Amplificatore per strumentazione

[MusicIsLife]

Ciao a tutti.

Devo realizzare per un corso nella mia Università un amplificatore da strumentazione a tre operazionali.

Questo, tanto per capirci, è lo schema di principio dell' amplificatore sotto questione:

Nelle specifiche ho che il CMRR deve essere almeno 70dB e la banda passante utile (nella quale devo avere un guadagno di 10 più o meno 2%) fino a 10KHz.

Quali accorgimenti dovrei adottare per fare in modo di rendere il circuito stabile, funzionante, accurato, preciso e che risponda alle specifiche?

Ho un libro sugli amplificatori operazionali di Sergio Franco (non so se qualcuno conosce quel libro) nel quale sono spiegate alcune tecniche per ridurre al minimo gli errori.

Ad esempio c' è scritto che per ridurre la tensione di offset presente in uscita quando gli ingressi sono collegati a massa, bisogna ridurre di un fattore 10 l' ordine delle resistenze.

Da quello che ho capito, inoltre, i guadagni (del primo stadio e del secondo stadio) non dovrebbero essere uguali: infatti facendo guadagnare maggiormente il secondo stadio, il CMRR dovrebbe migliorare. Inoltre devo fare in modo di non avere problemi di slew rate.

Avete dei consigli insomma?

Queste sono le specifiche che devo avere.

Amplificatore da strumentazione con 3 operazionali:

-Banda utile da 0 Hz (quindi anche in continua) a 10KHz;

-Guadagno TOTALE 10 (più o meno 2%);

-CMRR > 70dB sull' intera banda utile

-Dinamica del segnale in ingresso più o meno 0,5V

-Tensione di modo comune più o meno 5V

Utilizzo inoltre un sistema ATE PXI con pacchetto software SignalExpress (lavora sopra LabWiev) per classificare le misure che devo effettuare sul circuito.

Ringrazio tutti per l' attenzione.

Modificato: 24 ottobre 2008 da MusicIsLife

[ludo69]

Il circuito è un classico e da progettare c'è poco, devi solo cercare componenti di qualità, le resistenze di precisione (e se servono tutti i 70dB forse pure un trimmer per il "null" del modo comune) e integrati di qualità.

Troverai sicuramente quì qualcuno che ti suggerirà una rosa di integrati da poter utilizzare, a basso rumore e basso offset, perchè probabilmente dovrai pure mettere un trimmer per azzerare la tensione di uscita quando il segnale in entrata è nullo, ma di questo tipo di errore mi sembra che le tue specifiche non facciano menzione.

L'unica resistenza che cambiando cambia solo il guadagno totale è R1, se devi tarare il guadagno è il posto giuso per mettere in serie un trimmer che dia una variazione del 5..10% del totale.

La precisione dei resistori si riflette sulla precisione di guadagni, per il CMRR devi avere esatta la reciproca rispondenza dei valori delle resistenze chiamate con lo stesso nome.

[MusicIsLife]

Il fatto è che devo necessariamente utilizzare i componenti che ho in laboratorio.

Quindi l' integrato è, per forza di cose, un LM741C (o meglio, 3 integrati LM741C).

Le resistenze hanno tolleranza del 5%.

Per il trimmer su R1 c' avevo già pensato. Ma è meglio mettere una resistenza R1 fissa inferiore al valore del guadagno totale (di 20dB) e poi collegare in serie un trimmer, oppure metto direttamente il trimmer senza la R1 fissa?

[Livio Orsini]

La soluzione migliore è mettere una resistenza R1 di valore inferiore di circa il 10% del valore teorico, poi montare in serie alla resistenza un trimmer che permette di salire sino al 10% in più del valore nominale.

Se devi usare i vecchi e scalerci 741 puoi, con molta pazienza, selezionarne una coppia con i parametri il più possibele uguali; poi usi la coppia per lo stadio d'ingresso.

Idem per i resistori; una volta stabilito il valore definitivo selezioni il resitore con valore reale più vicino al valore nominale. Fai "invecchiare" i resistori mantenendoli per 24h ad una temperatura prossima a 75C, poi li ricontrolli.

E' un metodo un poco laborioso , ma è l'unico surrogato accettabile dell'uso di componenti con tolleranze ridotte.

Modificato: 24 ottobre 2008 da Livio Orsini

[ludo69]

con componentistica così scadente temo che dovrai mettere tre trimmer:

a.) "null" del segnale di modo comune (massimizzare il CMRR ad es. in parziale serie ad una R2

b.) se necessario tarare il guadagno con un trimmer in parziale serie a R1

c.) tarare lo zero di uscita in assenza di segnale (mettendo gli ingressi a massa) attraverso gli appositi ingressi "offset" di uno dei due operazionali di uscita (tarare dopo la massimizzazione del CMRR)

Parziale serie, es:

valore resistore, ipotesi: 1500, tolleranza 5% -> +/-75 -> variazione max di 150, ma essendo da compensare coppie di resistenze in caso di macumba e magia nera si arriva al caso peggiore di dover compensare una variazione pari a 300, quindi il trimmer deve essere da almeno 300(500, vedi tu).

Diciamo che lo scegli da 500, allora ipotizza di doverlo tenere al centro (250) e ricavati il nuovo valore della resistenza fissa: 1500-250= 1250.

Valore standard: 1200 campo di taratura: 1200...1700 (serviva 1500 +/-150 1450...1650, quindi ok).

L'esempio rispetta un modo un pò conservativo di cercare il componente tarabile, tanto da consigliarti un trimmer multigiro, oppure...

in serie ad una R2 metti (es. di prima) un trimmer da 500 ed in serie all'altra R2 metti un resistore (470) e un trimmer da 50.

Metti il secondo trimmer a metà corsa, tara con il primo trimmer e poi fai la taratura fine sul secondo trimmer.

Insomma, un pò di fantasia.......

Buona norma impone che all'ingresso degli amplificatori differenziali (stadio di ingresso di un operazionale) ci siano resistenze serie di ugual valore, quindi se gli ingressi invertenti di A1 e A2 vedono il segnale attraverso un resistore pari al parallelo di R2 con la metà di R1 (valore che chiameremo Ri) allora dovrai mettere un resistore in serie ad ogni ingresso del tuo amplificatore di misura pari appunto a Ri, questo se non sbaglio dovrebbe avere effetto sul rumore e su gli errori del differenziale (statici e dinamici).

Chi ha ricordi a riguardo più freschi dei miei li posti....

Modificato: 25 ottobre 2008 da ludo69

[Livio Orsini]

Il problema principale di questi ampli, oltre alla grande tolleranza dei valori, è la costanza nel tempo di questi valori. Ecco perchè conviene selezionarli. Oltre a ridurrne l'ampiezza si ha un andamento più simile con variazioni di temperatura e invecchiamento.

Facendo il null solo con componenti esterni hai il rischio di vedere qausi annullata la taratura per variazioni di temperatura e per invecchiamento difforme dei componenti.

La tecnica della selezione e dell'invecchiamento forzato era la prassi comune quando il 741 era lo stato dell'arte per gli OA.

Lo so bene, visto che sono uno di quelli che gli OA se li doveva progettare e costrutire assiemando i transitors (ne ho realizzato uno anche con transistors al germanio: i mitici OC44 che avevano una bassa, si fa per dire, corrente di fuga)

[MusicIsLife]

Io pensavo di mettere il trimmer in serie ad R4 (la resistenza sul piedino non-invertente di A3). Va bene comunque?

In teoria quest' operazione serve a massimizzare il CMRR, giusto?

Questo dovrò farlo sicuramente.

Per questa parte ho letto che basta collegare un potenziometri da 10K sui piedini "offset null" di uno dei 3 integrati LM741, senza collegarne uno ad ogni integrato.

Avevo poi letto che era possibile fare una compensazione in frequenza in quanto il guadagno all' aumentare della frequenza potrebbe diminuire. Si tratterebbe di collegare un trimmer tra i piedini + e - di A3 e, in serie al terminale centrale del trimmer, un condensatore di piccolo valore che va a massa in modo che, all' aumentare della frequenza di utilizzo del circuito, il condensatore entra in gioco e sbilancia lo stadio di uscita stabilizzando il guadagno tramite la variazione del trimmer.

Per selezionare gli AO simili, dato che non devo far funzionare il circuito per tanto tempo (devo solo realizzare un prototipo e poi far vedere al prof che funziona), cosa devo fare? Misurare tempo di salita, slew-rate e tempo di assestamento in modo da scegliere quelli con caratteristiche più simili?

Molto interessante quello che dici te, Livio... Il problema è che non ho i mezzi a disposizione (e soprattutto il tempo) per fare una selezione così accurata.

Per i resistori, invece, posso semplicemente misurarne il valore in modo da scegliere le coppie più simili tra loro?

Modificato: 25 ottobre 2008 da MusicIsLife

[Livio Orsini]

Dipende da quello che vuoi ottenre dal tuo progetto. Se vuoi vere prestazioni da strumentazione devi rassegnarti, se invece ti bastano prestazioni appena un poco meglio dello standard 741 ....

Comunque il 741 non è poi così male, è solo anziano. E' uscito nel 1971, ed è l'evoluzione del 709 il primo vero operazionale integrato degno di questo nome.

Lascia perdere l'idea della compoensazione di frequenza, con il 741 rischi solo di peggiorare la situazione.

Piuttosto devi tener presente he non è un fulmine di guerra ne un piè veloce. Fa il suo onesto lavoro.

Se vuoi perdere 10 minuti fai questa prova. Configura un 741 per guadagno unitario, mettigli un bel 100nF come carico, poi eccitalo con segnali in onda quadra a 1 kHz. Osserva l'uscita con un oscilloscopio decente e....buon divertimento

[MusicIsLife]

Livio Orsini+25/10/2008, 16:50--> (Livio Orsini @ 25/10/2008, 16:50)

Buon divertimento?

Ovvero?

Come mai dici che sarebbe un casino la storia della compensazione in frequenza?

Modificato: 25 ottobre 2008 da MusicIsLife

[Livio Orsini]

Devi provare, la descrizione non rende l'idea di quello che vedi Prova anche a variare il valore della capacità di carico.

Il 741 non ha pin previsti per compensazione di frequenza. I pins 1 e 5 (o equivalenti secndo package) servono per azzerare l'offset di corrente d'ingresso (30nA tipici). Mentre per altri operazionali si puè effettuare la compensazione di frequenza o il null di corrente, questo non è previsto per il 741. Comunque, nel caso fosse previsto, si deve usare una rete RC posta in serie ai due pins.

Il vecchio 709 aveva dei pin appositamente previsti per la compensazione di frequenza anzi, se ricordo bene, c'erano due compensazioni: una di anticipo ed una di ritardo.

Il 741 introdusse due inprovements notevoli: l'ampliamento della gamma di tensione di ingresso e l'eliminazione della compensazione di frequenza.

Tieni presente che il guadagno del 741 cala di 20db/decade a partire da 10Hz e si annulla ad 1MHz

Modificato: 26 ottobre 2008 da Livio Orsini

[tesla88]

Spero ci sia stato un errore di battitura e siano 10KHz ..............altrimenti non è un O.A. ma è un filtro per subwoofer

[Livio Orsini]

Ahi, ahi, non conosciamo molto bene gli O.A.

Dal data sheet del 741 vedi che il diagramma guadagno ad anello aperto funzione della frequenza è piatto fino a 10Hz e corrisponde a 98db circa, ad ogni decada diminuisce di 20db, sino ad arrivare a -2db a 1MHz; la fase raggiunge i -90gradi a circa 500Hz, si mantiene a -90 gradi sino a 500kHz circa poi aumenta in negativo.

Se ti limiti a 40db di guadagno (100 volte in tensione) hai una banda passante di 10kHz, se vuoi guadagnare 1000 (60db) la banda è limitata a 1kHz.

Lo scritto subito che il 741 non è un fulmine di guerra.

Comunque se vai a leggere i dasheets di OA economici per impieghi genrali, anche quelli più moderni tipo LM124 e simili, ti accorgerai che le cose non vanno molto meglio.

Modificato: 27 ottobre 2008 da Livio Orsini

[MusicIsLife]

Eccomi tornato.

Allora ragazzi, ho effettuato delle misurazioni (veloci, senza aver la pretesa di essere precise al microVolt ) ed ho verificato che il circuito realizzato rispetta i range impartiti dal mio professore.

In particolare ho un CMRR buono: 94 dB [at] 100Hz e 87 dB [at] 10KHz.

Dato che nelle specifiche mi chiedeva di avere un CMRR > di 70dB su tutta la banda utile del segnale, direi che ci sono dentro con un ampio margine.

Prima di realizzare il circuito ho eseguito una serie di prove sugli operazionali (slew-rate, rise time) per selezionarli più simili possibili. Ho inserito la regolazione di offset, il trimmer del guadagno per stare nel range su tutta la banda del segnale, il trimmer per la massimizzazione del CMRR e pure la compensazione in frequenza (che avevo montato provvisoria per verificare che fosse utile e che non mi portasse solamente dei danni) si è verificata funzionate.

[MusicIsLife]

Ciao ragazzi.

Volevo ringraziarvi per gli spunti che mi avete dato.

Oggi ho consegnato il progetto al professore di Strumentazione Elettronica. Dovevo realizzare il prototipo che rientrasse nelle specifiche e caratterizzare le misurazioni effettuate tramite un sistema automatico di misura PXI della National Instruments.

Tutto è andato per il meglio; io e il mio collega abbiamo preso la massima valutazione possibile perchè il circuito era fatto molto bene e i valori riportati rientravano nelle specifiche richieste. Questo anche grazie ai vostri preziosi aiuti

Grazie ancora!