Instrumentacao e Sistemas de Medidas - Analise de Sistemas Eletronicos para Instrumentacao

1 Instrumentação e Sistemas de Medidas Aula 08 Sistemas Eletrônicos para Instrumentação SEI Parte II CMRR e Amplificador de Instrumentação Revisão 00 Arquivo A08ISMSEIIIR00 Bibliografia 1 Cap 6 AGUIRRE LA Fundamentos de Instrumentação 1ª Ed 2 Notas Aula Prof Nobuo Oki Disponível em httpwwwfeisunespbrHomedepartamentosengenhariaeletricapos graduacaoaula08201326032013pdf 3 Datasheet do INA114 httpwwwticomlitdssbos014sbos014pdf 4 Linear Tecnology DN 1023 Precision Matched Resistors Automatically Improve Differencial Amplifier CMRR Heres How Prof Edgar Campos Furtado edgarufsjedubr UFSJ CAP SALA 201 BLOCO 3 MT Objetivos da Aula MT Objetivos da Aula UFSJ CAP Edgar C Furtado AULA08 A motivação para essa aula pode ser resumida na busca pela resposta a três perguntas 2 I Qual a importância da medição diferencial em sistemas para instrumentação II O que é Taxa de Rejeição em Modo Comum CMRR Common Mode Rejection Ratio Qual a importância desse parâmetro no contexto de instrumentação III Como conjugar a CMRR com o ajuste de ganho do AmpOp IV O que é o Amplificador de Instrumentação Quais as características e configurações básicas SEI Medição Diferencial SEI Medição Diferencial UFSJ CAP Edgar C Furtado AULA08 No contexto de sistemas de medição é comum a necessidade de processar sinais únicos e sinais diferenciais 3 O processamento de sinais diferenciais com Amplificadores Diferenciais apresenta vantagens em comparação a sinais únicos com Amplificadores Simples 1 Elevada imunidade a ruído ambiente e interferências eletromagnéticas EMI 2 Elevada rejeição a ruído da fonte de alimentação 3 Maior excursão do sinal de saída 2X maior que no amplificador simples 4 Imunidade a distorção par SEI Medição Diferencial SEI Medição Diferencial UFSJ CAP Edgar C Furtado AULA08 1 Elevada imunidade a ruído ambiente e interferências eletromagnéticas EMI em geral ambos os sinais são afetados pela mesma fonte de ruído ou EMI 4 t Linha 3 Linha 1 Linha 2 Sinal 1 Sinal 2 Clock Acoplamento Capacitivo Sinal corrompido por EMI Mesma fonte de EMI Sinal corrompido por EMI VD sinal 1 sinal 2 2 Elevada rejeição de ruído da fonte de alimentação Linha Alimentação Sensor 1 Sinal 1 VDD Ruído 3 Maior Excursão do Sinal de Saída 2X maior que o de um amplificador simples Considerando o range de excursão de ambos os sinais ou seja V1 RANGE VMAX VMIN V2 RANGE VMAX VMIN Assim o range de saída para VD V1 V2 VD RANGE 2VMAX VMIN 4 Imunidade a distorção par Considere dois sinais decompostos V1 a0 a1v1 a2v12 a3v13 V2 a0 a1v2 a2v22 a3v23 Se v2 v1 então VD V1 V2 VD a0 a1v1 a2v12 a3v13 a0 a1v2 a2v22 a3v23 VD a0 a1v1 a2v12 a3v13 a0 a1v1 a2v12 a3v13 VD 2a1v1 a3v13 Para sinais diferenciais VD pode existir um nível de tensão constante em modo comum VCM a ambos os sinais Em geral essa tensão em modo comum não contém informação relevante sendo a informação de interesse contida no sinal diferencial VD Uma questão importante como o Amplificador Operacional pode minimizar a influência da tensão em modo comum e enfatizar a tensão diferencial Considerando novamente A saída nesse caso é VO GDV1 V2 GCM VCM GD VD2 VD2 GCM VCM VO GD VD GCM VCM VO GD VD GD GCM VCM Definese a Taxa de Rejeição em Modo Comum CMRR como CMRR GD GCM Assim V0 GD VD GD CMRR VCM V0 GD VD CMRR se CMRR se GCM 0 É comum que a CMRR seja dada em dB CMRR 20 log GD GCM Desta forma a CMRR é dependente I em MA apenas do AmpOp CMRRAMP II em MF do AmpOp e também da estrutura de realimentação CMRRRES Logo no caso de AmpOp diferenciais com estrutura de alimentação resistiva a Taxa de Rejeição de Modo Comum Total CMRRTOTAL é função de CMRRAMP e CMRRRES Considere a estrutura diferencial com AmpOp ideal CMRRAMP V0 R4 R1 R1 R3 R2 R4 V1 R3 R1 V2 R4 R1 R1 R3 R2 R4 R3 R1 VCM Se R1 R4 R2 R3 então R4 R1 R1 R3 R2 R4 V1 R3 R1 V2 R3 R1 V1 V2 R3 R1 VD GD R3 R1 R4 R1 R1 R3 R2 R4 R3 R1 0 GCM 0 Considerando CMRRAMP a CMRR depende apenas da estrutura resistiva ou seja V0 GD VD GD CMRRRES VCM Se R1 R4 R2 R3 então CMRRRES V0 GD VD Assim a CMRRRES é maior quanto menor for o desbalanceamento da relação R1 R3 R2 R4 Outra maneira de se calcular a CMRRRES é CMRRRES 12 GD 1 ΔR RCMRR em que o desbalanceamento resistivo é dado por ΔR RCMRR 12 1 R2 R3 R1 R4 Exemplo 1 Calcular a CMRRRES da Estrutura Diferencial considerando CMRRAMP e relação das resistências dada por R3 100R1 e R4 101R2 V0 GDVD GD CMRRRESVCM Nesse caso Vo R4 R1R1 R3 R2 R4V1 R3 R1V2 R4 R1R1 R3 R2 R4 R3 R1VCM Vo 1011 100 1 101V1 100V2 1011 100 1 101 100VCM Vo 1000098V1 100V2 1 102VCM Considerando 1000098 100 temse que GD 100 e GCM 1102 Logo CMRRRES GD GCM 10200 CMRRRES 8017 dB Exemplo 1 cont Esse cálculo também pode ser realizado usandose CMRRAMP CMRRRES 12GD 1 ΔR RCMRR Ou seja para GD 100 R3 100R1 e R4 101R2 temse que CMRRRES 12GD 1 ΔR RCMRR 12GD 1 121 R2 R3 R1 R4 12100 1 1 202 10201 8017 dB Para o caso em que CMRRAMP é finita então a CMRRTOTAL é dada por CMRRTOTAL 121 GD 1 CMRRAMP121 GD ΔR RCMRR O parâmetro CMRRAMP pode ser obtido do Datasheet do amplificador utilizado Exemplo 2 Calcular a CMRRTOTAL da Estrutura Diferencial para CMRRAMP 100 dB GD 100 e relação das resistências dada por R3 100R1 e R4 101R2 ΔR RCMRR 121 R2 R3 R1 R4 121 100101 1202 CMRRTOTAL 121 100 1105121 100 1202 925672 79 dB Nesse caso a CMRRTOTAL é menor que a calculada no exemplo 1 pois agora a CMRRAMP é finita Exemplo 3 Considere o AmpOp diferencial ideal com CMRRRES 80 dB e GD 500 Determine a tensão de saída devido a VD a VCM e se a CMRR é adequada A tensão de saída devido a VD VOD GD VD 500501 499 100 V A tensão de saída devido a VCM CMRR 80 20 log GD GCM 10⁴ GD GCM GCM 500 10⁴ 005 VOCM GCM VCM VOCM 0055 025 V A tensão de saída devido à VCM VOCM 025 V é de ordem de grandeza adequada em relação à tensão de saída diferencial VOD 100 V que contém a informação Logo a CMRR desse amplificador é adequada para esse caso Podese escrever Vₒ em função da tensão diferencial VD V₁ V₂ Para isso considere I V₂ VP 0 e V₁ ℝ O efeito da entrada V₁ em VA é VA₁ 1 R₂RG V₁ O efeito da entrada V₁ em VB é VB₁ R₂RG V₁ Considere o circuito a seguir conhecido como Amplificador de instrumentação Sendo que V₁ e V₂ tensões de entrada Vₒ tensão de saída VP tensão de polarização CC Rii2⁴ resistores fixos RG resistor variável Esse circuito pode ser dividido em dois estágios sendo eles 1º usado para ajuste do ganho RG 2º usado para aumento da CMRR e ajuste do offset VP no sinal de saída Vₒ Por outro lado considere II V₁ VP 0 e V₂ ℝ O efeito da entrada V₂ em VA é VA₂ R2 RG V₂ O efeito da entrada V₂ em VB é VB₂ 1 R2 RG V₂ Assim por superposição temse VA VA₁ VA₂ 1 R2 RG V₁ R2 RG V₂ VB VB₁ VB₂ R2 RG V₁ 1 R2 RG V₂ Observe que VA e VB são aplicadas à estrutura diferencial Logo Vo R4 R3 VA VB Por fim a tensão de saída em função da tensão diferencial é Vo R4 R3 1 2R2 RG V₁ V₂VD Considerando agora o efeito da tensão se polarização na saída III V₁ V₂ 0 e VP ℝ O efeito da entrada VP em VC é VC R3 R3 R4 VP O efeito de VC em Vo é Vo 1 R4 R3 VC Vo 1 R4 R3 R3 R3 R4 VP Vo VP Por fim o efeito de V1 R V2 R e VP R na saída Vo é Vo R4R3 1 2R2RG V1V2 VP Desta forma o Amplificador de Instrumentação apresenta I Elevada CMRR em geral CMRR 105 ou 100dB II Ampla faixa de ganho sendo o ajuste realizado em apenas um resistor III Elevada impedância de entrada diferencial eou modo comum IV Offset de saída depende apenas dos AmpOp do 1º Estágio V Pode operar com fonte única nãosimétrica para isso devese utilizar Vp de forma a compensar o maior valor negativo do sinal de saída As principais desvantagens da implementação discreta componente a componente do amplificador de instrumentação são I elevada precisão dos resistores R2 R3 e R4 para se manter a simetria estrutural II menor desbalanceamentos possível entre as conexões dos componentes III maior suscetibilidade a interferências eletromagnéticas exógenas Uma simbologia comum para representar o Amplificador de Instrumentação é UFSJ CAP Edgar C Furtado AULA08 22 SEI Amplificador de Instrumentação SEI Amplificador de Instrumentação Fonte Datasheet do INA114 Exemplo de representação esquemática de um Amplificador de Instrumentação comercial No caso da implementação discreta outra arquitetura para o Amplificador de instrumentação é sugerida A equação da tensão de saída é Vo 1 R1R2 2R1RGV1 V2 VP UFSJ CAP Edgar C Furtado AULA08 24 Exemplo 4 Considere a medição da tensão diferencial de um sensor de pressão montado na estrutura de ponte de Wheatstone O esquemático eletrônico do circuito é dado por SEI Amplificador de Instrumentação SEI Amplificador de Instrumentação FONTE Microchip Application Note AN 688 Layout Tips for 12 Bit AD Converter Application Checkpoint Checkpoint UFSJ CAP Edgar C Furtado AULA08 Checkpoint O que foi visto 1 o uso de medição diferencial 1 elevada a imunidade a ruído ambiente e interferências eletromagnéticas EMI 2 elevada a rejeição a ruído da fonte de alimentação 3 torna maior a excursão do sinal de saída 2X maior que no amplificador simples e 4 apresenta imunidade a distorção par 2 a taxa de rejeição de modo comum CMRR é a relação entre o ganho diferencial e o ganho em modo comum sendo dada em dB Quanto maior a CMRR maior a capacidade de rejeição a ruído de modo comum do sistema 3 a CMRR dependerá tanto do desequilíbrio dos resistores quanto do próprio amplificador sendo composto por uma parcela de ambos 4 o amplificador de instrumentação é um elemento fundamental no contexto de instrumentação por agregar importantes características como por exemplo elevada CMRR elevado ganho e elevada impedância de entrada 25