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* = A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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» A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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 A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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) A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 7 Buffer es. sensore Effetti di carico alle sezioni di ingresso e uscita sono trascurabili A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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 A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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) A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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 A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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 A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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( A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 13 Resistenza di uscita π* π * = 8 πΌ* /!#0) /$"0) Spegnendo entrambe le sorgenti alle porte di ingresso, il circuito diventa identico a quello già studiato sia per l’amplificatore invertente che non invertente Pertanto si conclude che anche nel caso dell’amplificatore alle differenze: π * = 0 A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 14 Amplificatore per strumentazione Vediamo una versione migliorata dell’amplificatore differenziale. Per rendere bilanciato lo schema, si antepone un pre-stadio opportuno π !' = π !( β ∞ π * = 0 L’intero circuito deve essere realizzato in forma integrata (IC) per garantire il massimo bilanciamento del pre-stadio (OPAMP 1 e 2 identici) A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 15 Analisi dell’amplificatore per strumentazione Eseguiamo l’analisi del pre-stadio, applicando la sovrapposizione degli effetti di un puro modo differenziale e di un puro modo comune MODO DIFFERENZIALE π!2 = 0 ⇒ π!' = −π!( Assumendo πΆπΆπ ⇒ ππ΄1: π % = π & = π!' ; ππ΄2: π % = π & = π!( π!' − π!( π!" ⇒ πΌ3 = = π π #$' #$( 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 A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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 A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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;< A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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 A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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) A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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$56 ∈ 0 ÷ 5 π Supponiamo infine che π, = 0.6 π quando π = π3>7 = 25°πΆ e πΌF = πΌFG A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 21 Relazione per il condizionamento 25°πΆ → −25°πΆ ⇒ π₯π = −50°πΆ ⇒ π₯π = π ! π₯π = − 2ππ⁄°πΆ × −50°πΆ = +100ππ 25°πΆ → 100°πΆ ⇒ π₯π = +75°πΆ ⇒ π₯π = π ! π₯π = − 2ππ⁄°πΆ ×75°πΆ Equazione della retta: π=− π"#$ = 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 A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 22 Implementazione del circuito (cenni) π = −20 < 0 • π, → π!' • ⇒ π = 14 > 0 ⇒ π$56 = −20 π, + 14 π ( π = π΄' = − = −20 π ' ⇒ π ( = 20 π ' Colleghiamo inoltre una π3>7 > 0 all’ingresso π!( in modo che: π = π΄( π3>7 1 + π ( ⁄π ' = π3>7 = 14 ⇒ 1 + π . ⁄π - Ad es. per π3>7 = 5 π, si otterrebbe: A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione π . 1 + π ( ⁄π ' = π3>7 − 1 π π π . = 6.5 π - 23 Un possibile schema circuitale π # necessaria per polarizzare il diodo con πΌ# = πΌ#$ A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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§ A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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.) A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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+ A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 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 A. Santarelli – Fondamenti di Elettronica per l’Automazione 31