37063 – Fondamenti di Elettronica
per l’Automazione - Moduli 1 e 2
Circuiti quasi-lineari
per il condizionamento di segnali – Parte 2 –
Amplificatore non invertente, Amplificatore alle
differenze, Amplificatore per strumentazione,
Condizionamento
Alberto Santarelli
Sommario
•
Amplificatore non invertente con OPAMP in feedback
•
Amplificatore alle differenze
•
Amplificatore per strumentazione
•
Condizionamento dei segnali
•
Prodotto guadagno-banda
A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione
2
Amplificatore non invertente
con OPAMP in FB
Il secondo schema fondamentale
di utilizzo degli OPAMP per
applicazioni quasi-lineari è quello
dell’amplificatore non invertente
Analisi semplificata
Hp.:
#$
1. π
!"
β∞Ω;
2. CCV: π % = π &
π
'
π! = π = π =
π
π
' + π
( )
&
%
π*
π
(
=1+
π!
π
'
A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione
ovvero:
Guadagno desensibilizzato
in centro banda dell’amplificatore
non invertente con OPAMP in FB
3
Amplificatore non invertente
con OPAMP in FB
Analisi completa
Unica ipotesi:
#$
π
!"
β∞Ω
Scriviamo il vincolo del circuito:
π
'
π!" = π − π = π! −
π*
π
' + π
(
&
%
A questo va affiancato il vincolo dell’OPAMP
π
'
π* = π΄" π! − π΄"
π* + π*# ⇒
π
' + π
(
π* =
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π* = π΄" π!" + π*#
π΄"
π
'
1 + π΄"
π
' + π
(
π! +
π*#
1 + π΄"
π
'
π
' + π
(
4
Analisi della risposta in centro banda
Dalla analisi dei risultati ottenuti si evince che il valore del
guadagno open loop del circuito in centro banda vale:
π
'
πΉ = π΄"
π
' + π
(
OPEN LOOP GAIN
(centro banda)
qnt. reale
Si noti che avendo assunto π!" = π & − π % , risulta π΄" > 0, pertanto πΉ > 0
In conclusione, se il guadagno differenziale dell’OPAMP soddisfa la
condizione:
π
'
π΄"
β«1
π
' + π
(
allora:
ovvero:
π*
π
( 1
π = β1+
≡
π!
π
' π»
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π
(
π΄" β« 1 +
π
'
Condizione di
desensibilizzazione
Guadagno desensibilizzato
in centro banda dell’amplificatore
non invertente con OPAMP in FB
5
Calcolo di π
! e di π
"
Come si osserva dallo schema circuitale, l’ingresso dell’amplificatore
vede in serie la resistenza differenziale π
!" dell’OPAMP. Pertanto:
#$
π
! β π
!"
β∞Ω
Per quanto riguarda la π
* ,
spegnendo la sorgente di
ingresso si ottiene:
Il circuito coincide con quello già
analizzato nel caso del calcolo
della π
* dell’amplificatore
invertente. Pertanto:
π
* = 0 Ω
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6
Buffer o Circuito separatore
CCV
⇒
π* = π!
Comportamento da
INSEGUITORE DI TENSIONE
(simile a Emitter Follower con BJT
ma senza alcuna traslazione)
Il circuito funziona anche da CURRENT BOOSTER in quanto è in
grado di erogare eventuali correnti consistenti richieste dal carico,
grazie allo stadio push-pull di uscita dell’OPAMP
Infine, lo schema presenta π
! = ∞ Ω e π
* = 0 Ω
Il circuito può quindi essere usato come Buffer, o circuito separatore, in
casi in cui occorre connettere un carico di valore π
! non sufficientemente
elevato da non perturbare il circuito a monte (e.g., sensore)
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7
Buffer
es. sensore
Effetti di carico alle
sezioni di ingresso e
uscita sono trascurabili
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Carico non ottimo
perché π
+ di valore
confrontabile con π
,
8
Circuito Buffer – Analisi completa
π!" = π & − π % = π! − π*
Sostituisco in:
π* = π΄" π!" + π*#
π* = π΄" π! − π΄" π* + π*#
⇒
π΄"
π*#
π* =
π! +
1 + π΄"
1 + π΄"
Quindi: π΄ ≡ π΄" , πΉ = π΄π» = π΄" , π» = 1
In conclusione, il buffer corrisponde
al circuito in retroazione unitaria dell’OPAMP
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9
Amplificatore alle differenze
Studiamo ora un circuito con
OPAMP in FB che implementi
un amplificatore a due ingressi.
Eseguiamo l’analisi semplificata
πΆπΆπ ⇒ π % = π &
Calcoliamo separatamente
π % e π & per poi uguagliarli al
fine di ottenere il guadagno desensibilizzato in centro banda. Ricordando
#$
che π
!"
β ∞:
π
(
π
'
π =
π +
π
π
' + π
( !' π
' + π
( *
π
&
π =
π!(
π
. + π
%
(ottenuta applicando la
sovrapposizione degli effetti)
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Quindi:
→
10
Amplificatore alle differenze
Imponiamo l’uguaglianza π % = π & :
π
(
π
'
π
π!' +
π* =
π!(
π
' + π
(
π
' + π
(
π
. + π
π
'
π
(
π
π =−
π +
π
π
' + π
( *
π
' + π
( !' π
. + π
- !(
π
(
π
' + π
( π
π* = − π!' +
π!(
π
'
π
' π
. + π
π
(
1 + π
( ⁄π
'
π* = − π!' +
π
π
'
1 + π
. ⁄π
- !(
π
(
1 + π
' ⁄π
(
π* = −
π!' −
π!(
⁄
π
'
1 + π
. π
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e risolviamo rispetto a π* :
Esprimendo π* in
funzione di π!' e π!( ci
si aspetta una
relazione del tipo:
π* = π΄' π!' + π΄( π!(
La stessa espressione
può essere però
messa anche in una
seconda forma
raccogliendo − π
( ⁄π
'
11
Amplificatore alle differenze
Dalle relazioni trovate si evince che questo circuito può essere usato in
due diverse modalità:
1. Come Amplificatore Differenziale, quando si scelgono i quattro
resistori in modo da soddisfare la relazione
π
' π
.
=
π
( π
-
Infatti, in questo modo:
π
(
π* = −
π!' − π!(
π
'
A fronte di un OPAMP con π΄#$
" sufficentemente grande da
soddisfare la condizione di desensibilizzazione, il guadagno
differenziale del circuito in FB diventa pari a π΄" = − π
( ⁄π
'
2. Come Amplificatore alle differenze, quando si scelgono i quattro
resistori in modo che:
π
' π
.
≠
π
( π
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12
Amplificatore differenziale non-bilanciato
L’amplificatore differenziale che si ottiene ponendo π
' ⁄π
( = π
. ⁄π
- è, in
qualche misura, sub-ottimo. Infatti, esso è non perfettamente bilanciato.
Per rendersene conto, calcoliamo le due resistenze agli ingressi:
π£!'
π
!' =
8
π' /
π
!(
!" 0)
•
•
Nella parte cerchiata sono
spente le sorgenti ⇒ π & = 0
πΆπΆπ ⇒ π % = π & = 0
π
!'
π
!' = π
'
π£!(
π
!( =
8
π( /
#$
π
!"
β ∞ ⇒ π
!( = π
. + π
-
!# 0)
Ne segue, in generale:
π
!' ≠ π
!(
L’amplificatore può comunque essere usato, purché: π
!' β« π
1' , π
!( β« π
1(
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13
Resistenza di uscita
π*
π
* = 8
πΌ* /!#0)
/$"0)
Spegnendo entrambe le sorgenti alle porte di ingresso, il circuito
diventa identico a quello già studiato sia per l’amplificatore
invertente che non invertente
Pertanto si conclude che anche nel caso dell’amplificatore alle
differenze:
π
* = 0
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14
Amplificatore per strumentazione
Vediamo una versione migliorata dell’amplificatore differenziale. Per
rendere bilanciato lo schema, si antepone un pre-stadio opportuno
π
!' = π
!( β ∞
π
* = 0
L’intero circuito deve essere realizzato in forma integrata (IC) per
garantire il massimo bilanciamento del pre-stadio (OPAMP 1 e 2
identici)
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15
Analisi dell’amplificatore per strumentazione
Eseguiamo l’analisi del pre-stadio, applicando la sovrapposizione
degli effetti di un puro modo differenziale e di un puro modo comune
MODO
DIFFERENZIALE
π!2 = 0 ⇒ π!' = −π!(
Assumendo πΆπΆπ ⇒ ππ΄1: π % = π & = π!' ; ππ΄2: π % = π & = π!(
π!' − π!( π!"
⇒ πΌ3 =
=
π
π
#$'
#$(
Inoltre, poiché π
!"
= π
!"
β ∞, la
corrente sulle π
4 è uguale a quella su π
4
2π
4
π!"
= π!'4 − π!(4 = π
+ 2π
4 πΌ3 = 1 +
π!"
π
π!24 = 0
Infatti:
π!'4 = π!' + π
4 πΌ3
π!(4 = π!( − π
4 πΌ3
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Guadagno
differenziale
del pre-stadio
π!' = −π!( ⇒ π!'4 = −π!(4
16
Analisi dell’amplificatore per strumentazione
MODO
COMUNE
π!" = 0 ⇒ π!' = π!(
Assumendo πΆπΆπ ⇒ ππ΄1: π % = π & = π!' ; ππ΄2: π % = π & = π!(
π!' − π!( π!"
⇒ πΌ3 =
=
=0
π
π
π!'4 = π!'
π!(4
= π!(
Il modo comune non
dà contributo alla
uscita differenziale
Quindi è nulla anche
la corrente sulle π
4
π!' = π!( ⇒ π!'4 = π!(4
4
π!"
= π!'4 − π!(4 = 0
Quindi sovrapponendo
gli effetti:
= π!' = π!(
π!24
= π!2
Il pre-stadio ha
guadagno di modo
comune unitario
π
( 4
π
(
2π
4
π* = − π!" = −
1+
π!"
π
'
π
'
π
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17
Condizionamento del segnale
Torniamo all’amplificatore alle differenze, nel caso generale in cui
π
' ⁄π
( ≠ π
. ⁄π
- e vediamo come può essere impiegato per il
condizionamento del segnale
ADC ≡ Analog-to-Digital Converter
FS ≡ Fondo scala
π$56 π‘ ∈ 0 ÷ π7,
π, π‘ ∈ π,,9!: ÷ π,,9;<
Lo swing di tensione all’ingresso
dell’ADC deve essere massimizzato per
consentire di sfruttare appieno il range
dinamico dell’ADC 2= = π Δπ = π ⁄π
7,
Condizionare il segnale π, π‘ significa amplificarlo e traslarlo in modo
che π$56 π‘ vari tra 0 e π7, , quando π, π‘ varia tra π,,9!: e π,,9;<
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18
Condizionamento del segnale
(operazione lineare)
πβΆ0
π$56 = ππ, + π
πβΆ0
Quattro casi possibili in
funzione dei segni di π e π
Relazione lineare in cui π rappresenta il guadagno e dove π serve
a traslare il segnale (offset)
L’amplificatore alle differenze offre una relazione I/O del tipo:
π* = π΄' π!' + π΄( π!(
con:
π
(
π΄' = −
<0
π
'
1 + π
( ⁄π
'
π΄( =
>0
1 + π
. ⁄π
-
ingresso 1
invertente
ingresso 2
non invertente
può essere usato per il condizionamento applicando
il segnale π, (single-ended) ad uno dei due ingressi e collegando l’altro
ingresso ad una tensione di riferimento π3>7 per realizzare un offset
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19
Criterio di progettazione
Quattro casi possibili:
1.
2.
π!' = π,
π!' = π,
π!( = π3>7 > 0
π!( = π3>7 < 0
⇒ π* = π΄' π, + π΄( π3>7
3.
4.
π!' = π3>7 > 0
π!' = π3>7 < 0
π!( = π,
π!( = π,
⇒ π* = π΄' π3>7 + π΄( π,
π<0
πβ·0
πβ·0
π>0
•
il segnale π, dovrà essere applicato all’ingresso invertente (1) o
non invertente (2) dell’amplificatore alle differenze a seconda che π
sia negativo o positivo, rispettivamente
•
Il valore π3>7 consente di implementare π = π΄( π3>7 (casi 1, 2)
oppure π = π΄' π3>7 (casi 3, 4) e dovrà avere lo stesso segno di π
(casi 1, 2) oppure segno opposto (casi 3, 4)
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20
Esempio
Si voglia utilizzare un diodo come sensore di temperatura (π = π)
TERMISTORE
π, π = π, π3>7
ππ,
8
+
ππ E
π E
π − π3>7
%&'
π E β −2ππ/°πΆ
per giunzioni basate su ππ, su ampi intervalli di π
Supponiamo che π ∈ −25 ÷ 100 °πΆ e che l’ingresso dell’ADC necessiti
di un segnale π$56 ∈ 0 ÷ 5 π
Supponiamo infine che π, = 0.6 π quando π = π3>7 = 25°πΆ e πΌF = πΌFG
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21
Relazione per il condizionamento
25°πΆ → −25°πΆ ⇒ π₯π = −50°πΆ ⇒ π₯π = π ! π₯π = − 2ππ⁄°πΆ × −50°πΆ = +100ππ
25°πΆ → 100°πΆ
⇒ π₯π = +75°πΆ ⇒ π₯π = π ! π₯π = − 2ππ⁄°πΆ ×75°πΆ
Equazione della retta:
π=−
π"#$ = π π% − 0.7
π&%
5π
=−
= −20
Δπ'('
0,25π
π
= −150ππ
π₯π!"! =250 mV
π"#$ = 0 per π% = 0.7 π
π = −0.7 π ⋅ π = −0.7 ⋅ −20 = 14
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22
Implementazione del circuito (cenni)
π = −20 < 0
• π, → π!'
•
⇒
π = 14 > 0 ⇒
π$56 = −20 π, + 14
π
(
π = π΄' = −
= −20
π
'
⇒
π
(
= 20
π
'
Colleghiamo inoltre una π3>7 > 0 all’ingresso π!( in modo che:
π = π΄( π3>7
1 + π
( ⁄π
'
=
π3>7 = 14 ⇒
1 + π
. ⁄π
-
Ad es. per π3>7 = 5 π, si otterrebbe:
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π
. 1 + π
( ⁄π
'
=
π3>7 − 1
π
π
π
.
= 6.5
π
-
23
Un possibile schema circuitale
π
# necessaria
per polarizzare
il diodo con
πΌ# = πΌ#$
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Occorre :
π
% β« π
&%
π
' + π
( β« π
&)
dove:
π
&% e π
&)
andrebbero
calcolate con
analisi AC
24
Compensazione degli OPAMP
•
•
•
Gli OPAMP per applicazioni quasi-lineari presentano risposta in
frequenza passa basso
Quasi sempre, per evitare che diano luogo a instabilità quando
chiusi in retroazione, gli OPAMP vengono COMPENSATI,
ovvero si introduce appositamente un polo (detto dominante) ad
una frequenza π#+ (open loop) tale che π#+ βͺ π' , dove π' è la
frequenza del primo polo naturale
Se privati del polo dominante, gli OPAMP manifesterebbero un
numero molto elevato (π) di poli naturali a frequenze
π' < π( < β― < π=
abbastanza simili tra loro. Queste sono le frequenze alle quali i
transistori, manifestano effetti di memoria (effetti reattivi, dinamica)
Es.
π#+ β 10 π»π§
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π' β 10 ππ»π§
25
Risposta in frequenza
degli OPAMP compensati
Gli OPAMP compensati mostrano quindi un guadagno differenziale che,
fino a frequenze molto elevate (β π' ), è ben rappresentabile da una
funzione a singolo polo
Dagli esempi studiati, si evince che in genere la funzione di
trasferimento π΄Μ π , che rappresenta il blocco funzionale diretto in un
sistema in retroazione standard, è proporzionale al guadagno
differenziale π΄"Μ π dell’OPAMP. Inoltre, la funzione π»Μ π di retroazione
è quasi sempre reale (a parte qualche caso tra quelli presi in esame).
Facendo riferimento analitico ai casi in cui π»Μ = π» è reale, studiamo gli
effetti della retroazione sul guadagno di tensione (il risultato
qualitativamente è però valido in ogni caso)
A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione
26
Effetti della retroazione sulla stabilità
Assumiamo:
π΄Μ π =
π΄)
1 + ππ ⁄π#+
e
π»Μ π = π» βΆ 0 reale
π΄) (qnt. reale) rappresenta il guadagno in centro banda. Esso sarà βΆ 0
a seconda di come si sceglie π!" all’ingresso dell’OPAMP.
Osservazione: il guadagno ad anello aperto in centro banda π΄) π» deve
necessariamente soddisfare π΄) π» > 0 per garantire la stabilità del punto
di riposo π!" = 0
Μ
π
π π΄π»
π» < 0 ⇒ π΄) < 0
(caso AMP inv.)
π» > 0 ⇒ π΄) > 0
(caso AMP n.inv.)
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Μ
πΌπ π΄π»
27
Effetti della retroazione sulla risposta in freq.
Calcoliamo:
π΄Μ π
πΜ π =
1 + π΄Μ π π»
Sostituisco l’espressione di π΄Μ π nella πΜ π :
π΄)
π΄Μ π
1 + ππ ⁄π#+
πΜ π =
=
π΄) π»
1 + π΄Μ π π» 1 +
1 + ππ ⁄π#+
Osservo, innanzi tutto che:
π) = lim πΜ π =
O→)
π΄)
1 + π΄) π»
Valore in centro banda del guadagno del sistema in FB
A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione
28
Prodotto Guadagno-Banda
Moltiplico NUM e DEN per il fattore: 1 + ππ ⁄π#+
πΜ π =
πΜ π =
π΄)
1 + ππ ⁄π#+ + π΄) π»
Ora divido NUM e DEN per 1 + π΄) π»
π΄) ⁄ 1 + π΄) π»
π)
=
π
1 + ππ ⁄π6+
1+π
π#+ 1 + π΄) π»
dove è stato posto:
π΄)
π) =
1 + π΄) π»
π6+ = π#+ 1 + π΄) π»
e
π) ⋅ π6+
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CL ≡ Closed Loop
con, come osservato, π΄) π» > 0
π΄)
=
⋅ π 1 + π΄) π» = π΄) ⋅ π#+
1 + π΄) π» #+
29
Prodotto Guadagno Banda
Concludendo si è dimostrato
π) ⋅ π6+ = π΄) ⋅ π#+
dove, in cd. di de-sensib.:
1
π) =
π»
Poiché π6+ rappresenta la banda del sistema retroazionato e π#+
quella del sistema in catena aperta, il prodotto π) ⋅ π6+ viene detto
Guadagno-Banda e rappresenta una quantità costante
indipendentemente dal valore di π»
π΅6+ = π6+
πΊπ΅π = π) ⋅ π΅6+
π»π§
R(
⇒
Es.: per amp. invertente: π) = −
π
'
Nel caso del buffer:
GBP ≡ Gain-Bandwidth Product
π΅6+
πΊπ΅π
=
π
( ⁄π
'
π) = 1 ⇒ π΅6+ = πΊπ΅π
A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione
30
GBP
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31