miércoles, 17 de marzo de 2010

Acondicionadores de Señal para sensores con Opam. (8va Publicación, Parcial 3, Gerald Soto, EES)


Acondicionadores de Señal para sensores con amplificadores operacionales.
Los sensores generadores tienen unas características muy exigentes para las etapas de acondicionamiento que les suceden. Así las señales de estos sensores suelen ser continuas o de muy baja frecuencia, y los amplificadores de continua presentan el problema de la tensión de desequilibrio (offset), las corrientes de polarización y desequilibrio y las derivas de todas ellas, principalmente con el tiempo y la temperatura.

En otros casos se tiene que la señal a acondicionar es muy débil, pero procede de un sensor con alta impedancia de salida, con lo que se hace necesario utilizar estructuras de amplificación diferentes de la convencional.
En un amplificador operacional (AO) real la tensión de salida no es nula cuando lo son las de entrada, y es preciso someter a las entradas a una determinada diferencia de tensión (tensión de offset Vos) para anular la tensión de salida. También se tiene que las corrientes de entrada no son nulas y además son diferentes, lo que se denomina corriente de desequilibrio (Ios). Además de todo ello se producen desequilibrios con el tiempo y con la temperatura principalmente. En la figura se muestra el efecto de los desequilibrios en un amplificador inversor.
La tensión de salida viene dada por:

La resistencia R3 no es necesaria, pero si se elige

R3 = R1R2, entonces la expresión anterior queda:

Por tanto, aparece un término debido a la tensión de offset y otro debido a la corriente de desequilibrio, pero al ser Ios <<>

La mayoría de los AO comerciales cuentan con entradas que permiten corregir la tensión inicial de desequilibrio, pero no siempre ésta es la mejor solución ya que este ajuste interacciona con las corrientes de polarización y su desequilibrio, y con la deriva térmica de la tensión de desequilibrio. Si no se desea esta interacción lo mejor es sumar una tensión externa de compensación al terminal de referencia y aparear la resistencia de entrada. En la figura se muestran algunos de estos circuitos y los valores a elegir para las resistencias.
El ajuste de la tensión de salida a cero hay que realizarlo cuando el circuito ha alcanzado la temperatura de régimen permanente. Además, las fuentes de tensión que alimentan el potenciómetro de ajuste deben ser muy estables, al igual que las que alimentan al operacional. Una fluctuación de magnitud DVS en una línea de alimentación, produce una tensión de desequilibrio equivalente a la entrada de valor:


Existen muchos sensores en los que las señales de salida son muy débiles. En estos casos, suelen tratarse de fuentes de tensión o corriente con impedancias de salida altas. En dichos casos se requiere de un sistema de medida que posea baja corriente de entrada. Estos circuitos se denominan genéricamente amplificadores electrométricos y se caracterizan por poseer una resistencia de entrada superior a 1 TW y una corriente de entrada inferior a 1 pA con bajas derivas. La medida de corrientes débiles puede realizarse tomando directamente la caída de tensión en una resistencia de valor elevado (a) o realizando una conversión corriente-tensión mediante un amplificador de transimpedancia (b) basado en un AO con características electrométricas. La salida del amplificador de transimpedancia viene dada por:


En la expresión anterior, A es la ganancia en lazo abierto del AO y C es la capacidad asociada a R. Con el circuito (a) no se pueden medir fenómenos dinámicos, pues CP (suma de la capacidad del sensor y la de entrada del amplificador) limita la respuesta. Si, por ejemplo, CP = 100 pF y R = 1 TW, la frecuencia de corte es fc = 1/2piRCP =1.6·10-3 Hz. El tiempo de respuesta es, por tanto, 220 s. Con el convertidor corriente-tensión de (b), la respuesta es mucho más rápida. La función de transferencia es también paso bajo, con frecuencia de corte fc = 1/2piRC. Para R = 1 TW, la capacidad asociada C sería del orden de 1 pF, lo que lleva a valores de frecuencia de corte de 0,16 Hz, o lo que es lo mismo, tiempos de respuesta de 2,2 s. Son numerosos los sensores en los que la magnitud de salida es una carga eléctrica dependiente de la magnitud a medir. El circuito equivalente de uno de estos sensores es el de la figura.

La señal de salida de este sensor es preciso tratarla con un amplificador de muy alta impedancia de entrada, puesto que si no la capacidad CS se descargaría a través de la entrada del amplificador. Una solución es hacer uso de un amplificador electrométrico. En la figura se muestra el circuito equivalente del sensor, la capacidad y la resistencia de fuga del cable, y la capacidad y la resistencia de entrada del amplificador.



Tras el análisis del circuito se llega a la siguiente expresión para la tensión de salida:


De lo anterior se desprende que la sensibilidad del sensor (q) queda reducida y, además, en una cantidad que depende de la longitud del cable empleado (capacidad del cable), y que la respuesta frecuencial es de tipo paso alto y con frecuencia de corte (fc = 1/2piRC) dependiente tanto de la longitud del cable como de su aislamiento. Por tanto, el uso de un amplificador electrométrico sólo será adecuado cuando pueda disponerse junto al sensor, como es el caso de los micrófonos. El denominado amplificador de carga es una solución mejor en la mayoría de los casos.
El amplificador de carga es un circuito cuya impedancia de entrada es un condensador, ofreciendo así alta impedancia de baja frecuencia. Su función es ofrecer en la salida, con una impedancia muy baja, una tensión proporcional a la carga de la entrada. Es, por tanto, un convertidor cargatensión. Su estructura (ideal) se muestra en la figura.


La idea consiste en transferir la carga desde el sensor (en paralelo con el cable y la entrada del amplificador) a un condensador bien conocido (C0), y medir su tensión con un amplificador de características electrométricas. Si la ganancia en lazo abierto del operacional es A se tiene que:
Se observa que la sensibilidad es ahora independiente del cable, aunque a alta frecuencia, donde el valor de A no es tan alto, puede adquirir cierta importancia, sobre todo si C0 es pequeña. Además, se observa que la exactitud en la ganancia del amplificador de carga depende de la que tenga C0.

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