Home Forum Scrivi una domanda di elettronica Come scegliere gli amplificatori operazionali

Questo argomento contiene 12 risposte, ha 2 partecipanti, ed è stato aggiornato da  LuigiFrancescoCerfeda 1 anno, 7 mesi fa.

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  • #59718

    LuigiFrancescoCerfeda
    Partecipante

    Salve a tutti, ho un po’ di domande relative alla scelta degli operazionali per l’amplificazione di un segnale compreso tra 0 e 50 microV e tra 0 e 150 Hz.

    Come si vede in figura http://openeeg.sourceforge.net/doc/modeeg/modEEGamp-v1.0.png
    la catena di acquisizione e amplificazione del segnale è fondamentalmente costituita da un amplificatore per strumentazione (con guadagno di circa 12.2 ), seguito da uno amplificatore principale (con guadagno variabile) e da un filtri attivo con fc=59Hz (da cambiare in fc=49Hz ). Inoltre ci sono alcuni op amp usati come buffers.

    So che le specifiche fondamentali per la scelta di un op amp sono Vos (tensione di offset), Ibias (nput Bias Current), GBW (Gain Bandwidth Product), SR (Slew Rate). Inoltre , soprattutto per l’amplificatore per strumentazione è importante il CMRR e il rumore.

    Se non ho capito male, Vos e Ib sono importanti soprattutto per segnali a bassa frequenza (come nel mio caso) mentre GBW e SR per segnali “veloci”

    Domande:

    1) Che rapporto ci deve essere tra Vos,Ib e l’ampiezza del segnale in entrata all’op amp ? Cioè, se ho un segnale dell’ordine dei micro volt, devo avere un Vos inferiore??Per esempio il TLC277C ha Vos tipico di 200 microV che è praticamente pari o superiore all’ampiezza del segnale in entrata(considerando l’amplificazione che ha subito passando per l’INA114)

    2) Considerando che il mio segnale ha frequenze abbastanza basse mi basta un GBW basso. Per esempio per l’amplificazione tipica del secondo stadio amplificatore(G=40) e considerando che fc è al massimo 150Hz mi basterebbe un GBW di 150*40*100 = 600 KHz, tenendo conto anche del fatto che per avere un buon guadagno d’anello, e quindi una buona stabilità, moltiplico per un fattore 100. è giusto?

    3) Per i buffer posso usare op amps con specifiche meno stringenti?

    4) Mi conviene usare op amps dual? Hanno qualche controindicazione?

    5)Siccome devo realizzare un isolamento tra parte analogica e digitale, meglio usare un fotoaccoppiatore analogico da mettere all’uscita della catena di amplificazione o uso direttamente un amplificatore d’isolamento nell’ultimo stadio ?

    Grazie dell’attenzione :D

    #73421
    Piero Boccadoro
    Piero Boccadoro
    Partecipante

    Queste sono delle buone domande.
    Tutte considerazioni pratiche che hanno solidi presupposti teorici.
    Ti risponderò per esteso non appena possibile (tra oggi e domani).
    Purtroppo adesso non posso perchè la risposta merita uno dei miei proverbiali “papiri”.

    E spero tanto che l’ing. Crapella vorrà intervenire per correggermi :D

    #73427
    Piero Boccadoro
    Piero Boccadoro
    Partecipante

    Eccomi. :)
    Come promesso, oggi mi occuperò di dare una risposta a queste due richieste. :)

    #73428
    Piero Boccadoro
    Piero Boccadoro
    Partecipante

    Le tue domande assomigliano molto a quelle che mi sono dovuto fare io quando ho trattato, come accennavo, il progetto dell’elettronica di condizionamento dell’apparato di sensing di un pacemaker.
    Si è trattato di un tema d’anno per un esame, e ovviamente questo vuol dire che non è un progetto “vero”, completo, del tutto esaustivo però l’esame aveva lo scopo di costringerci a dimostrare di aver capito come funzionano le varie grandezze, quali sono le loro relazioni, come interagiscono, quindi, e poi fare delle scelte opportune proprio sulla base di queste considerazioni.
    Le grandezze in gioco, le variabili, i segnali, mi sembra di capire che siano più o meno simili a quelle che avevo anch’io, sia per frequenza sia per ampiezza, sebbene i miei segnali fossero comunque un po’ più grandi.

    #73429
    Piero Boccadoro
    Piero Boccadoro
    Partecipante

    Ma veniamo al punto: tu hai scritto “So che le specifiche fondamentali per la scelta di un op amp sono Vos (tensione di offset), Ibias (nput Bias Current), GBW (Gain Bandwidth Product), SR (Slew Rate). Inoltre , soprattutto per l’amplificatore per strumentazione è importante il CMRR e il rumore.”

    Giusto, ma non abbastanza.
    Le specifiche fondamentali sono prima di tutto il CMRR (Common Mode Rejection Ratio), per motivi abbastanza ovvi dal momento che stiamo parlando di segnali molto bassi. Ti serve essere sicuro, e garantirti, che la componente di modo comune presente sul segnale sia la più bassa possibile. La scelta dell’amplificatore da strumentazione con segnali così piccoli è l’unica possibile, dal momento che nessun altra configurazione sarebbe in grado di elaborare segnali con queste ampiezza. E comunque, anche se ci fosse, questa strumentazione è l’unica che ti permette di farlo con la precisione richiesta. Analizzare segnali di questo tipo significa avere la necessità di farlo con grande accuratezza e soltanto gli amplificatore da strumentazione possono darti questa tranquillità. Ecco per quale motivo reiettare il più possibile il modo comune è la chiave per poter avere a disposizione il segnale “vero”.

    Poi c’è la banda! Questa specifica non ha davvero bisogno di essere spiegata. Tu hai specificato qual è la banda del segnale, sai che il segnale è reale e pertanto al di sotto di questa specifica di sicuro tu non puoi andare. Ovviamente ti conviene tenerti “stretto” attorno alla specifica ma non abbastanza da non considerare che l’utilizzo dei filtri introdurrà inevitabilmente fattori di roll-off e bande di transizione che potrebbero incidere negativamente sull’elaborazione del tuo segnale.
    Dopodiché, una volta che hai risolto, si fa per dire, il problema della banda, evidentemente dovrai trattare il segnale e per farlo non potrai che stare molto attento alle componenti di rumore.
    Tu il rumore lo ha identificato come una delle specifiche da “inseguire” ma le componenti di rumore le possibilità di manifestarsi del rumore sono diverse.
    Non c’è soltanto il rumore che viene sovrapposto per effetto dell’elettronica di condizionamento al segnale direttamente e quindi componenti che sul segnale trovi sovrapposte.
    C’è anche il rumore della codifica, della conversione in digitale.
    Ci sono componenti di rumore che riguardano, per esempio l’alimentazione. Ecco per quale motivo un’altra figura di merito alla quale bisogna stare particolarmente attenti è il PSRR (Power Supply Rejection Ratio).
    Quando bisogna stare attenti a questa figura di merito? Beh, in realtà sempre! A maggior ragione, però, quando il segnale è molto basso e la tensione di polarizzazione dell’intera rete alta, specie rispetto ad altri amplificatori che potrebbero lavorare polarizzati con tensioni più basse.
    Necessariamente le alimentazioni andranno filtrate, possibilmente con componenti capacitivi che che taglino eventuali contributi statici.
    Oltre a queste componenti di rumore ce ne sono altre che hanno direttamente effetto sull’SNR. In particolare c’è da considerare che la risoluzione dei convertitori che dovrai sicuramente usare per poter gestire i segnali elaborati è formalmente pari a tot bit ma in realtà esiste una figura di merito che si chiama ENOB (Effective Number of Bit) che deve essere calcolata ed opportunamente caratterizzata.
    Mentre scrivo mi sta venendo in mente che senso sarebbe il caso di pubblicare un paio di articoli su questa roba ma per il momento finisco di risponderti.
    Altro fattore fondamentale è il consumo di potenza, statica e dinamica. Hai limiti o specifiche da questo punto di vista? Considera che il consumo di potenza riguarda anche, soprattutto, le componenti di offset sia in tensione sia in corrente. Esistono anche componenti, sia di tensione sia di corrente, di leakage. E riguardo a queste ultime è necessario sempre chiedersi: sono confrontabili con il segnale? Come le elimino? Questi contributi sono sistematici e sistematicamente presenti? (generalmente si)
    Ovviamente sarebbe il caso di verificare tutti i segnali man mano che li ottieni per essere sicuro dell’influenza di questi contributi sugli stessi.

    #73430
    Piero Boccadoro
    Piero Boccadoro
    Partecipante

    Non puoi in alcun modo dimenticare un’altra cosa: l’alimentazione va scelta dual o single supply. Tu cosa hai scelto? Ma soprattutto, perché? :)

    Gli amplificatore da strumentazione poi hanno la caratteristica di dover scegliere il resistore Rg. Ora lasciamo perdere come è stato indicato nel tuo caso ma la scelta della resistore è di tipo tecnologico. Alcuni amplificatore da strumentazione hanno questo valore interno e fissato. Altri ce l’hanno interno è variabile. Altri ancora prevedono l’utilizzo di un resistore esterno a ciascuna di queste possibilità prevede un grado di complicazione ed ulteriori problemi che devono essere analizzati. Tu che cosa hai scelto? Ma soprattutto, perché?

    #73431
    Piero Boccadoro
    Piero Boccadoro
    Partecipante

    Potrei andare avanti per ore, si sarà capito, per cui adesso vado veloce: altre figure di merito sono l’ICMR, lo slew rate, tipo di filtro e componenti, SINAD.
    Ognuna di queste introduce in grado di complicazione che allunga l’analisi ma migliora evidentemente il progetto ed il risultato finale.
    So perfettamente di non aver spiegato tutto quello che c’è da dire, e di questo che mi dispiaccio un po’. Però essere esaustivo era davvero difficile. La mia intenzione era, tuttavia, quella di darti una traccia.

    Poi hai scritto: “Se non ho capito male, Vos e Ib sono importanti soprattutto per segnali a bassa frequenza (come nel mio caso) mentre GBW e SR per segnali “veloci””

    Sì, in linea di massima hai capito benissimo. Non ti serve una banda estremamente ampia nel tuo caso specifico però, considerato che il segnale e di bassissima entità chi serve che l’amplificatore si è in grado di “agganciarsi” subito al segnale e pertanto sia in grado di seguirne l’evoluzione. Il segnale arriverà verosimilmente molto velocemente al suo massimo ed altrettanto velocemente decadrà. Per questo motivo lo slew rate è fondamentale!

    #73432
    Piero Boccadoro
    Piero Boccadoro
    Partecipante

    Ed ora veniamo alle tue domande:
    “1) Che rapporto ci deve essere tra Vos,Ib e l’ampiezza del segnale in entrata all’op amp ? Cioè, se ho un segnale dell’ordine dei micro volt, devo avere un Vos inferiore??Per esempio il TLC277C ha Vos tipico di 200 microV che è praticamente pari o superiore all’ampiezza del segnale in entrata(considerando l’amplificazione che ha subito passando per l’INA114)”

    A questa domanda la risposta più giusta da dare mi sembra che il tuo dubbio è legittimo. Le componenti devono essere più performanti ed essere in grado di lavorare con segnali che siano più grandi delle loro limitazioni intrinseche.
    Più vado avanti più mi convinco di dover pubblicare il tema d’anno di a cui ho fatto cenno prima…
    Nel frattempo ti anticipo che alcuni componenti della Analog Device hanno pienamente soddisfatto le mie specifiche ;)
    Ti consiglio di cercare qualcosa di più performante.

    “2) Considerando che il mio segnale ha frequenze abbastanza basse mi basta un GBW basso. Per esempio per l’amplificazione tipica del secondo stadio amplificatore(G=40) e considerando che fc è al massimo 150Hz mi basterebbe un GBW di 150*40*100 = 600 KHz, tenendo conto anche del fatto che per avere un buon guadagno d’anello, e quindi una buona stabilità, moltiplico per un fattore 100. è giusto?”

    Sì, bravo!
    Tutto giusto. Ovviamente ti sarai reso conto che il discorso è strettamente connesso anche a quello che dicevamo prima, di cui ho parlato prima…
    Comunque la tua considerazione ha centrato il punto.

    “3) Per i buffer posso usare op amps con specifiche meno stringenti?”

    Una volta che hai filtrato il tuo segnale, eliminato la maggior parte delle componenti di rumore che potevi eliminare, restituito un’ampiezza sufficientemente grande al segnale per poter essere elaborato anche da amplificatori meno performanti, puoi certamente “accontentarti” di queste soluzioni.

    “4) Mi conviene usare op amps dual? Hanno qualche controindicazione?”

    “qualche controindicazione” scusami ma è una domanda un po’ vaga…
    Da che punto di vista? A seconda di questa risposta, è ovvio che le considerazioni da fare cambiano…
    Di che tipo di controindicazione hai paura?

    “5)Siccome devo realizzare un isolamento tra parte analogica e digitale, meglio usare un fotoaccoppiatore analogico da mettere all’uscita della catena di amplificazione o uso direttamente un amplificatore d’isolamento nell’ultimo stadio ?”

    Sarei per la prima idea. :)

    Bene, io spero di averti dato qualche utile suggerimento, di aver detto qualcosa dentro cui tu possa trovarti, orientarti e spero di averti dato qualche estremo interessante.
    Ad ogni modo, come sempre, possiamo continuare a parlarne :)
    Sono a disposizione.
    A presto.

    #73435

    LuigiFrancescoCerfeda
    Partecipante

    1) Credi che gli opamp (ISL28133,ISL28176,ISL28236,ISL28291) e l’inamp(ISL20273) che erano presenti nel cofanetto della Intersil che vinsi in questo Review4u possano andare bene?

    http://it.emcelettronica.com/prodotti-analogici-di-precisione-intersil-palio-qui-su-review4u

    Io credo che l’inamp sia un pò troppo inferiore all’INA114 utilizzato nel progetto originale mentre gli opamp potrebbero andare.

    3) In questo caso i buffer sono usati per bufferare il virtual ground (che viene generato con un altro circuito presente sulla scheda digitale del progetto) e per “separare” la tensione di modo comune prelevata dagli inamps e mandata al DRL.
    Nel progetto originale vengono usati i TLC277C per tutti gli opamps,sia che essi servano per amplificazione che per filtri che per i buffer. Mi chiedevo se in questo caso possa usare qualcosa di diverso (magari pescando sempre tra i prodotti Intersil)

    4) Non so. Nel mio progetto ho due canali di acquisizione che sono praticamente identici,quindi mi chiedevo se potessi usare un solo integrato invece di usarne due.

    Ti ringrazio ancora per il tempo che hai dedicato a questa domanda e per gli utili suggerimenti :D

    #73434

    LuigiFrancescoCerfeda
    Partecipante

    Ciao Piero, innanzitutto ti ringrazio per la risposta, che mi sembra veramente completa ed esaustiva !!!

    Il dispositivo viene alimentato dalla porta USB del PC, da una batteria o ,nel mio caso, dal power pin a 5V di Arduino, quindi ho un tipo di alimentazione “unipolare”.
    Tuttavia gli amplificatori sulla scheda analogica hanno bisogno di una alimentazione duale. Per risolvere questo problema, si crea un punto di terra “virtuale” a 2V in modo da avere un’alimentazione duale a 3V e a -2V.
    Giusto?

    Per l’amplificatore per strumentazione viene usato un resistore Rg esterno sdoppiato in due, in modo da poter prelevare la tensione di modo comune e mandarla al circuito per il DRL.
    Anch’io farò lo stesso.

    #73443
    Piero Boccadoro
    Piero Boccadoro
    Partecipante

    ” si crea un punto di terra “virtuale”” si ma, occhio: come lo fai?

    #73444
    Piero Boccadoro
    Piero Boccadoro
    Partecipante

    Beh, il cofanetto ce lo hai tu stesso a portata di mano ;)
    Chi meglio di te può farsene un’opinione? :D

    Sul punto 4 sinceramente non ho indicazioni da darti, nè consigli.
    Hai massima libertà ;)

    #73450

    LuigiFrancescoCerfeda
    Partecipante

    Shunt Regulator (TL431 ) e partitore + buffer.. potrebbe andare? o basta un partitore semplice ?

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