Benvenuti a un nuovo appuntamento con la Rubrica Firmware Reload di Elettronica Open Source. In questa Rubrica del blog EOS abbiamo raccolto gli articoli tecnici della vecchia rivista cartacea Firmware, che contengono argomenti e temi passati ancora di interesse per Professionisti, Makers, Hobbisti e Appassionati di elettronica. Quando lavorano con segnali reali, i progettisti spesso devono svolgere l’importante compito di individuare un segnale piccolo sovrapposto a una tensione di modo comune, grande e variabile. In questo articolo vediamo come affrontare al meglio questo delicato problema.
L’amplificatore operazionale (op amp) ideale dovrebbe teoricamente effettuare la reiezione della tensione di modo comune e amplificare solo il segnale differenziale. Tuttavia, gli operazionali reali introducono tensioni di offset associate alla tensione di modo comune, limitando la precisione del segnale amplificato. La maggior parte delle schede tecniche degli amplificatori comprende i dati relativi al CMRR (rapporto di reiezione di modo comune, solitamente espresso in dB o mV/V) e grafici che mostrano la variazione di tale rapporto rispetto alla temperatura ed alla frequenza. Questi dati possono essere usati per calcolare la capacità di un progetto di ignorare il segnale di modo comune. Il valore dell’offset o dell’errore indotto dal modo comune può essere calcolato con CMRR (dB) = 20log(CMRR(V/V)). Per ottenere il miglior campo dinamico possibile i progettisti optano sempre più per amplificatori operazionali ad alta tensione, in grado di accettare intervalli di tensioni di ingresso e uscita più ampi. Ma, più l’intervallo di modo comune è ampio, più il CMRR diventa un fattore importante di cui tenere conto. Prendiamo ad esempio un segnale differenziale (di picco) da 100mV sovrapposto a una tensione di modo comune di 50V, alimentato in un amplificatore con un guadagno differenziale di 100. Un amplificatore con un CMRR tipico di 82dB causerebbe un errore di 4mV all’ingresso o di 400mV all’uscita a causa del modo comune. Con un’uscita di 10V (picco), si tratta di un errore di fondo scala del 4% nella misurazione, dovuto al modo comune. Il CMRR di alcuni nuovi amplificatori operazionali ad alta tensione si riferisce a range di tensioni di ingresso ampi. L’amplificatore LT6016 Over-The-Top® può operare con un intervallo di ingressi di modo comune fino a 76V oltre il valore di linea negativo, a prescindere dalla tensione di alimentazione.
Nell’esempio sopra citato una sola alimentazione di poco più di 10V (o fino a 50V) può essere usata per amplificare il segnale. Il CMRR tipico è di 140dB, che si traduce in un errore di 5μV all’ingresso o di 0,5mV all’uscita (con un guadagno di 100). Un altro amplificatore operazionale nuovo, l’LTC2057, opera in un intervallo di tensioni fino a 60V e utilizza una topologia a deriva zero per ridurre al minimo le variazioni rispetto a temperatura, tempo, range di ingressi di modo comune e variazioni della tensione di alimentazione. Il dispositivo raggiunge un CMRR di 150dB che, nel nostro esempio, si traduce in un errore di 1,6μV all’ingresso o di 160μV riferito all’uscita. Il nuovo LTC6090 accetta un campo di tensioni di modo comune ancora più ampio. Progettato per operare fino a 140V, la sua escursione di ingresso di modo comune si estende a meno di 3V dalle sue linee di alimentazione.
Se modifichiamo il nostro esempio in modo che il segnale da 100mV viaggi su una tensione di modo comune fino a 100V, l’LTC6090 con un CMRR di 125dB avrebbe una variazione di appena 56μV riferita all’ingresso o di 5,6mV all’uscita. La scelta tra i due amplificatori dipende da altre considerazioni progettuali. L’LT6016 è dotato di molte funzioni di protezione ed è la soluzione ideale per le applicazioni in cui gli ingressi e le uscite si connettono direttamente all’interfaccia PCB. L’amplificatore si distingue anche per la sua capacità di operare con i suoi ingressi ben oltre l’alimentazione (fino a 76V oltre il rail negativo). L’LTC2057 offre un range dinamico molto ampio, con una tensione di offset di ingresso di appena 5μV e la capacità di operare con segnali di ingresso a meno di 1,5V da un’alimentazione di 60V. Per la sua architettura a deriva zero, il dispositivo mantiene la precisione meglio di qualsiasi altro amplificatore rispetto a variazioni del range di ingressi di modo comune, della temperatura, del tempo e dell’alimentazione. L’LTC6090 è stato progettato per un range di tensioni di alimentazione molto ampio (fino a 140V) e garantisce livelli di precisione simili a quelli dell’LTC6016.
Nota: Tensione riferita all’uscita = tensione riferita all’ingresso x guadagno, oppure 3,97mV x 100 = 397mV (~4%).
