AMPLIFICATOARE DE MASURA

AMPLIFICATOARE DE MASURA

Amplificatoarele masura, sunt utilizate in procesul de masurare, pentru cresterea pragului de sensibilitate si deci masurarea unor tensiuni, curenti, puteri de valori mici, pentru extragerea semnalului metrologic din zgomot, etc.

Amplificatoarele pot face incluse in aparatele de masurare electronice sau pot fi concepute ca dispozitive independente.

Ca si in cazul reductoarelor de semnal, cu care sunt complementare, amplificatoarele, dupa marimea pe care o prelucreaza se clasifica in:

• amplificatoare de tensiune;
• amplificatoare de curent;
• amplificatoare de putere;

In cazul amplificatoarelor mai exista si amplificatoare de sarcina.

Pe langa aceste amplificatoare, exista o multitudine de amplificatoare speciale, dintre care pot fi amintite:

• Amplificatoarele logaritmice, care, prin comprimarea scarii aparatelor de masurare, permit largirea intervalului de masurare. Se fac, astfel, masurari in domenii de variatie ale masurandului foarte mari, fara schimbarea scarii de masura a aparatelor;
• Amplificatoare selective, care prin amplificarea semnalelor doar intr-o banda foarte ingusta de frecventa, permit selectarea semnalului de frecventa dorit din multitudinea semnalelor si/sau zgomotelor ce il insotesc;
• Amplificatoare cu modulare-demodulare, care permit masurarea tensiunilor continue foarte mici (sub 1-3 mV) sau in general extragerea din zgomot a semnalelor;
• Amplificatoare de izolare, la care iesirea amplificatorului este izolata galvanic de intrarea lui, in vederea: amplificarii unui semnal care este suprapus peste o tensiune de mod comun foarte inalta, de ordinul sute sau mii de volti; protectiei obiectului de masurare sau a operatorului. Transmisia semnalelor intre cele doua parti separate galvanic, la nivelul barierei de izolare, se face prin mai multe metode: magnetice (transformatoare de izolare); optice (optocuplor sau fibra optica); capacitive; transfer termic, etc.

O categorie speciala de amplificatoare o constituie amplificatoarele operationale.

3.4.1 CONFIGURATII DE BAZA UTILIZAND AMPLIFICATOARE OPERATIONALE

Un amplificator operational poate fi privit ca un cuadripol avand o amplificare sau castig in bucla deschisa foarte mare (), o impedanta de intrare diferentiala foarte mare () si o rezistenta de iesire foarte mica (de ordinul zeci de W

Datorita caracteristicilor sale el este larg raspandit avand multiple aplicatii: prelucrarea semnalului, masurari si instrumentatie, calcul analogic (poate realiza functiile de calcul clasice - adunarea, scaderea, multiplicarea, impartirea, extragerea radacinii patrate, integrarea, derivarea -), controlul si reglarea sistemelor.

Schema simplificata a amplificatorului operational este data in Fig. 3.10.

Caracteristica de transfer de transfer este liniara:

(3.43)

Intrucat amplificarea diferentiala, A_d, este foarte mare, iar tensiunea de iesire este de ordinul catorva volti, rezulta ca tensiunea diferentiala, U_d , este in general sub 1 mV, ceea ce inseamna ca bornele de intrare sunt aproape la acelasi potential.

De asemenea, deoarece rezistenta de intrare diferentiala, R_d, este foarte mare, rezulta curenti de polarizare pe cele doua intrari - pozitiva si negativa - I⁺ si I^-, foarte mici, deci apropiati de zero.

Pentru un amplificator operational ideal se considera ca:

(3.44)

(3.45)

Datorita nesimetriei intre etajele diferentiale ale amplificatorului operational, in coditii reale, acesta prezinta si o amplificare parazita, denumita amplificare de mod comun, A_mc.

Astfel chiar daca cele doua tensiuni de la intrare lui sunt egale (), tensiunea de iesire, U₂, nu este zero cum rezulta din (3.43), ci are o valoare, .

(3.46)

Adica o tensiunea de mod comun, U_mc, care apare pe ambele borne ale amplificatorului, da nastere unei tensiuni de iesire.

Pentru caracterizarea imunitatii amplificatoarelor operationale la tensiunile de mod comun s-a introdus parametrul raportul rejectiei de mod comun, RRMC, ca fiind raportul dintre tensiunea de mod comun U_mc si o tensiune de intrare diferentiala U_i care au acelasi efect la iesire.

RRMC exprimat in dB este:

[dB] (3.47)

unde tensiunea de intrare diferentiala satisface relatia:

(3.48)

Din relatiile (3.46), (3.47) si (3.48), rezulta ca:

[dB] (3.49)

Dintre configuratiile amplificatoarelor operationale cu reactie negativa se vor prezenta:

• amplificatorul inversor;
• amplificatorul neinversor;
• amplificatorul diferential.

a) Amplificatorul inversor este prezentat in Fig. 3.10b.

Tinand cont de faptul ca tensiunea intre bornele plus si minus ale AO este aproximativ egala cu zero, rezulta ca:

(3.50)

(3.51)

Deoarece curentii de intrare in AO sunt aproximativ egali cu zero, rezulta ca:

(3.52)

Din relatia (3.50) se determina I₁.

(3.53)

Din relatiile (3.51), (3.52) si (3.53), rezulta valoarea tensiunii de iesire, U₂,

(3.54)

In cazul amplificatorului inversor tensiunea de intrare este aplicata pe borna inversoare, iar tensiunea de iesire are polaritate inversa fata de cea de intrare.

b) Amplificatorul neinversor este prezentat in Fig. 3.11a

Tinand cont de faptul ca tensiunea intre bornele plus si minus ale AO este aproximativ egala cu zero si curentii de intrare in AO sunt aproximativ egali cu zero, rezulta urmatoarele relatii:

(3.55)

(3.56)

(3.57)

Din (3.55) rezulta:

(3.58)

Din (3.56) si (3.57), rezulta:

(3.59)

Astfel tensiunea de iesire U₂ este:

(3.60)

In cazul amplificatorului neinversor tensiunea de intrare este aplicata pe borna neinversoare, iar tensiunea de iesire are aceiasi polaritate cu tensiunea de intrare.

c) Amplificatorul diferential este prezentat in Fig. 3.11b.

Pentru determinarea tensiunii de iesire U₂ se aplica suprapunerii efectelor.

Tensiunea U₂ este suma dintre tensiunea la iesire U₂₁ datorata tensiunii aplicata pe intrarea inversoare, U₁₁, si tensiunea la iesire datorata tensiunii aplicate pe intrarea neinversoare U₁₂.

(3.61)

Astfel cand la intre se aplica U₁₁, iar U₁₂ 0, circuitul devine inversor, iar tensiunea la iesire este:

(3.62)

Cand la intrare se aplica U₁₂, iar U₁₁ = 0, circuitul devine neinversor, iar tensiunea la iesire este:

(3.63)

Din Fig. 3.11b rezulta ca:

(3.64)

Deci:

(3.65)

Prin suprapunerea efectelor, tensiunea la iesirea amplificatorului diferential este:

(3.66)

Astfel este amplificata diferenta dintre cele doua tensiuni aplicate la intrare.

3.4.2 AMPLIFICATORUL DE INSTRUMENTATIE

3.4.2.1. SCHEMA ELECTRICA SI PREZENTARE

Amplificatorul de instrumentatie se caracterizeaza prin: impedanta de intrare mare; amplificare diferentiala reglabila; rejectia perturbatiilor de mod comun mare.

El este reprezentat in fig. 3.12 si este alcatuit din:

Amplificatorul de instrumentatie propriu zis, compus din amplificatoarele operationale A₁, A₂, A₃ si rezistentele R₀, 2 R₁, 2 R₃, 2 R₄.

Circuitul de obtinere a tensiunii, U_g, de comanda a garzii (garda amplificatorului si a ecranului cablului coaxial de preluare a tensiunii de intrare), compus din doua rezistente de valoare R₂ si amplificatorul operational A₄, in configuratie de repetor de tensiune.

a) Ecuatia de functionare

(3.67)

Pentru calculul amplificarii (castigului) A se pleaca de la faptul ca valorile curentului I prin rezistentele R₁ (din reactia lui A₁), R₀, si R₁ (din reactia lui A₂) sunt egale. Aceasta se intampla in ipoteza ca amplificatoarele operationale A₁ si A₂ sunt ideale (curentii la bornele minus sau plus ale amplificatoarelor operationale sunt zero) .

Se scriu valorile celor trei curenti tinand cont ca pentru amplificatoarele operationale ideale tensiunea intre bornele de intrare plus si minus este zero.

(3.68)

Din a doua si din a treia egalitate se obtin pentru tensiunile U₂₁ si U₂₂ valorile.

(3.69)

(3.70)

Cele doua rezistente R₃, doua rezistente R₄ si A₃ formeaza un amplificator diferential a carui tensiune de iesire este:

(3.71)

Inlocuind expresiile lui U₂₁ si U₂₂ date de (2.20) si (2.21), se obtine:

(3.72)

b). Gardarea intrarii

Pentru a reduce influenta impedantei cablului de conexiune electrod - amplificator, ecranul acestui cablu trebuie conectat la un potential U_g cat mai apropiat de cel al "firului cald" (firul central), operatie ce este denumita gardare.

In vederea obtinerii tensiunii U_g se utilizeaza rezistentele R₂, precum si amplificatorul repetor A₄.

Prin intermediul celor doua rezistente de valoare R₂ se sumeaza tensiunile U₂₁ si U₂₂ rezultand tensiunea U.

(3.73)

Daca se inlocuiesc valorile lui U₂₁ si U₂₂, date de relatiile (2.20), (2.21) se obtine:

(3.74)

Considerand sursa de semnal simetrica:

(3.75)

(3.76)

unde V_mc este tensiunea perturbatoare de mod comun si "e" este tensiunea de interes (ea apare ca tensiune diferentiala, ), rezulta ca:

(3.77)

Tensiunea astfel obtinuta este aplicata amplificatorului repetor A₄ si mai departe conectata la "garda" cablului de conexiune electrozi - amplificator.

(3.78)

Daca e << V_mc (cazul amplificarii unui semnal diferential de nivel scazut in prezenta unei tensiuni perturbatoare de mod comun de nivel mare), potentialele firelor centrale ( si ) sunt aproximativ egale cu V_mc, deci ele au acelasi potential ca si ecranul de garda (U_g).

Observatii:

Amplificarea sau castigul amplificatorului de instrumentatie este .

Amplificarea poate fi stabilita sau reglata dintr-o singura rezistenta (rezistenta R₀). Acesta este un avantaj al amplificatorului de instrumentatie fata de amplificatorul diferential simplu (amplificatorul A₃, din figura 2.6) unde trebuie reglate simultan cele doua rezistente de valoare R₄ sau cele doua rezistente de valoare R₃ pentru a modifica castigul.

Comparand tensiunile de la intrarea amplificatorului de instrumentatie

cu tensiunile de la intrarea amplificatorului diferential U₂₁ si U₂₂ obtinute prin inlocuirea lui si in relatiile (2.20) si (2.21).

se observa ca tensiunea de mod comun nu a fost amplificata de amplificatoarele A₁ si A₂ (pentru V_mc castigul este 1), iar tensiunea de mod diferential "e" a fost amplificata de ori. Acest lucru este echivalent cu o crestere a raportului rejectiei de mod comun la amplificatorul de instrumentatie fata de cel al amplificatorului diferential, adica:

Pentru ca raportul rejectiei de mod comun sa fie mare, trebuie ca raportul rezistentelor R₄ si R₃ de la intrarea minus a lui A₃ sa fie egal cu raportul rezistentelor R₄ si R₃ de la intrarea plus a lui A₃ si din acest motiv o rezistenta R₄ trebuie sa permita un reglaj fin.