1Adquisición de Datos-EASM Previos Adquisición de Datos-EASM Amplificadores diferenciales Con la entrada Vi2 = 0 Con la entrada Vi1 = 0 Tarea : Calcule la salida Entonces, cual es la salida de voltaje total ? Adquisición de Datos-EASM Amplificadores diferenciales Analice las corrientes ... Circuito anterior Adquisición de Datos-EASM Amplificadores diferenciales El mismo circuito anterior, con todas sus resistencias diferentes 2 Adquisición de Datos-EASM Amplificadores de Instrumentación I Adquisición de Datos-EASM Cuando se necesita medir señales pequeñas (ejm biomédicas), generalmente se presentan situaciones altamente hostiles para que se pueda obtener medidas de precisión: Hay fluctuaciones de temperatura. Existen ruidos eléctricos. Hay caídas de voltaje ocasionadas por corrientes que fluyen a través de cargas localizadas remotamente. Los transductores del mundo real raramente exhiben impedancia de salida cero y presentan ruido. Amplificador de Instrumentación (AI) Adquisición de Datos-EASM Para ese tipo de aplicación, se han desarrollado los Amplificadores de Instrumentación. Fueran optimizados para operar en situaciones en las cuáles la adquisición de la señal es difícil. Tienen una impedancia de entrada extremadamente alta porque la impedancias de la fuente de señal pueden ser altas o desbalanceadas. Las corrientes de polarización y offset deben ser bajas y relativamente estables de modo que la impedancia de la fuente no necesita ser constante. Buenas características de estabilidad y operación respecto a cambios de temperatura y estabilidad de las fuentes de voltaje. Amplificador de Instrumentación (AI) Adquisición de Datos-EASM Amplificador de Instrumentación (AI) El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial tensión-tensión cuya ganancia puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a su propia especificación aún en un entorno hostil. Es un elemento esencial de los sistemas de medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que ofrece características funcionales propias e independientes de los restantes elementos con los que interacciona. Para ello, se le requiere: Tengan unas características funcionales que sean precisas y estables. Sus características no se modifiquen cuando se ensambla con otros elementos. 3 Adquisición de Datos-EASM Amplificadores de Instrumentación (AI): Características Ganancia diferencial precisa y estable, generalmente en el rango de 1 a 1000. Además la ganancia debe ser ajustable con una única resistencia sin que afecte al ancho de banda. Su ganancia en modo común debe ser muy baja respecto de la ganancia diferencial, esto es, debe ofrecer un CMRR muy alto en todo el rango de frecuencia en que opera. Una impedancia muy alta para que su ganancia no se vea afectada por la impedancia de la fuente de entrada. Una impedancia de salida muy baja para que su ganancia no se vea afectada por la carga que se conecta a su salida. Ancho de banda ajustada a la que se necesita en el diseño. Un factor de ruido muy próximo a la unidad, Esto es, que no incremente el ruido. Una razón de rechazo al rizado a la fuente de alimentación muy alto. Tensiones y corrientes de desequilibrio (offset) bajas y con pocas derivas en el tiempo y con la temperatura, a fin de poder trabajar con señales de continua muy pequeñas. Adquisición de Datos-EASM En los equipos biomédicos, y en muchas otras aplicaciones, hay la necesidad de medir señales muy pequeñas (del orden de µV o pocos mV) en la presencia de señales de ruido comparativamente grandes provenientes de distintas fuentes, como de: motores, tubos de iluminación y la siempre presente inducción de la frecuencia de línea de alimentación (60Hz). Para realizar las mencionadas mediciones, estos equipos deberán utilizar en su entrada Amplificadores de Instrumentación con una alta Relación Rechazo de Modo Común (CMRR). Amplificador de Instrumentación (AI) Adquisición de Datos-EASM + - + - Vi+ Vo A2 R1 C RG R5 R4 R3 R2 Vi- A1 (a) + - + - Vi+ Vo 10k RG 40k 10k 40k Vi- (b) R5 C 3 7 +Vcc INA126 5 4 6 8 1 2 -Vcc Amplificador de Instrumentación: Dos Operacionales ( ) ÷ + ÷ | | . | \ | + + = i i G o v v R R R R v 2 1 2 2 1 G G 2 1 2 R Ω k 80 5 G G R R 2 R R 1 + = ¬ = + + ( ) ÷ + ÷ = i i o v v G v Adquisición de Datos-EASM + - + - V i- A 1 R G R 1 R 1 V i+ A 2 R 2 R 2 R 3 R 3 A B C D Sense Salida (V o ) Referencia ENTRADA DIFERENCIAL A 3 Amplificador de Instrumentación: Tres Operacionales ( ) ÷ + ÷ | | . | \ | + · = i i G 1 2 3 o v v R R 2 1 R R v G 1 d R R 2 1 A + = A1, A2 están en la configuración no inversora . Esta etapa presenta alta impedancia de entrada. A3 presenta la configuración diferencial . Esta etapa define el CMRR. 4 Adquisición de Datos-EASM Amplificadores de Instrumentación (AI): Características Se muestra un AI con una estructura típica basada en tres OPAMs: La ganancia se puede fijar con una sola resistencia (R G ) sin afectar al CMRR total. Las impedancias de entrada y salida son las correspondientes a los amplificadores operacionales. Para conseguir un CMRR alto se debe cumplir que CMRR AO1 =CMRR AO2 , que las resistencias presenten un alto grado de apareamiento y que CMRR AO3 sea alto. El valor del CMRR total aumenta con la ganancia. Adquisición de Datos-EASM El terminal designado como referencia (en la figura) es accesible en los AI comerciales. De esta forma, el nivel de tensión de referencia de la salida se puede desplazar según convenga. El terminal designado como detección suele ser accesible. Si se conecta directamente a la salida, la tensión en un punto alejado diferirá de V O según la caída de tensión que se produzca en el conductor. En cambio, si el terminal de detección se conecta al punto remoto, por acción de la realimentación, la tensión en ese punto será V O . Amplificadores de Instrumentación (AI): Características Adquisición de Datos-EASM Alguno Amplificadores de instrumentación mas usados son por ejemplo los INAxxx de Burr-Brown. Estos AI tienen una estructura basada en tres AO. No es la única posible, otros fabricantes utilizan estructuras totalmente distintas pero igualmente válidas Características Bajo voltaje de offset: 50 uV. Bajo desplazamiento: 0,5 uV/ºC máx. Baja corriente de polarización de entrada: 5nA máx. Alta RRMC: 120 dB min. Entrada protegidas a +/- 40 V. INA 128P Burr Brown® Amplificadores de Instrumentación (AI): Ejemplos Adquisición de Datos-EASM V 1 V 2 Salida Sense 25k INA105 V+ V- Reference 25k 25k 25k + - V1 V2 Salida 380k INA117 V+ V- Ref. A 20k 380k 380k + - 21,11k Ref. B Amplificador Diferencial Comercial Precisión en las resistencias ajustadas mediante laser. -Amplificador Operacional ganancia unitaria. - Varias configuraciones: Amplificador Inversor, No inversor, Conversores I/V e V/I, bucles de corriente 4- 20mA etc. -Permite la mejora de las características del A. O. 5 Adquisición de Datos-EASM Amplificador de Ganancia programable por pin: Pin Programmable - Obtenemos valores discretos de la ganancia diferencial si colocamos resistencias externas - Poseen internamente resistencias de alta precisión que proporcionan valores estables y muy precisos. - La elección de la ganancia se obtiene uniendo pines del circuito Adquisición de Datos-EASM Amplificadores de Instrumentación: Ejemplos Electrocardiograma (ECG) Bornes eléctricos conectados en las extremidades del paciente o en el pecho, según el tipo de ECG. Brazo izquierdo Brazo derecho Pierna izquierda Adquisición de Datos-EASM PGA204 PGA205 A1 A o 1 1 0 0 10 2 0 1 100 4 1 0 1000 8 1 1 GANANCIA SELECCIÓN RED RESISTIVA DE RETROALIMENTACIÓN DIGITALMENTE SELECCIONABLE (RG, R1) PROTECCIÓN SOBRE- TENSIONES PROTECCIÓN SOBRE- TENSIONES A2 A1 Vi- Vi+ 25k 25k 25k 25k Sense Salida (Vo) Referencia A1 A0 Vo1 V+ DIGITAL COMÚN Ajuste Vos Vo2 V- 1 6 7 9 8 5 14 15 18 4 13 12 11 10 - Permite la selección de la ganancia mediante software - Las ganancias suelen ser en potencias de 10 o en potencias de 2 - El amplificador PGA 204 permite 4 pasos de ganacias (2,4,8,16) - El amplificador PGA 205 permite 4 pasos de ganancias (1,10,100,1000) Amplificador de Ganancia programable por Software Adquisición de Datos-EASM + - + - Vi- A1 R1 R1 Vi+ A2 R R R R Sense Salida (Vo) Referencia A3 R2 R4 R3 R3 R2 Ao A1 SA SB I1A I4B I3B I2B I1B I4A I3A I2A LÓGICA DE CONTROL V+ V- VDD HABILITACIÓN Vo1 Vo2 A.I. MPX ANALÓGICO DIFERENCIAL Amplificador de Ganancia programable por Software -Incorpora un mutiplexador analógico - Conecta las entradas 1,2,3 o 4 en función de un código binario A 0 ,A 1 - Para la combinación 00 hace que la ganancia sea unitaria. - Para el resto de las combinaciones la ganancia depende de los valores de las resistencias R2,R3 y R4. 6 Adquisición de Datos-EASM V i+ V i- +V cc1 -V cc1 +V cc2 -V cc2 V o (a) Aislamiento de dos puertos V i+ V i- V o -V cc +V cc (b) Aislamiento de tres puertos Amplificador aislados o de aislamiento - Lograr aislamiento galvánico entre los circuitos de entrada y salida. - Niveles elevados en modo común. - Evitar que los circuitos electrónicos trasfieran sus potenciales a los sensores en contacto con el cuerpo humano. (aplicaciones biomédicas) - En otras aplicaciones en las que el aislamiento sea imprescindible por razones de seguridad. - En la figura se presenta soluciones de 2 y 3 puertos. - En el caso de dos puertos se alimenta de forma independiente las dos islas. Los circuitos están optoacoplados o acoplados de forma capacitiva. - Una sola fuente alimenta a través de un trafo a los circuitos de entrada y salida. Este tipo de solucion consigue aislamientos del orden de 2500V. Adquisición de Datos-EASM MODULADOR DIGITAL DEMODULADOR FILTRO PASO BAJO V s V o BARRERA DE AISLAMIENTO Amplificador aislados o de aislamiento - El acoplamiento entre entrada y salida consiste en pasar la información a la salida sin que precise circular corriente de un lado a otro. Esto pude hacerse: - Aislamiento eléctrico, magnético o electromagnético - Para pasar la información se utilizan: - Técnicas capacitivas, inductivas u ópticas. - El paso de información puede guardarse la información modulando o amplificando la misma. - Diagrama de bloque de un amplificador con acoplamiento capacitivo Adquisición de Datos-EASM OSCI- LADOR fo +5 V SALIDA DETECTOR DE FRECUENCIA FILTRO DE BUCLE FILTRO PASO BAJO fo +5 V SALIDA AJUSTE DESPLAZ. +Vcc2 -Vcc1 BARRERA DE AISLAMIENTO -Vcc2 +Vcc1 REF1 REF2 VCO VIN BUCLE ENGANCHADO EN FASE PLL Vo (VSAL) C2 COMÚN DIGITAL COMÚN ENTRADA AJUSTE DE GANANCIA Vi DESPLAZ. 0,5k 2,5k 24,5k 97,5k VCO 3pF 3pF 3k 3k AMPL. 1 2 3 4 10 11 12 13 14 15 16 21 22 23 24 COMÚN SALIDA C1 fo fo o f 9 - Amplificador con asilamiento capacitivo con modulación de frecuencia. - La señal del oscilador interno se modula mediante la señal de entrada y se transfiere a la salida a través de los condensadores que forman la barrera de aislamiento. En la salida la señal es demodulada y filtrada para recuperar la señal original. - Los condensadores son muy especiales, formados por películas muy finas situadas en espiral sobre un sustrato cerámico de alta pureza. Esto posibilita tener rigideces dieléctricas del orden de 10kV y resistencias del orden de 10 14 Ω Amplificador aislados o de aislamiento Adquisición de Datos-EASM COMÚN ENTRADA COMÚN SALIDA V s R s I s A 1 A 2 D 1 R D 2 LED V o + I s I s BARRERA DE AISLAMIENTO - Amplificadores aislados ópticamente. - El diodo led excita a dos diodos D1 y D2. La señal del diodo D1 sirve para realimentar el amplificador de entrada, y conseguir buena linealidad. - El diodo D2 recibe la misma señal que el D1 por lo que la corriente relacionada con la señal de entrada en ambos lados es igual - La señal es amplificada en la etapa de salida que suele se un convertidor I/V de resistencia R S O RI V = Amplificador aislados o de aislamiento 7 Adquisición de Datos-EASM Amplificador aislados o de aislamiento Adquisición de Datos-EASM - Mediada de la temperatura con un termopar con aislamiento - La tensión de salida es I N R F - El Condensador CF sirve para mejorar la respuesta en frecuencia Amplificador aislados o de aislamiento Adquisición de Datos-EASM MODULADOR DEMODULADOR Y FILTRO PASO BAJO OSCILADOR RECTIFICADOR Y FILTRO V 5 ± FB G=1 IN+ IN- COMÚN ENTRADA +VISO SALIDA 1 2 3 4 5 +7,5 -7,5 ENERGÍA SEÑAL AD202 25kHz Hi Lo Vo +15V DC MASA DE LA FUENTE DC Vs V/F Vo 38 37 31 32 6 -VISO SALIDA V 5 ± F/V V/F AD202/204 16 3,8 6,5 53 SEÑAL - Amplificador con aislamiento mediante transformador - La señal de entrada se modula (una portadora senoidal) en frecuencia de la señal para a través del transformador de acoplamiento y demodulada en el circuito de salida. - La principal desventaja es el ancho de banda 5kHz aunque se consiguen aislamientos de 2000V. Amplificador aislados o de aislamiento