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MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

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Presentazione sul tema: "MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)"— Transcript della presentazione:

1 MODULATORI INTERMEDI (CONDIZIONAMENTO ANALOGICO DEI SEGNALI)

2 CARATTERISTICA DI FUNZIONAMENTO DEL DIODO

3 STABILIZZATORE

4 DIODO RADDRIZZATORE GEN Ri

5 GEN Ri PONTE DI DIODI

6 +-TRIODO

7 TRIODO APPLICAZIONE: VOLTMETRO ELETTRONICO

8 Allinizio i terminali di ingersso sono in corto circuito, ossia le griglie G1 e G2 sono allo stesso potenziale. In queste condizioni si regola il cursore R in modo che le correnti anodiche T1 e T2 siano identiche: G non segna passaggio di corrente. In condizioni di lavoro, tra A e B vi è una d.d.p., che varia il potenziale di polarizzazione della griglia G1, quindi la corrrente anodica di T1, mentre G2, sempre a massa, lascia inalterata la corrente anodica di T2. Tra i due anodi si ha ora una d.d.p., quindi G segnerà un passaggio di corrente proporzionale a Vi.

9 VANTAGGI: impedenza di ingresso molto elevata (oltre 1 M ) impedenza di ingresso molto elevata (oltre 1 M ) T1 amplifica le variazioni di potenziale in griglia facilitando la misura di d.d.p. continue di valore assai basso ( V) T1 amplifica le variazioni di potenziale in griglia facilitando la misura di d.d.p. continue di valore assai basso ( V)

10 + - EVOLUZIONE DEL DIODO: ILTRANSISTOR N N P EMETTITORE COLLETTORE BASE

11 TRANSISTOR NPN PNP

12 SCHEMA DI FUNZIONAMENTO (NPN)

13 IL TRANSISTOR IN UN CIRCUITO (SCHEMA COMMON-EMITTER) valori tipici h FE = 20

14 IL TRANSISTOR IN UN CIRCUITO (SCHEMA COMMON-EMITTER) emitter in comune tra output ed input IBIBIBIB

15 Il funzionamento è dato dallintersezione tra la retta di carico del resistore RC e la carattteristica del transistor. La linea tratteggiata esprime la massima dissipazione del transistor: è un limite non oltrepassabile. La corrente di base è limitata da RB; Se IB cala, il punto di funzionamento si abbassa fino al cut-off (IB=0).

16 Se IB cresce il limite è dato dalla saturazione. In tale condizione V(emitter- collector ) è ad un valoire minimo di V con la massima corrente. CUT-OFF impedenza del transistor molto alta(interrruttore aperto) SATURAZIONEimpedenza del transistor molto bassa (interruttore chiuso)

17 IL CIRCUITO EMITTER-FOLLOWER

18 La resistenza effettiva di ingresso è 100 volte più grande di quella di uscita. Questo siginfica che la potenza richiesta al segnale di ingresso per pilotare il carico è molto minore di quella che si avrebbe nel caso di collegamento diretto tra lingresso ed il carico. Questo circuito Emitter-Follower funziona come un amplificatore di potenza e come adattatore di impedenza.

19 Per aumentare il rapporto di amplificazione lemettitore di un primo stadio può essere collegato con la base di un ulteriore transistor. Il guadagno in corrente è il prodotto dei due (1e2*1e2=1e4).

20 Oggigiorno i transistor più diffusi sono i FET (field effect transistors) e i MOSFET che, invece che in corrente, sono controllati in tensione.

21 AMPLIFICATORI

22 Lamplificatore viene visto come una scatola nera; può essere un semplice transistor o un circuito più complesso (integrato). Lalimentazione è tipicamente in DC. Un circuito di ingresso controlla il trasferimento di energia alluscita: il segnale in uscita deve avere un contenuto in potenza superiore a quello in ingresso: questo incremento in potenza è prelevato dallalimentazione

23 AMPLFICATORE Ri deve essere molto grande ed Ro deve essere molto piccola per il massimo guadagno in tensione

24 Il guadagno del circuito aperto in tensione è 100 volte. Se Ri=100 k R0=100, Rs=300 Determinare il guadagno totale in tensione ed in potenza quando a valle dellamplificatore si ha una resistenza di 50 e la sorgente in tensione è di 10 mV.

25 Stadio di ingresso: Tensione a circuito aperto: Stadio di uscita:

26 Potenza in uscita: Guadagno in tensione: Potenza in ingresso: Guadagno in potenza:

27 AMPLIFICATORE OPERAZIONALE

28 UN AMPLIFICATORE REALE

29 componente essenziale che puo comparire anche in piu punti di una catena di misura. puo svolgere varie funzioni

30 supponiamo di avere un sensore attivo (ad esempio una termocoppia), che produca un segnale in tensione di basso livello (ad es 10 mV) da un punto di vista elettrico esso puo essere visto come un generatore di tensione con unimpedenza in serie...

31 effetto di carico: V m R m I R m R m R 0 V 0 V 0

32 sensore attivo con segnale di basso livello due problemi: eseguire una misura di tensione a vuoto elevare il livello di tensione.

33 ELEMENTO BASE: AMPLIFICATORE AD ELEVATO GUADAGNO V u = A (V + -V - ) ; A=guadagno in ciclo aperto V u V alim VuVu ZiZi ZuZu INGRESSO INVERTENTE INGRESSO NON INVERTENTE

34

35 Valori reali: guadagno: V/V (teorico infinito) tensione di offset 1 mV a 25°C (teorico 0) correnti di bias iA, iB 10e-6 10e-14 A (teorico 0) impedenza di ingresso 10e5 10e11 (teorico infinito) impedenza di uscita 1 10 (teorico 0)

36 AMPLIFICATORE

37 in generale A é molto grande, idealmente Z i é molto grande, idealmente Z u é molto piccola, idealmente da cui le equazioni ideali: V + = V - ; I + = 0 ; I - = 0 A Z i Z u 0

38 ALTRI PARAMETRI IMPORTANTI: GUADAGNO IN TENSIONE DI MODO COMUNE: rapporto Vuscita/segnale uguale applicato su V+ e V- LARGHEZZA DI BANDA: frequenza in corrispondenza della quale il guadagno si riduce di volte rispetto alle basse frequenze OFFSET DI TENSIONE: V uscita quando V+=V- =0

39 LA RETROAZIONE A R Vo Vi + +

40 loop aperto loop chiuso

41 tornando al problema del sensore che fornisce un segnale in tensione piccolo come ridurre il fattore di carico?

42 AMPLIFICATORE SEPARATORE detto anche Voltage follower: è un caso particolare di circuito NON INVERTENTE

43 funziona come se...

44 se impongo che una frazione delluscita sia uguale allingresso... AMPLIFICATORE NON INVERTENTE V1V1 V2V2 V 0 R 0 R m R R /2 V2V2

45 schema generale: V 2 = V 1 ( 1 + R 2 / R 1 ) V A V 2 R 1 R 1 R 2

46 CASO PARTICOLARE R1>>R2: VOLTAGE FOLLOWER GUADAGNO Av=1 SI HA SOLO DISACCOPPIAMENTO

47 perché si chiama non invertente?

48 esiste un altro modo di realizzare un amplificatore che amplifica: AMPLIFICATORE INVERTENTE V 0 R 0 R m R 2 R 1 V 1 V 2 A I 1 I 2 0 V I 1 1 R 1 I V 2 2 R 2 V 2 = - V 1 R 2 / R 1 I1I1 I2I2

49 SCHEMA ED EQUAZIONI

50 Equazioni amplificatore invertente: impedenza di uscita Ro=0;i1=V1/R1, perchè R1 è molto alta i1=0; questo equivale a potenziale in E pari a 0 (E è detto terra virtuale). Kirchoff: i1=-i2 V1/R1= -Vo/R2; il guadagno è allora contano dunque solo i resistori esterni e non il guadagno dellamplificatore a circuito aperto.

51 Il discorso vale se limpedenza di ingresso Ri ed il guadagno A dellamplificatore sono grandi. Se si scrivono le equazioni rigorose in E (ove il potenziale è v1) Inoltre Vo=-Av1 da cui: Svolgendo i conti: La semplificazione vista prima vale solo se A è molto grande

52 Valori tipici: R1=100 k, R2=1 M, Ri=500 k, A=10e3. Dallespressione semplificata viene un guadagno: Vo/V1=-10e6/(100e3)=-10 Se si utilizza lespressione completa il guadagno è -9.87, con un errore di 1.3%. Spesso A è >10e3, per cui lapprossimazione è minore

53 OFFSET VOLTAGE E BIAS CURRENT CIRCUITO INVERTENTE NEL CASO GENERALE: eB=eA+Vos da cui

54 con R3=0 con R3=R ERRORE 1/R=1/R1+1/R2+1/R3 caso R3=R:lerrore dovuto alla corrente di bias è proporzionale a (iA-iB), circa 10 volte più piccolo di quello legato alle sole iA o iB possibili soluzioni più raffinate sono mostrate nella pagina seguente

55 BILANCIAMENTO MANUALE annulla problemi di bias current e offset voltage, ma la correzione va ripetuta nel tempo. ALTRA SOLUZIONE ( se predomina corrente di bias: iBR1>5mV)

56 Esempio: caso del follower: eo=(ea-eb-Vos)A In teoria: eo=(ei-eo-0)infinito eo/infinito=ei-eo; ei=eo con A=1e6,Vos=1mV, si ha: eo=0.9999ei , una buona approssimazione se e0>>1mV Vos b a eo ei Valori tipici: eo=10V con 10mA

57 APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO LAMPLIFICATORE OPERAZIONALE CIRCUITO SOMMATORE (invertente) -if=i1+i2+i3

58 APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO LAMPLIFICATORE OPERAZIONALE CIRCUITO SOMMATORE (non invertente) Eo=E1+E2

59 APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO LAMPLIFICATORE OPERAZIONALE CIRCUITO INTEGRATORE Caduta di tensione sulla capacità: ii= -i (terra virtuale); i2= - (Vi/Ri); ne viene che

60 APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO LAMPLIFICATORE OPERAZIONALE CIRCUITO DERIVATORE ii= -if (terra virtuale);

61 APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO LAMPLIFICATORE OPERAZIONALE CIRCUITO MOLTIPLICATORE E DIVISORE

62 APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO LAMPLIFICATORE OPERAZIONALE CONVERTITORE CORRENTE TENSIONE E un follower con R tra lingresso non invertente e terra. V2=iin R; v1=Vo, Vo=A(v2-v1) Vo(1+A)=A iin R Vo=A iin R/(1+A); A grande Vo=iin R

63 APPLICAZIONI CHE SFRUTTANO LAMPLIFICATORE OPERAZIONALE CONVERTITORE TENSIONE CORRENTE E un tipico non invertente ove i di feedback è la base del segnale di uscita. v1=ioutR, v2=Vin Vo=ioutRL=A(v2-v1)Vo=A(Vin-ioutR) iout(RL+AR)=AVin, con A ioutAR=AVin; iout=Vin/R

64 consideriamo ora un sensore passivo, inserito in un circuito a ponte: se usassi uno degli amplificatori visti precedentemente cortocircuiterei un ramo del ponte! V V 0 R+ R R+ R R R R m ?

65 CONFIGURAZIONE DEGLI AMPLIFICATORI UNIPOLAREDIFFERENZIALE ZiZi ZiZi ZuZu ZuZu VuVu VuVu

66 torniamo dunque al ponte... lamplificatore differenziale separa il circuito di trasduzione dallelemento terminale, consentendo due collegamenti di terra indipendenti. V V 0 R+ R R+ R R R R m

67 LAMPLIFICATORE DIFFERENZIALE NODO X NODO Y

68 Vo=A(v1-v2) con A grande R4/R3 e R2/R1 possono essere rese uguali

69 I segnali sono in genere composti da due parti distinte: il segnale COMMON MODE (media degli ingressi) il segnale DIFFERENCE MODE (differnza degli ingressi) Idealmente lamplificatore differenziale dovrebbe riguardare solo il segnale differenziale, tuttavia anche il segnale comune viene in qualche modo amplificato.

70 CMRR è definito come il rapporto tra il guadagno della tensione differenziale e il guadagno della tensione comune. Tale valore deve essere il più alto possibile. Valori tipici di CMRR: 90dB, ciò significa che lo stesso segnale applicato ai due ingressi darà unuscita circa volte più piccola di quella data da un segnale applicato ad uno solo dei due ingressi.

71 Esempio: riduzione del rumore

72 DA RICORDARE !!! SIMBOLI DI MESSA A TERRA GROUND CHASSIS

73 AMPLIFICATORE IN CORRENTE R1 Vi Rf Rs ii io is vi è circa 0, VX= - iiRf io=ii+is, VX= - isRs VX GUADAGNO IN CORRENTE: Aic=io/ii= - (VX/Rf+VX/Rs)/-VX/Rf =

74 AMPLIFICATORE PER STRUMENTAZIONE

75 PREGI: Alta impedenza di ingresso e bassa impedenza di uscita Alto CMRR Basso livello di rumore Basso offset drift (effetto della temperatura)

76 In A la tensione è v1, in B è v2.V1=v1-v2 è la caduta su R1; I=V1/R1. v1=v1+R2V1/R1 v2=v2+R2V1/R1 v1-v2=V1[1+2(R2/R1)] X terra virtuale, i1=i2; (v1-vX)/R3=(vX-Vo)/R4 Ingresso differenziale in A3 è virtualmente 0, vX=vY Ingresso non invertente: (v2-vY)/R5=vY/R6

77 Si ricava Ma è anche: da cui AD=R4/R3 ed anche AD=R6/R5. Il rapporto tra ingresso ed uscita è: Vo=(R4/R3)[1+2(R2/R1)]V1

78 u Il quarzo ha una elevata impedenza di uscita u Limpedenza di ingresso dellamplificatore deve essere molto maggiore u Due possibilità: - amplificatore in tensione - amplificatore in tensione - amplificatore in carica - amplificatore in carica AMPLIFICATORI IN TENSIONE E IN CARICA

79 AMPLIFICATORE IN TENSIONE RaRaRaRa CaCaCaCa RcRcRcRc CcCcCcCc RpRpRpRp CpCpCpCp QaQaQaQa VoVoVoVo accelerometrocavopreamplificatore + - adattatore di impedenza con G = 1

80 SVANTAGGI: luscita varia al variare di: u capacità del cavo u resistenze di contatto u umidità e sporcizia nei contatti

81

82 RaRaRaRa CaCaCaCa RcRcRcRc CcCcCcCc RpRpRpRp CpCpCpCp QaQaQaQa VoVoVoVo CfCfCfCf RfRfRfRf accelerometrocavopreamplificatore AMPLIFICATORE IN CARICA

83 VQC CCCC G o a f acpf Se le resistenze R i sono piccole: essendo: G: guadagno dellamplificatore operazionale Siccome G è molto elevato: VQC o a f

84 SVANTAGGI: Alle alte frequenze il cavo lungo si comporta da filtro passa-basso La resistenza R f limita la risposta per frequenze inferiori di Questa resistenza è spesso introdotta per eliminare le fluttuazioni a bassa frequenza f R C ff 12

85 FINE

86 AMPLIFICATORE SEPARATORE

87 AMPLIFICATORE NON INVERTENTE R 1 V 1 V 2 A R 2

88 AMPLIFICATORE INVERTENTE V 0 R 0 R m R 2 R 1 V 1 V 2 A

89 torniamo ora alla termocoppia e consideriamo i collegamenti di terra si crea una maglia di terra! k V 0 R m V T Z T Z 2 Z 1 R c /2 R c /2 I T

90 leffetto risultante é: V s = tensione serie V mc = tensione di modo comune V = V 0 + V s

91 se invece utilizziamo un amplificatore differenziale: V 0 R m Z 1 R c /2 R c /2 k V T Z T Z 2

92 per la simmetria ora, idealmente: V = k V 0 in realtà: V = k (V 0 + V mc / CMRR) ove CMRR= Common Mode Rejection Ratio

93 come si puo realizzare un amplificatore differenziale?

94 ad esempio combinando uno schema invertente e uno non invertente: R 1 V 1 V 2 C R 1 R 2 R 2 VAVA VBVB V R 2 R 1 V A V B R 2 R 1 V 1 V C V A R 2 R 1 R 2 V 2 R 2 R 1 V B R 1 R 2 R 1 V C

95 infine, un tipico... AMPLIFICATORE PER STRUMENTAZIONE R R V 3 R R R 2 V 1 R 2 V 2 R 1 V 3 1 2R 2 /R 1 V 1 V 2

96 ricapitolando... Lamplificatore svolge una funzione di raccordo fra il trasduttore primario e lelemento terminale di rivelazione.

97 In particolare: disaccoppiamento energetico fra circuito di trasduzione e circuito di rivelazione (separatore) amplificazione del segnale di ingresso (amplificatore) isolamento (parziale o totale) del circuito di trasduzione da quello di rivelazione (differenziale o isolatore)

98 RISERVE


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