Modulo 5 Electrónica
Amplificadores
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Contenido:
• Fundamentos de Circuitos Eléctricos.
• Amplificador Operacional
• Amplificador de Instrumentación
Variables en circuitos eléctricos:
-Voltajes y corrientes.
Los potenciales bio-eléctricos como el ECG, son señales
periódicas.
Una señal periódica simple como la senoidal se representa matemáticamente como:
Fasores
.
Un número complejo para representar una cantidad en un circuito eléctrico.
Representación cartesiana: -Parte real [Re]
-Parte Imaginaria [Im]
Representación Polar (forma de Euler). Magnitud, módulo o valor absoluto.
Operaciones con fasores.
Sean
Adición:
Multiplicación:
División:
Fasores en circuitos eléctricos
Las señales variables se aplican a elementos tales como resistores R (en ohms, ), capacitores (en farads, F) e inductores (en henrys, H).
Para facilitar el análisis se emplea teoría de circuitos de c.a.
Se considera que la respuesta del circuito corresponde al estado permanente.
Relaciones de R, L y C con señales de c.a.
En estado senoidal permanente, las relaciones fasoriales de éstos dispositivos son:
En serie.
La impedancia total de un resistor en serie con un capacitor:
La impedancia total de un resistor, capacitor e inductor en serie:
En paralelo
¿Qué ocurre si las impedancias son iguales? -Resistores
Ley de Corriente de Kirchhoff.
La suma de fasores corriente que ingresan en un nodo equivale a cero. La suma de fasores corriente dejando un nodo equivale a cero.
La suma de caídas y elevaciones de fasores voltaje en una malla cerrada es cero.
Divisor de voltaje.
Para calcular el voltaje en Z2:
El cociente de la impedancia de interés y la suma de las impedancias del divisor, multiplicado por el voltaje de entrada
Divisor de corriente
Para calcular la corriente en Z2:
El cociente de la impedancia contraria a la de interés y la suma de las impedancias del divisor, multiplicado por la corriente de entrada.
Función de Ganancia.
La función de Ganancia para voltaje o corriente se define para el siguiente circuito.
Ganancia de Voltaje (Corriente): Relación de voltaje (corriente) de entrada entre voltaje (corriente) de salida, en función de R,L, C y frecuencia.
= 1 2
= 1 2
Obtener la expresión general para el voltaje de salida Vo del siguiente circuito y la Ganancia como función de R, C y f.
Amplificador diferencial
• Un Amplificador Diferencial puede ser empleado en diversas configuraciones para realizar diversas operaciones a las señales que se aplican a las terminales activas.
• El símbolo con el que se representa al amplificador operacional es el siguiente:
Amplificador Diferencial /Amplificador Operacional
• Se pueden realizar operaciones como suma, resta, multiplicación (amplificación), división (atenuaciones) o valor absoluto (rectificación) a las señales de entrada.
1 Entrada no inversora 2 Entrada inversora
Voltaje de salida
Fuente de polarización positiva Fuente de polarización negativa
Ganancia
• La ganancia de voltaje es la cantidad en la cual se incrementa o amplifica una señal eléctrica y se define como el cociente del voltaje de salida entre el voltaje de entrada.
• Expresa ganancia de Potencia relativa. Unidad fundamental: Bel
• deciBel: Es una medida logarítmica de la relación de una potencia a otra o de un voltaje a otro.
Unidades de la ganancia: El decibel.
• Expresa ganancia de potencia relativa
• Ganancia lineal > 1: Amplificación, dB positivo.
• Ganancia lineal < 1, Atenuación, dB negativo.
= Ganancia de Voltaje 20log ( ) 8 18 4 12 2 6 1 0 0.707 -3 0.5 -6 0.25 -12 0.125 -18 = Ganancia de Voltaje 20log ( ) 8 9 4 6 2 3 1 0 0.707 -1.5 0.5 -3 0.25 -6 0.125 -9
Decibel dBm/dBmW
• Es la unidad para medir ganancia de potencia relativa a un mili Watt, para expresar cambios de potencia absoluta.
0 = 10 log10 1 = 30 + 10 log10 1 = 1 ∗ 1010 = 1 ∗ 10 −3010 Nivel de Potencia Potencia real Uso
80 dBm 100 kW Potencia de transmisión de una estación de radio 60 dBm 1 kW = 1000 W Potencia de un horno de microondas
27 dBm 500 mW Potencia de un celular 20 dBm 100 mW Bluetooth Clase 1
15 dBm 32 mW Potencia de transmisión de WiFi en Laptops 4 dBm 2.5 mW Bluetooth Clase 2, 10 m
0 dBm 1.0 mW = 1000 µW Bluetooth Clase 3, 1 m −10 dBm 100 µW Señal recibida máx. WiFi
Amplificador en lazo abierto
La Ganancia de lazo abierto es demasiado alta. Ancho de banda relativamente angosto.
Amplificador en lazo abierto
Este comportamiento del Amplificador Diferencial en lazo abierto corresponde a un circuito comparador
• La ganancia se puede reducir y controlar de modo que pueda funcionar como amplificador lineal, también controla las impedancias de entrada y salida, y el ancho de banda del amplificador.
Con el fin de simplificar el análisis del amplificador, se consideran las siguientes características Ideales:
• Impedancia de entrada infinita.
• Impedancia de salida cero
• Ganancia de lazo abierto infinita.
• Ancho de banda infinito.
• Corriente de polarización (bias) cero.
• Corriente de offset de entrada cero.
• Rapidez de respuesta infinito.
Consideraciones de análisis de un OpAmp
= ∞
• La impedancia de entrada diferencial es la resistencia total entre las entradas inversora y no inversora.
• La impedancia de entrada en modo común es la resistencia entre cada entrada y tierra.
•
La
impedancia de salida
es la resistencia vista desde
la terminal de salida del amplificador operacional
• La corriente de polarización de entrada es la corriente de cd requerida por las entradas del amplificador operacional para la operación apropiada de la primera etapa.
• La corriente de offset de entrada, es la diferencia de las corrientes de polarización de entrada, expresada como un valor absoluto.
• Es deseable que el amplificador tenga la mínima posible, ya
que a la salida, el voltaje se amplificará.
• Es la rapidez de variación de voltaje de salida en respuesta a un voltaje de una entrada escalón. Para medirlo se implementa la configuración siguiente.
• La rapidez se expresa como: y se mide en unidades de
• REGLA 1: Cuando el amplificador funciona en el rango lineal, las dos terminales de entrada están al mismo nivel de voltaje, es decir:
• REGLA 2: Ninguna una corriente fluye hacia las terminales de
entrada. Ya que consideramos una impedancia de entrada muy grande, por tanto:
• Hallar para tener una ganancia en lazo cerrado de -100
• Ajuste de ganancia estableciendo el valor de las resistencias externas, de acuerdo a su función de transferencia en lazo cerrado
• Si y .
• Valores de R al 1% de tolerancia. Adecuado si las señales de
entrada pueden proporcionar corriente.
• La impedancia del circuito de entrada (el divisor de voltaje) no
es infinita y demanda corriente.
• Buffer de entrada: alta impedancia de entrada, baja impedancia de salida.
• Ganancia unitaria, alta impedancia de entrada, baja impedancia de salida.
• Se mantiene la alta impedancia de entrada con los seguidores
de voltaje pero se agrega una ganancia ajustable
.
Buffer Diferencial con ganancia ajustable
= ( 1− 2)
2
0
• Si ,
• Para una ganancia específica, se calcula el valor de
• Amplificador Diferencial con ganancia unitaria y un
amplificador buffer, donde la resistencia se ajusta para
definir la ganancia del amplificador.
Amplificador de Instrumentación.
Para una ganancia específica, se calcula el valor de
•
A.I. AD620
Modo Diferencial
•
De una sola terminal:
•
De dos terminales:
Modo Común
• Cuando las señales de entrada son iguales en amplitud, fase y
frecuencia en ambas entradas, éstas se cancelan y el resultado es un voltaje de salida de 0V.
• Hablamos de una señal común a ambas entradas o señal de
modo común.
• La acción de cancelar o, en realidad, restar ambas señales, se
Modo Común (cont.)
• Una señal común (ruido) se atenúa al emplear un
• La medida de la habilidad de un amplificador de rechazar señales en modo común
• Mientras más alta sea la CMRR, mejor rechazo de las señales
comunes. También se mide en dB
CMRR
(cont.)
Ejemplo:
• Si la CMRR es 1 000:1, entonces, la señal común (por ejemplo,
el ruido) será rechazado en su gran mayoría, con excepción de una fracción de 1/1 000.
( ñ ) =
Ejemplo:
Considere una señal bioeléctrica de 2mV captada en la superficie de la piel, en presencia de una señal electromagnética inducida de 500mV.
Se amplifica con ganancia de 2000 y con una CMRR de 10,000:1.
Calcule la magnitud de la señal de salida útil y del ruido (señal común).
Figura de mérito para medir la potencia del ruido presente en una señal.
Es la relación de la potencia de la señal entre la potencia del ruido. Se expresa en decibeles para potencia:
Amplificador de señales bioeléctricas.
Impedancia de entrada
• La impedancia de entrada de un bio-amplificador debe ser
suficientemente alta de forma que no atenúe la señal bio-eléctrica en cuanto se conecte a las terminales de entrada del amplificador.
• Ejemplo:
Biopotencial de 2mV, Impedancias 10kOhm, Impedancia entrada 80kOhm. Se atenuará hasta _____mV a la entrada.
Reducir la impedancia en electrodos a 1kOhm y se incrementa la impedancia de entrada del amplificador a 1MOhm.
Amplificador de señales bioeléctricas (cont)
Ganancia
• Un buen amplificador debería tener una ganancia
seleccionable de entre 100 a 10000. Independientemente de la ganancia del amplificador, la amplitud de la señal debe ser reportada como se capta en los electrodos, es decir en unidades de microvolts o milivolts.
• Amplificar sin atenuación todas las frecuencias contenidas en la señal.
• Ancho de banda: - Pulso
- Monitorización - Clínico
Acoplamiento capacitivo a la línea de alimentación120V,@60Hz A una distancia de 1 metro; un área de 1 m cuadrado.
Acoplamiento capacitivo a las líneas de alimentación.
• Un paciente está acoplado a una línea de energía de
120V@60Hz por una capacitancia dispersa de 5pF.
• Calcule el voltaje V1 y V2 si el Amplificador Diferencial tiene
una impedancia de 10MOhm en cada entrada.
Voltaje inducido por las líneas de alimentación.
= 1