatea spectral de putere a generatorului echivalent de zgomot la intrare n curent, eg2 densitatea spectral de putere a zgomotului termic specific generatorului, Rg rezistenta interna a generatorului; Zgomotul generatorului depinde att de rezistena intern, ct i de temperatura mediului, astfel:

2 4g ge R kTR= Valorile alese pentru parametri care intervin in relaie sunt:

Rg = 1M k (constanta lui Boltzman) = 1.3806503 10-23 T (tempeartura ambiantal) = 300oK Printre tipurile de zgomot care pot intereni n funionarea circuitului, amintesc:

1. zgomotul roz: ( )2 1S ff

=

2. zgomotul rou: ( )2 21S ff

=

Consider c zgomotul ce apare la intrarea amplificatoarelor utilizate n circuit este doar zgomot roz, acestea avnd forma:

22 ( ) b Ve f a

f Hz

= +

(pentru zgomotul de tensiune) i

2

2 ( ) B Ai f Af Hz

= +

(pentru cel de current),

Densitatea total de zgomot poate fi calculat ntr-o anume gama a frecvenelor semnalului de la intrare prin integrare n limitele gamei precizate, resultnd relaiile urmtoare de calcul:

Etapa 5

+

-

8

2 22 1

1

( ) ln ( )fe f a b f ff

= + i 2 2

2 11

( ) ln ( )fi f A B f ff

= +

unde a, b, A i B sunt date de catalog, i anume:

a = 60 1014 2

b = 40 1015 2

A = 60 1022 2

B = 30 1025 2

Schema echivalent complet de zgomot a circuitului este cea din figura urmtoare:

pentru generatorul echivalent de tensiune de laintrarea amplificatorului operaional

pentru generatorul echivalent de tensiune de laintrarea amplificatorului operaional

9

Zgomotul la intarea primului etaj din amplificator este:

( )22 2 2 2 21 1 12 2 2 2g R z R g pZ e e e e i R R R= + + + + + + Zgomotul de la intatrea celui de- al II-lea etaj este:

( )22 2 2 22 5 7 5 72 2 2 2z R RZ e e e i R R= + + + + Zgomotul la ieirea amplificatorului va fi:

1 2( )out I IIZ A Z Z A= + ,

unde AI i AII sunt amplificrile primul i respective a celui de-al doilea etaj al amplificatorul de instrumentaie.

Pentru gama de temperaturi 0..50oC se citesc din catalog urmtarele valori pentru Uoffset si Ioffset:

Uoffset = 1mV, Ioffset = 2nA

Tensiunea de offset la intrare poate fi caltulat, pentru o valoare a lui Rg de 1M ca fiind:

+ = 1 + 2 = 3 Tensinea de drift, dat de producator este, n medie, de 15V/oC. Astfel, tensiunea minim de decalaj la intrare (pentru o temperatur ambiental de 0oC) este:

+ + (0 25) = 1 + 2 0,375 = 2,625 Iar valoarea tensiunii de offset maxim (pentru t = 50oC)

+ + (50 25) = 1 + 2 + 0,375 = 3,625

Ca posibile surse de zgomot care pot sa intervin n funcionarea amplificatorului de

instumentaie se idenfic:

generatoarele de zgomot echivalent de tensiune aflate la intrarea amplificatoarelor operaionale,

generatoarele de zgomot echivalent de curent situate n paralel cu cele dou intrri ale amplificatoarelor operaionale,

elementele pasive de circuit, care prezint zgomot termic propoional cu valoarea acestora.

Etapa 6

Etapa 7

10

Potrivit relaiei pentru determinarea zgomotuluui total al circuitului, 1 2( )out I IIZ A Z Z A= + , primul

etaj este cel care dicteaz, n ansamblu, performanele amplificatorului. De aceea am ales pentru cel de-al doilea etaj o amplificare fix de valoare 20, pe cnd primul etaj are o aplificare variabil, de aproximativ 2...5.

Ca surse externe de perturbaii (zgomote) ale acestui circuit trebuie menionat sursa de

alimentare (care poate sa aib valori tranzitorii care sa influeneze puternic performanele circuitului) dar i modul n care se realizeaz culegerea de semnal util. Pentru a diminua efectul aceasteia din urm,

am utilizat cabluri ecranate pentru intrrile de semnal ale circuitului, acestea fiind sensibile i din cauza impedanei mare de intrare.

n privina amplasarii componentelor pe cablajul imprimat, pentru eliminarea zgomotelor

specifice acestui mod de realizare practic s-au folosit urmtoarele principii:

elementele care aparin intrrii circuitului ai fost amplasate ct mai departe de cele ale ieirii sale (pentru a evita astfel cuplajul capacitivi dintre traseele imprimate ale ieirii i

cele ale intrrii, putndu-se atfel crea reacii pozitive), utilizarea masei stelate (punct comun de mas pentru traseele circuitului), i n acest mod

se reduce posibilitatea crerii de reacii pozitive n circuit, aplicarea pe cablaj a unui strat de protecie mpotriva oxidrii, ceea ce confer o bun

conservare a rezistenei traseelor n timp i mpiedic ntreruperea lor.

11

Anexe

Fig.1: Schema completa a amplificatorului de instrumentaie

Anexa 1: Scheme electronice i graficele simulrilor realizate

12

fig.2: Caracteristica de frecven a circuitului cu ambele filtre implementate

13

Fig. 3: Forma de und obinut la ieire pentru f = 200 Hz (circuitul fr filtre)

Fig.4: Cablajul realizat in Proteus Ares

/ /