Appunti Elettronica per sistemi biomedicali

Limiti di tensione di alimentazione e impedenza d'uscita dell'operazionale

V V G+ −outlimite nella tensione di alimentazione, non e’ infinita (5V-10V). Se alimentol’operazionale a 10V non riesco ad ottenere all’uscita segnali oltre 10V, e comunquei segnali in gioco non possono superare la tensione di alimentazione. In realta’quelli reali trattano segnali piu’ inferiori rispetto alla tensione di alimentazione. Idispositivi che lavorano quasi al limite della tensione di alimentazione sono detti rail-to-rail.

L’impedenza d’uscita dell’operazionale sara’ molto bassa, ma non potra’ mai essere 0. La corrente che puo’ fornire in uscita un operazionale e’ sempre limitata. Se ho un segnale che in uscita dovrebbe essere 10 V, ed ho un carico resistivo, l’operazionale dovrebbe tirar fuori un segnale. Se la resistenza e’ 1000 ohm, la corrente che deve fornire l’operazionale dovrebbe essere 1mA, per far si che sulla R ci sia +-1V, ma questo operazionale non e’ detto che riesca.

A fornirlo, soprattutto se la R del carico è così bassa. Può quindi fornire una corrente massima ben definita.

L'operazionale è un circuito complesso e funziona come se in ingresso ci fosse sempre un piccolo segnale di offset, che non corrisponde a quello che forniamo noi. È sempre presente un piccolo segnale di pochissimi volt, quindi se faccio un amplificatore che amplifica un tot, si trova quel tot+offset. Se l'offset è molto alto, può succedere che il segnale venga tagliato.

Dentro l'amplificatore ci sono altri componenti, quindi ai suoi capi ha bisogno che scorano piccole correnti in modo che i componenti funzionino: correnti di polarizzazione.

L'operazionale è fatto da tanti transistor, ecc, ciascuno dei quali produce del rumore. Anche se non ho segnali d'ingresso, produce del rumore che risulterà in uscita. Il rumore è tanto più forte quanto minore è la qualità.

dell'amplificatore. L'amplificatore avrà un certo comportamento in frequenza.

Amplificatore operazionale in configurazione standard non invertente

Si ha un ingresso di 2Vpp e un'uscita di 4Vpp.

Se faccio salire l'ingresso a 6Vpp, avrò un'uscita di 12Vpp.

In un dispositivo reale, se metto le uscite insieme, non sarà 0 ma un valore diverso da 0. Per tenerne conto posso modificare l'equazione, aggiungendo la tensione dell'offset:

L'offset può essere un problema quando non voglio un segnale variabile. Per esempio se misuro la temperatura, che è variabile ma lentamente, se devo amplificare l'uscita del sensore della temperatura e voglio usare l'operazionale, l'offset viene letto come variazione di temperatura.

Quindi nel caso di misura precisa della temperatura, della pressione,

è far si che le correnti che escono dai pin degli amplificatori operazionali creinola stessa tensione. Mettendo una Rm in relazione con Rb ed Ra, posso tentare dibilanciare la corrente di offset. Con un Rm giusta, si può quindi annullare l'offset. Si può usare questo trucco anche per annullare l'offset dell'operazionale, però quest'ultimo è difficile perché quell'offset non è fisso.

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L'altra limitazione è il comportamento in frequenza del circuito, che vale sia per l'amplificatore operazionale che per tutti i circuiti in generale. Qualunque segnale può essere analizzato e rappresentato sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza. Questo è importante perché il comportamento di un circuito elettronico dipende dalla frequenza. In generale, tutta l'elettronica lavora su gamme più o meno ristrette di frequenza, quindi uno dei

I parametri fondamentali da valutare sono proprio su che gamma di frequenza lavora il dispositivo elettronico. L'operazionale lavora entro un certo limite di frequenza. L'informazione del limite viene fornita dando una frequenza particolare, in cui il guadagno G diventa 1. Sul data shift si troverà scritto "il valore di G scende e diventa 1 a una certa frequenza". Quindi la gamma di frequenza viene espressa con quel valore per cui G è diventato 1. Il costruttore aggiunge dei filtri sul dispositivo per far si che G abbia un andamento noto: questo andamento è fatto per definire la stabilità della retroazione. In questo esempio G è alto, e arriva a 1 alla frequenza di 1MHz. Questo basta per valutare l'operazionale perché sapendo questa cosa, posso utilizzarlo nelle gamme indicate dal grafico. Se voglio un guadagno di 100 posso usarlo fino a 10kHz, non oltre. La banda effettiva di

Utilizzo dell'operazionale dipende dal guadagno necessario. Il taglio è fatto in maniera tale che il guadagno sia costante.

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Esercizi

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Quando si vuole realizzare un amplificatore con guadagno alto l'offset può diventare un problema: una possibile soluzione è dividere l'amplificatore in più stadi:

La tensione continua non viene amplificata, ma bloccata dalla capacità.

Nel caso in cui si voglia un amplificazione alta, dalla continua si usa l'amplificatore particolare più complesso. Si chiama chopper, usato come amplificatore più internamente più complicato.

Classificazione di amplificatori operazionali reali

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Il drift è la variazione delle caratteristiche al variare della temperatura.

Comparatore

Quando il segnale di ingresso è sotto il riferimento, il segnale va a 0. Compara la tensione di

ingresso con quella del riferimento, e se , l'uscita e' la tensione diV Vi rifcortocircuito, altrimenti si ha in uscita un'alta impedenza.

Un esempio di applicazione e' il termostato.

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Multiplexor analogici

E' un interruttore: ha un comando che connette l'uscita di S1 o S2. Il SEL e' uncomando digitale: puo' avere solo due stati: se e' 0, S1 e' connesso con D, altrimenti e'S2 ad essere connessa con D.

Questo e' quindi un multiplexor analogico con comando digitale. Se si ha per esempioun amplificatore a due ingressi, e vi si collega un microfono, con questo dispositivodecido quale microfono collega a quale ingresso.

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Ha 4 interruttori su due canali, quindi ha piu' comandi, e in base al comando possochiudere uno dei 4 interruttori, sia sopra che sotto. Si agisce quindi nei comandi esterni.

Hanno un comando digitale, creano quindi una

Controllo il guadagno e la frequenza interna: Filtri passivi

Un segnale si può vedere nel tempo e in frequenza, e si può operare sulle frequenze.

La cosa più semplice è il filtro bassi/acuti che si trova sullo stereo, che si controlla attraverso una manopola esterna.

Questo circuito è un filtro, che è come un partitore ma un po' più complicato. L'ampiezza dipende dalla frequenza. Il filtro serve a far passare meglio alcune frequenze rispetto ad altre. L'ampiezza del segnale presente nel circuito è rappresentata nel grafico.

Questo circuito funziona da passa basso: fa passare meglio le frequenze basse. Attenua quindi le frequenze alte. Per ciascuna frequenza si comporta in modo diverso.

Il circuito RC è un filtro passa-basso. Si sceglie una frequenza di taglio per vedere quali frequenze passano o meno. Le frequenze sopra FL non passano. Ha un comportamento in frequenza non costante.

Per tutte le frequenze, e si arriva a un grafico come quello sopra: fino a le frequenze passano, poi si attenuano di 6 o 20FLdB/ottava. Se inverto, le frequenze basse vengono attenuate, quelle alte passano: passa-alto.

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Ogni qualvolta c'è una capacità, compare un filtro, cioè un circuito che in frequenza ha un comportamento particolare (passa-alto o passa-basso). Un caso particolare è la capacità messa per bloccare la continua, che viene bloccata perché questo è un filtro passa-alto. Quindi non passa la continua e neanche le frequenze basse.

Elettronica digitale è basata solo su due livelli di tensione: bassa o alta (0 o 1). Tipicamente sono il riferimento e l'alimentazione. Quindi se abbiamo un circuito alimentato a 3.3V, allora in questo circuito idealmente dovremmo avere solo tensioni da 0V e 3.3V, ma nella realtà