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Escuela Técnica Superior de Ingenieros de TelecomunicaciónUniversidad de Las Palmas de Gran Canaria

ACONDICIONADORES DE SEÑAL PARA TRANSDUCTORES GENERADORES

Juan A. Montiel-Nelson

01/12/2005Acondicionadores de

Transductores Generadores

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Índice

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Introducción

Características de la señal– Tensión o corriente débiles

• Necesidad de etapa de amplificación:– Amplificadores de alta ganancia acoplados en alterna

• Capacidades muy altas.– Amplificadores de continua

• Tensión de desequilibrio.• Corrientes de polarización.• Derivas.

– Alta impedancia de salida• Consideración de capacidades parásitas.

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Amplificadores de baja deriva

Desequilibrios y derivas en amplificadores operacionales– Tensión de desequilibrio y corrientes de polarización en un

amplificador operacional.

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Amplificadores de baja deriva

Desequilibrios y derivas en amplificadores operacionales– Análisis

• El error de entrada – Será más grande si se

detecta alta impedancia de entrada y alta ganancia (R1 y R2/R1 grandes).

– Reduciendo todas las resistencias en un mismo factor, el error debido a V0no cambia, pero el de I0 sí.

– Se desea utilizar resistencias de bajo valor.

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es

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Amplificadores de baja deriva

Análisis– La impedancia de los términos de error dependen del valor de

V0 e I0• Estos factores dependen de la tecnología y del grado de calidad del

amplificador operacional:– Los de entrada bipolar tienen menor tensión de desequilibrio y

menores derivas.– Los de entrada FET tienen menores corrientes de polarización y

desequilibrio.

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Amplificadores de baja deriva

Características de tensión de desequilibrio

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Amplificadores de baja deriva

Eliminación de la tensión inicial de desequilibrio en un amplificador operacional.– Utilizar el terminal de ajuste interno

• No siempre es lo mejor dado que este ajuste interacciona con lascorrientes de polarización y su desequilibrio, y con la deriva térmica de la tensión de desequilibrio.

– Sumar una tensión externa al terminal de referencia y aparear las resistencias de entrada

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Amplificadores de baja deriva

Eliminación de la tensión inicial de desequilibrio en un amplificador operacional.– Estructura:

• Elegir R3 = R1R2/(R1+R2)-R4.

• R3 no ajustable y R4 0 R3 –R1R2/(R1+R2).

– Ajuste de la tensión de salida a cero• Cuando la entrada del circuito está

puesta a la tensión de referencia.• Una vez el amplificador a alcanzado

la temperatura normal de funcionamiento.

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Amplificadores de baja deriva

Eliminación de la tensión inicial de desequilibrio en un amplificador operacional– Ajuste de la tensión de salida a cero

• Cuando la entrada del circuito está puesta a la tensión de referencia.• Una vez el amplificador a alcanzado la temperatura normal de

funcionamiento.• Evitar los gradientes de temperatura en los componentes activos.• Emplear componentes pasivos con bajo coeficiente de temperatura.• Las fuentes de alimentación deben tener buena regulación, de lo

contrario sus fluctuaciones repercuten en la salida.– Mejoras obtenidas en los métodos de fabricación de

componentes apareados• Ajuste electrónico controlado por ordenador .

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Amplificadores con autocorreción de la deriva

Principio de funcionamiento– Medir periódicamente cuál es la tensión de desequilibrio, para

descontarla luego al medir la tensión de interés• Mientras se está procediendo a la medida de la tensión de desequilibrio, un

circuito de retención ofrece a la salida la señal de interés.• Durante la fase de autocero

– Mediante el conmutador S1 la entrada del amplificador queda cortocircuitada y con la tensión del terminal inversor aplicada (tensión en modo común)-

– La salida de la primera etapa será debida entonces a su tensión de desequilibrio, y al CMRR-

– Dicha salida se reduce mediante un lazo de realimentación negativa, a la vez que el condensador CA (externo) y el conmutador S2 constituyen un circuito de muestreo para retener el valor de la tensión necesaria para anular la de desequilibrio propia -

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Amplificadores con autocorreción de la deriva

Principio de funcionamiento– Medir periódicamente cuál es la tensión de desequilibrio, para

descontarla luego al medir la tensión de interés• Durante la fase de muestreo:

– El conmutador S1 conecta la señal de entrada al amplificador en modo diferencial, como es habitual, mientras S2 lleva ahora a laetapa de salida la señal amplificada, sin tensión de desequilibrio gracias a la acción de la fase anterior y a la presencia de CA.

– El condensador CB (externo) retiene el valor necesario para que en la siguiente fase de autocero a la salida se siga teniendo la tensión correspondiente a la señal de entrada.

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Amplificadores con autocorreción de la deriva

Principio de funcionamiento

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Amplificadores con autocorreción de la deriva

Modelos comerciales

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Amplificadores electrométricos

Introducción– Señales débiles

• Fuentes de corrientes o fuentes de tensión con impedancia de salida elevada– Detectores de radiaciones, células fotoeléctricas, tubos

fotomultiplicadores, células de ionización, transductores piezoeléctricos.

• Bajas frecuencias– Convertidor tensión corriente mediante un A.O. De baja deriva.

• Amplificador electrométrico o de carga

Descripción– Sistema de medida que posea una resistencia de entrada

superior a 1TΩ y una corriente de entrada inferior a 1pA.

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Amplificadores electrométricos

Métodos– Medida directa de la caída de tensión en una resistencia de

valor elevado– Realizando una conversión corriente-tensión mediante el

amplificador

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Amplificadores electrométricos

Métodos– Medida directa de la caída de tensión en una resistencia de

valor elevado• Si R es elevada no se pueden medir fenómenos dinámicos, pues la

capacidad del transductor, junto con la del cable y la de entrada del amplificador, puede se suficientemente alta como para limitar larespuesta.

• R=1TΩ,Cp=100pF=>f=1/2ΠRCp = 1,6×10-3Hz=>t=0,35/f=220s.

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Amplificadores electrométricos

Métodos– Realizando una conversión

corriente-tensión mediante el amplificador• A es la ganancia del A.O. en

lazo abierto.• C es la capacidad parásita

asociada a R y su montaje.• A baja frecuencia A >> 1.• Respuesta paso bajo

– Frecuencia de corte f=1/2ΠRC.

– R=1TΩ,C=1pF,t=2,2s.– Tiempo de respuesta cien

veces menos.

( );

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RCsR

sIsVA

sACCRR

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Amplificadores electrométricos

Métodos– Realizando una conversión corriente-tensión mediante el

amplificador• Tiempo de respuesta• Impedancia de entrada

– Menor impedancia de entrada.– Antes determinada por R.– Ahora determinada por R/A

• Menor efecto de carga.• Influencia de la resistencia de salida del transductor

– Si R es mayor que la Rs, el ruido es mayor• Ganancia del amplificador 1+R/Rs.

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Amplificadores electrométricos

Conversión corriente-tensión de banda ancha– Estructura

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Amplificadores electrométricos

Conversión corriente-tensión de banda ancha– Si se considera Cp/A<<C, haciendo RC=R1C1, con R1<<R y

C1<<C, se obtienen una respuesta final v=-iR.

Resistencias de valor elevado– Esquema de una red en T– Materiales con alta resistencia volumétrica

• Teflón, poliestireno.

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Amplificadores electrométricos

Guarda para reducir corrientes parásitas

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Amplificadores de carga

Descripción– Un amplificador de carga es un montaje cuya impedancia de

entrada está constituida esencialmente por un condensador, ofreciendo así un valor alto a baja frecuencia.

– Contrariamente a lo que su nombre representa, un amplificador de carga no amplifica la carga eléctrica presente en su entrada• Su función es obtener una tensión proporcional a dicha carga y

ofrecerla con una impedancia de salida baja.• Convertidor carga-tensión.

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Amplificadores de carga

Estructura

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Amplificadores de carga

Transductor piezoeléctrico y amplificador electrométrico– Reducción de sensibilidad

• Depende de la longitud del cable.– Respuesta en frecuencia

• Tipo paso alto y con una frecuencia de corte que depende tanto de la longitud del cable de conexión como de su aislamiento– Variable con la temperatura.– Variable con la humedad ambiente.

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Amplificadores de carga

Transductor piezoeléctrico y amplificador de carga– Estructura

( )[ ]

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Amplificadores de carga

Transductor piezoeléctrico y amplificador de carga– Si R=1TΩ, C0=10pF y A=105, f=0,16Hz.

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Amplificadores de carga

Factores de error en amplificador de carga real– Resistencia de fuga del transductor– Resistencia de fuga del cable– Resistencia de fuga a la entrada del amplificador– Tensión y corriente de desequilibrio del amplificador