Circuiti d’ingresso analogici - 1
Circuiti d’ingresso analogici
1 - Il riferimento per i potenziali
Schemi single-ended e differenziali
I segnali elettrici prodotti dai trasduttori, oppure prelevati da un circuito o da un apparato
elettrico, vengono applicati a un sistema di misura sotto forma di una tensione, dunque una
differenza di potenziale fra due punti.
L’applicazione del segnale al sistema elettronico di misura richiede di considerare la modalità
di riferimento per i potenziali, sia per quanto riguarda gli stadi di ingresso del sistema di
misura sia per quanto riguarda il generatore equivalente del segnale da misurare.
Normalmente i circuiti d’ingresso dei sistemi elettronici di misura presentano un
amplificatore (cioè un circuito attivo) per il quale è necessario stabilire e individuare un punto
comune (common) al quale riferire i potenziali di molti altri punti: tipicamente a questo punto
comune sono riferite le tensioni di polarizzazione dell’amplificatore, la tensione d’uscita vout e
spesso la tensione in ingresso.
Per quanto riguarda invece il segnale da misurare, non sempre è possibile portare uno dei suoi
morsetti al potenziale di riferimento (common) degli stadi di ingresso del sistema di misura.
Per chiarire questo punto, in Fig.1.1A è riportato il caso di un generatore equivalente di
segnale (vs Rs) applicato a uno stadio amplificatore sui morsetti H ed L (High e Low), fra i
quali è presente la resistenza d’ingresso Rin.
In questo schema, sia il generatore di segnale (vs Rs), sia l’ingresso (H-L) dell’amplificatore,
sia l’uscita (vout) dell’amplificatore, sono tutti riferiti allo stesso punto common.
Questa configurazione è detta single-ended (le tensioni riferite a un unico punto).
Fig.1.1 - Modalità per applicare il segnale a un sistema di misura.
A) single-ended. B) differenziale.
D’altra parte, in molti casi pratici il segnale di misura risulta flottante, cioè la tensione del
segnale di interesse (vs Rs) non è riferita al punto comune, e inoltre nessuno dei due morsetti
del generatore di segnale può essere collegato al common dell’amplificatore, per motivi di
funzionamento del circuito, come verrà mostrato più avanti.
In tali casi, gli stadi amplificatori di tipo single-ended non sono utilizzabili e bisogna ricorrere
a configurazioni apposite (vedi la Fig.1.1B) basate sull’amplificatore differenziale.
L’amplificatore differenziale è infatti in grado di accettare in ingresso segnali flottanti e di
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amplificare correttamente (entro certi limiti) la differenza di potenziale fra due punti, anche se
nessuno di essi è il common del sistema.
Da un punto di vista generale (vedi la Fig.1.2A) si possono considerare i due morsetti di un
generatore flottante come portatori rispettivamente della tensione v1 e della tensione v2 riferite
al punto common, mentre R1 ed R2 sono le resistenze interne di questi generatori equivalenti.
Fig.1.2 - Schema equivalente di un amplificatore differenziale.
Da questo schema, attraverso le tensioni v1 e v2 si possono definire la tensione differenziale e
la tensione di modo comune nel seguente modo:
tensione differenziale : vD = v1 − v2
v +v
tensione di modo comune : vC = 1 2
2
(1.1)
Questa scomposizione è rappresentata in Fig.1.2B.
La tensione differenziale vD è quella che ci interessa amplificare, con un certo guadagno AD.
La tensione di modo comune vC è quella presente su entrambi gli ingressi dell’amplificatore
(vedi Fig.1.2B) e che si vorrebbe non desse alcun contributo sull’uscita.
La reiezione del modo comune
In realtà, per come l’amplificatore è costruito e montato sulla scheda, spesso si può trovare in
uscita una traccia della tensione di modo comune vC. In definitiva, si può ritenere che la
tensione di modo comune vC venga amplificata con un guadagno AC.
Quindi in uscita dall’amplificatore si hanno due contributi:
vout = vout , D + vout ,C = AD vD + AC vC
(1.2)
Il contributo dovuto alla tensione di modo comune vC rappresenta un disturbo indesiderato,
dal momento che vorremmo amplificare solo la tensione differenziale vD.
Inoltre, in alcuni casi pratici, l’amplificatore si trova in ingresso segnali differenziali vD molto
piccoli, mentre la tensione di modo comune vC può assumere valori relativamente elevati.
Allora, un buon amplificatore d’ingresso dovrebbe avere un guadagno AD sufficientemente
elevato (possibilmente variabile, a seconda delle esigenze) e un guadagno AC tendente a zero.
La caratteristica di amplificare il modo differenziale e di escludere il modo comune è detta
reiezione del modo comune ed è definita come il rapporto fra i moduli del guadagno
differenziale e quello di modo comune (Common Mode Rejection Ratio, CMRR); spesso viene
dato anche in dB (Common Mode Rejection, CMR):
CMRR =
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AD
AC
CMRdB = 20 log
AD
AC
(1.3)
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2 - Amplificatore per strumentazione
Schema circuitale
Un amplificatore ideale dovrebbe avere una reiezione (CMRR) infinitamente grande.
Negli stadi di ingresso dei sistemi di acquisizione dati si impiega un dispositivo
appositamente progettato e costruito: l’amplificatore per strumentazione.
L’amplificatore per strumentazione è costituito essenzialmente da due stadi non invertenti
(OP1 e OP2), montati secondo una struttura bilanciata (Fig.2.1) e da uno stadio d’uscita con
l’amplificatore OP3.
Fig.2.1 - Amplificatore per strumentazione.
Per l’analisi del dispositivo osserviamo che, se gli amplificatori operazionali OP1 e OP2
hanno un comportamento ideale, esiste un corto circuito virtuale ai loro ingressi.
Pertanto la corrente nella resistenza Rg risulta:
i=
v1 − v2
= i f 1 = −i f 2
Rg
(2.1)
Fra le uscite dagli amplificatori OP1 e OP2 risulta disponibile la tensione differenziale:
vo1 − vo 2 = ( Rg + 2 R2 ) ⋅ i =
Rg + 2 R2
Rg
⎛
R ⎞
( v1 − v2 ) = ⎜1 + 2 2 ⎟( v1 − v2 )
⎜
Rg ⎟⎠
⎝
(2.2)
Questa tensione differenziale è applicata allo stadio successivo, contenente l’amplificatore
OP3, che è configurato come un amplificatore differenziale.
Nota sul modo comune
Supponiamo di applicare all’amplificatore per strumentazione la stessa tensione sui morsetti
d’ingresso non invertenti (+): v1 = v2 = vC. In sostanza ciò equivale a considerare in ingresso
solo la tensione di modo comune vC. Allora, per effetto del corto circuito virtuale in ingresso,
dovuto alla presenza della controreazione, anche il morsetto invertente (-) di entrambi gli
operazionali OP1 e OP2, che costituiscono lo stadio di ingresso simmetrico, presenta la
tensione vC di modo comune.
Dunque non circola corrente nella resistenza Rg e quindi neppure nelle resistenze di reazione
R2. Pertanto le uscite degli operazionali OP1 e OP2 risultano vo1 = vC e vo2 = vC.
Gli amplificatori OP1 e OP2 si comportano, nei riguardi del modo comune, come degli
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inseguitori di tensione.
Da queste considerazioni consegue che la reiezione del modo comune è completamente
affidata al successivo stadio differenziale e alla sua corretta realizzazione.
L’amplificatore differenziale
Lo stadio finale dell’amplificatore per strumentazione è noto come stadio differenziale,
proprio perché ha lo scopo di rimuovere il modo comune vC e di riferire la tensione in uscita
vout al potenziale comune.
L’amplificatore differenziale può essere impiegato anche da solo, senza gli stadi simmetrici
che formano la parte d’ingresso nell’amplificatore per strumentazione. Pertanto valutiamo il
suo comportamento, facendo riferimento alla Fig.2.2A, dove è riportato uno schema generale
(con le resistenze tutte diverse).
Fig.2.2 - Amplificatore differenziale: tensione differenziale e di modo comune.
Per analizzare il comportamento dell’amplificatore differenziale, si può applicare il principio
di sovrapposizione degli effetti, considerando i contributi sulla tensione d’uscita vout dovuti
separatamente agli ingressi v1 e v2 e tenendo conto del noto funzionamento degli operazionali
ideali (vedi Fig.2.3 A e B).
Fig.2.3 - Schema per la sovrapposizione degli effetti di v1 e v2.
Caso A) - Considero solo la presenza di v1 (Fig.2.3A). Si ha:
i1 =
v
v1
= − out1
R1
R2
⇒ vout1 = −
R2
v1 = A1v1
R1
(2.3)
Caso B) - Considero solo la presenza di v2 (Fig.2.3B).
La tensione sul morsetto non invertente (+) risulta: v2 p = v2
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R4
e quindi:
R3 + R4
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i2 =
v2 p
=
R1
vout 2
R1 + R2
⇒ vout 2 =
R1 + R2
R4
⋅ v2
= A2 v2
R1
R3 + R4
(2.4)
In definitiva, la tensione complessiva d’uscita vout risulta:
vout = vout1 + vout 2 = A1v1 + A2v2
posto : A1 = −
R4
R + R2
R2
e A2 =
⋅ 1
R3 + R4
R1
R1
(2.5)
Dove sono stati introdotti i guadagni A1 e A2 con cui le tensioni in ingresso v1 e v2 si
presentano sull’uscita vout.
Se ora si esprimono le tensioni in ingresso v1 e v2 in funzione delle componenti di modo
comune vC e differenziale vD si ottiene:
vout = ( A1 + A2 ) vC + ( A1 − A2 )
vD
= AC vC + AD vD
2
(2.6)
I guadagni di modo comune AC e differenziale AD risultano allora:
vout
vC
vD =0
v
AD = out
vD
vC = 0
AC =
⎡ 1 + R1 / R2 ⎤
⎢1 −
⎥
⎣ 1 + R3 / R4 ⎦
A − A2
1 R2 ⎡ 1 + R1 / R2 ⎤
= 1
=−
⎢1 +
⎥
2
2 R1 ⎣ 1 + R3 / R4 ⎦
= A1 + A2 = −
R2
R1
(2.7)
Da tali espressioni si può dedurre la condizione tipica per un comportamento rigorosamente
differenziale, caratterizzato da un guadagno nullo per il modo comune (AC = 0):
R1 R3
=
R2 R4
⇒
vout = AD vD = −
R2
(v1 − v2 )
R1
(2.8)
Se viene realizzata la condizione precedente sui rapporti fra le diverse resistenze, viene
amplificata (e invertita) solo la differenza vD fra i segnali in ingresso, mentre nessun
contributo della tensione di modo comune vC è presente sull’uscita.
In molte applicazioni pratiche si ha una piccola tensione differenziale vD e un elevato valore
della tensione di modo comune vC. Per garantire in questi casi una buona reiezione del modo
comune, occorre rendere il più piccolo possibile il guadagno di modo comune AC (essendo
praticamente impossibile annullarlo del tutto).
Dunque nell’amplificatore per strumentazione lo stadio differenziale con OP3 ha le resistenze
R3 ed R4 (che fanno capo ai morsetti “più” e “meno”) perfettamente bilanciate:
R4
R3
=
−
R4
R3
(2.9)
+
Allora la tensione in uscita dallo stadio OP3 risulta come in uno stadio invertente:
vout = −
R4
R ⎛
R ⎞
( vo1 − vo 2 ) = − 4 ⎜1 + 2 2 ⎟( v1 − v2 ) = AD vD
R3
R3 ⎜⎝
Rg ⎟⎠
(2.10)
L’amplificatore per strumentazione (Instrumentation Amplifier, IA) presenta molti dei
requisiti richiesti a un buon amplificatore differenziale.
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Innanzitutto è realizzato su un circuito integrato e ciò limita notevolmente le derive dei
componenti dovute a fenomeni termici. Inoltre, la resistenza di ingresso effettiva per entrambi
i canali v1 e v2 è particolarmente elevata (1 ÷ 100 GΩ) e la reiezione del modo comune
effettiva arriva a 80 ÷ 100 dB.
Il controllo del guadagno differenziale AD viene fatto, normalmente, agendo sulla sola
resistenza Rg, mediante un resistore programmabile (Programmable Gain Instrumentation
Amplifier, PGIA). I sistemi di acquisizione dati presentano normalmente un amplificatore per
strumentazione in ingresso.
Fig.2.4 - Sistema di acquisizione dati con PGIA.
3 - Amplificatori di isolamento
Motivazione per l’impiego
Gli amplificatori di isolamento trovano applicazione in numerosi casi pratici; in particolare
quando la tensione di modo comune risulta troppo elevata per l’integrità del dispositivo
amplificatore (tipicamente quando supera la tensione di polarizzazione, per esempio ±15 V),
oppure per motivi di sicurezza delle persone.
Per chiarire e giustificare il loro impiego si può considerare l’esempio in Fig.1.4. Si tratta di
un carico elettrico alimentato dalla rete pubblica di distribuzione a 220 V e 50 Hz e si vuole
misurare la corrente I che fluisce nel circuito tramite uno shunt Rs del quale si preleva la
caduta di tensione ΔV. Normalmente lo shunt ha un valore di resistenza molto piccolo e
pertanto anche la caduta di tensione ΔV risulta piccola e deve essere amplificata.
In Fig.3.1 le tensioni Eb+ ed Eb- sono le tensioni necessarie per polarizzare l’amplificatore.
Tipicamente l’uscita Vout è riferita al punto comune Com, e questo è al potenziale di terra.
Notiamo che nei comuni sistemi di distribuzione dell’energia elettrica si impiega il conduttore
di Fase e il conduttore di Neutro per formare un circuito monofase. In particolare, il polo di
Neutro viene portato al potenziale del terreno (messo a terra) dall’Ente Distributore, presso la
propria cabina di distribuzione.
Fig.3.1 - Misura su rete di distribuzione tramite shunt.
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Dall’esame del circuito in Fig.3.1 e da quanto detto, risulta che i morsetti dello shunt si
trovano entrambi praticamente alla tensione di 220 V rispetto a terra. Pertanto l’amplificatore
presenta entrambi i morsetti di ingresso H e L con una tensione che è di 220 V rispetto a terra.
Poiché il punto comune Com, cui sono riferite le tensioni di polarizzazione dell’amplificatore
e la tensione in uscita, si trova al potenziale di terra, allora la tensione di 220 V risulta di
modo comune per l’amplificatore. Tale tensione di modo comune è troppo elevata e non può
essere sostenuta dai normali amplificatori per strumentazione.
In casi come quello appena esaminato sono necessari amplificatori di isolamento, che
garantiscono la completa separazione galvanica fra i segnali d’ingresso e d’uscita e possono
sostenere tensioni di modo comune molto più elevate (anche 2000 V). Questi amplificatori
non presentano collegamenti metallici diretti fra la porta d’ingresso e quella d’uscita.
Gli amplificatori di isolamento trovano impiego, oltre che in campo industriale, anche in altri
ambiti dove, per motivi di sicurezza delle persone, non è consentito il collegamento diretto fra
il sensore che rileva il segnale utile e l’elettronica di amplificazione ed elaborazione del
segnale. Un esempio significativo si ha nelle applicazioni elettromedicali, quando la
strumentazione è connessa alla rete di alimentazione a 220 V e 50 Hz.
Da un punto di vista circuitale e di funzionamento gli amplificatori di isolamento sono
costruiti con varie tecnologie; per esempio si impiegano dispositivi ad accoppiamento
magnetico oppure ottico.
Accoppiamento magnetico
In Fig.3.2 è rappresentato, come esempio, lo schema di un amplificatore di isolamento con
accoppiamento a trasformatore. Si notano due aree circuitali destinate rispettivamente
all’ingresso (input) e all’uscita (output); è inoltre presente una terza zona (power) che fornisce
le alimentazioni dei circuiti di ingresso (In Pwr) e di uscita (Out Pwr). Tutte queste tre aree
circuitali risultano reciprocamente separate galvanicamente mediante accoppiamenti
trasformatorici. n particolare, risultano distinti e galvanicamente separati soprattutto i punti di
common in ingresso (Incom) e in uscita (Outcom).
Fig.3.2 - Amplificatore di isolamento con accoppiamento a trasformatore.
Il segnale di ingresso Vin viene applicato al morsetto +In dell’inseguitore di tensione
d’ingresso. Questo amplificatore può essere eventualmente configurato anche con guadagno
non unitario, utilizzando il morsetto Fb (feedback) per connettere un opportuna rete di
reazione. Nello schema in figura, i morsetti Fb e -In sono in cortocircuito, ottenendo
l’inseguitore di tensione.
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Il modulatore mod provvede a traslare in alta frequenza lo spettro in banda base del segnale in
ingresso. Il segnale modulato viene trasmesso attraverso il trasformatore di isolamento e
quindi riportato in banda base dal demodulatore dem. Infine il segnale viene reso disponibile
sull’uscita Vout tramite un secondo inseguitore di tensione.
Il trasferimento del segnale utile attraverso la barriera di separazione galvanica è realizzato
con modulazione e demodulazione sincrona. L’impiego della tecnica di modulazione e
demodulazione consente di trasmettere attraverso il trasformatore anche segnali con
componenti continue o con bassissima frequenza, che non potrebbero altrimenti passare.
Le alimentazioni per i circuiti di ingresso (±Viss) e di uscita (±Voss) sono prodotte
rispettivamente dalle sezioni circuitali distinte In Pwr e Out Pwr. Queste alimentazioni, oltre
che per alimentare i circuiti interni, sono rese disponibili anche all’esterno del circuito
integrato, in modo da poter realizzare, se necessario, circuiti esterni di preprocessing e
postprocessing analogico. Entrambe le alimentazioni sono ottenute da un’unica alimentazione
esterna in DC (Pwr) di 15 V che viene resa alternativa tramite un chopper (oscillator) e quindi
trasferita attraverso i due trasformatori di alimentazione rispettivamente ai circuiti di ingresso
e di uscita.
Accoppiamento ottico
In Fig.3.3 è rappresentato lo schema di un amplificatore di isolamento con accoppiamento ottico
(per esempio, fotodiodo e fotorivelatore). La sezione di ingresso e quella d’uscita sono
elettricamente indipendenti (galvanicamente separate) e hanno ciascuna una propria
alimentazione: rispettivamente (VDD1 Gnd1) e (VDD2 Gnd2).
Il segnale in ingresso è applicato fra i morsetti (Vin+ e Vin- ); il segnale in uscita è raccolto fra i
morsetti (Vout+ e Vout- ). In alcuni casi è presente anche uno schermo conduttore (CMR shield),
posto a massa sull’uscita (Gnd2), che ha lo scopo di drenare a massa le piccole correnti
capacitive, evitando per quanto possibile che disturbino i circuiti secondari d’uscita.
Fig.3.3 - Amplificatore di isolamento con accoppiamento ottico.
Alcuni tipi di amplificatori di isolamento prevedono direttamente in ingresso un circuito
campionatore e un convertitore analogico-digitale che produce una sequenza di bit (bit
stream). In tal modo viene trasmessa attraverso la barriera ottica una serie di bit che
codificano i campioni del segnale in ingresso, preservando l’informazione dalle alterazioni
dovute ai disturbi.
A valle della barriera di isolamento, il segnale digitale viene riconvertito in un segnale
analogico, se il suo impiego successivo lo richiede in tale forma; oppure viene inviato
direttamente in forma digitale alle unità di digital post-processing.
Si noti, infine, che l’alimentazione dei circuiti d’ingresso (VDD1 Gnd1) e d’uscita (VDD2 Gnd2)
sono entrambe di tipo flottante, cioè nessun punto è vincolato nei riguardi dei potenziali.
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Questo fatto consente di collegare il morsetto Gnd1 a un punto che può essere di per sé a
potenziale elevato rispetto a massa. Anche il riferimento Gnd2 per i potenziali in uscita può
essere portato al potenziale del punto comune dei circuiti di elaborazione successivi.
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