Amplificatore da strumentazione: quanto è importante la reiezione?

Gli ingegneri elettronici, nella progettazione, devono tenere conto di tantissimi parametri: dalle alimentazioni fino ai valori assunti dal segnale all'uscita dal sistema. Tutto questo viene fatto con scrupolose analisi di funzionamento sia in regime statico sia di segnale, condotte per blocchi funzionali, fino alla caratterizzazione completa del sistema. Abbiamo visto un esempio di progetto, completo e documentato fin nei suoi più specifici dettagli, ovvero lo studio di un sistema in grado di tracciare il segnale elettrocardiografico. Oggi approfondiamo quel tema con un focus specifico sulla reiezione dei disturbi, un tema che riguarda tutti i segnali che possono essere affetti da componenti oscillatorie.

A seguito di alcune richieste pervenute, oggi ci occupiamo della reiezione di disturbi, soprattutto di tipo oscillatorio, con particolare riferimento a due figure di merito che sono fondamentali, ovvero il CMRR ed il PSRR.

Cominciamo subito proponendovi una figura estremamente significativa:

Figure 1nella quale osserviamo l'andamento tipico del PSRR in un amplificatore da strumentazione. Notiamo, in via preliminare, ma capiremo meglio il perché tra poco, che nella figura sono indicati diversi valori del guadagno. Tale dettaglio dipende dalla configurazione che utilizzeremo. Ma tutto questo sarà più chiaro tra poco.

Le figure di merito

In verità l'abbiamo già trattate quando abbiamo parlato della caratterizzazione dell'amplificatore da strumentazione, specificando che si tratta della soluzione migliore per il trattamento dei segnali biologici e fisiologici e che questi rappresentano i principali settori di impiego per questa configurazione.
Ricordiamo, perché è fondamentale al fine di caratterizzare completamente queste figure di merito, che l'INA è in grado di elaborare il segnale con grandissima precisione. Questo è un fatto estremamente soggetto a variabilità in funzione anche del guadagno di riferimento e richiede una progettazione specifica.

La reiezione dei disturbi è un tema fondamentale nella progettazione ed è importante riuscire ad ottenere questo risultato su qualunque segnale. Questo è ancora più importante quando parliamo dell'alimentazione ed il PSRR (Power Supply Rejection Ratio) non è la sola a dover essere ottimizzata. La reiezione interessa anche il modo comune e questo viene espresso tenendo sempre conto del CMRR (Common Mode Rejection Ratio), ovvero del segnale presente su entrambi gli ingressi di una configurazione differenziale.

Il fatto che queste due figure di merito siano fondamentali è stato trattato quando abbiamo analizzato il segnale elettrocardiografico con particolare riferimento proprio le componenti di modo comune.
È molto importante valutare l'impatto in maniera più specifica per capire ancora meglio di cosa stiamo parlando.

Nell'immagine che abbiamo appena visto viene specificata nel dettaglio la differenza tra i valori di tensione proposti all'uscita dal sistema in funzione di quelle presenti all'ingresso (statico). Si verifica, è chiaro, una certa fluttuazione dei valori dovuta a componenti parassite, spurie o di disturbo. il che altera anche la risposta in frequenza del sistema. Tali errori si presentano in maniera sistematica ma la loro variazione non è del tutto predicibile. Questo significa che quello che vi stiamo facendo vedere, in realtà, rappresenta un modello concettuale, idealizzato, dell'addizione di rumore.
Quello che possiamo dire per certo è che maggiore sarà il guadagno dell'intero sistema, soprattutto considerati i suoi blocchi funzionali, maggiore sarà la componente di rumore.
Questo è evidente, dal momento che sappiamo bene che amplificare il segnale al quale è stato sovrapposto del rumore significa rendere più importanti, in modulo, sia il segnale sia il rumore.
Tutto questo viene specificato e chiarito dalle equazioni

formula 1Si capisce facilmente, quindi, che rappresentano una variazione percentuale del segnale in ingresso, quando di modo comune e quando di alimentazione.
Per poter comprendere al meglio gli effetti del guadagno è necessario tener presente che la maggior parte degli amplificatori da strumentazione è costituita da due stadi, a differenza delle strutture che prevedono solo due amplificatori operazionali. Una variazione nella tensione di alimentazione, oppure sulla tensione presente come componente di modo comune, può causare un offset, una componente aggiuntiva che si presenta su ciascuno, oppure singolarmente, dei due stadi.

Figure 2

Una considerazione di questo tipo può essere espressa dall'equazione che segue

formula 2

in cui è sufficiente indicare il guadagno per tener conto di tutti i contributi complessivamente incidenti.
Bisogna tener presente che il generico datasheet di un amplificatore da strumentazione, come per esempio quello dell'INA118, indicherà valori tipici e massimi di queste tensioni di riferimento che saranno, evidentemente, espresse sempre come frazioni del guadagno.

Figure 3
Combinando le equazioni già viste si ottengono:

formula 3 formula 4

Ovvero specifiche che consentono di valutare la variazione parametrica in funzione del guadagno. Tali considerazioni possono essere fatte riferite ad entrambi gli stadi per ottenere

formula 5Molti degli amplificatori da strumentazione hanno un'uscita che è uno stadio a guadagno unitario, il che vuol dire che tutto il guadagno dell'amplificatore è determinato dallo stadio di guadagno in ingresso

formula 6In questa ipotesi le specifiche relative alla componente di rumore di modo comune e al PSRR migliorano a guadagni più elevati e questo perché lo stadio d'ingresso diventa la sorgente dominante dell'errore che viene introdotto.  C'è anche un altro effetto molto importante che però non abbiamo ancora discusso e pertanto focalizziamo la nostra attenzione adesso su un effetto, comparando ingresso e uscita.

IN & OUT

Sempre considerando lo stesso modello di amplificatore da strumentazione, e sempre con grande attenzione alle figure di merito di cui stiamo parlando, quando il guadagno è più alto [...]

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