CET Instrumentação Industrial e Medidas Eléctricas

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO DE TOMAR Escola Superior de Tecnologia de Tomar Departamento de Engenharia Electrotécnica CET Instrumentação Industrial e Medidas Eléctricas Eng. Jorge Guilherme Jorge Guilherme 008 # Bibliografia: Fernandes, José, Medidas Eléctricas e Instrumentação, Escola Superior de Tecnologia de Tomar. David A. Bell, Electronic Instrumentation and Measurements, Prentice Hall 994. Compilação de textos complementares de apoio à disciplina. A. Gregory, An Introduction to Electrical Instrumentation and Measurement Systems, The Macmillan Press LTD, 973. Bouwens A. J., Digital Instrumentation, McGraw-Hill 986. Jonh S. Wiliams, Sensor Technology Handbook, 005, Elsevier Inc. Ian R. Sinclair, Sensors and Transducers, Reed Elsevier 00. Jorge Guilherme 008 #

2 Avaliação: Trabalhos 5% Exame 75% Jorge Guilherme 008 #3 Amplificador Operacional Jorge Guilherme 008 #4

3 Fontes de corrente Fonte de corrente ideal: Corrente definida num ramo, qualquer que seja a diferença de potencial entre os dois nós Resistência infinita Va I Vb Fontes de corrente constante ou controladas Por tensão VCCS Por corrente CCCS Va Va Vi I=gm.Vi Ii I=K.Ii Vb Vb VCCS CCCS Jorge Guilherme 008 #5 Fontes de tensão Fonte de tensão ideal: Tensão definida entre dois nós, qualquer que seja a corrente que flua nesse ramo Resistência zero Va V Vb Fontes de tensão constante ou controladas Por tensão VCVS Por corrente CCVS Va Va Vi V=K.Vi Ii V=K.Ii Vb Vb VCVS CCVS Jorge Guilherme 008 #6 3

4 Amplificador Vo = Av.Vi Vo Av = = A Vi Ganho de tensão => Av Jorge Guilherme 008 #7 Amplificador com duas alimentações. Permite ter sinais de saída positivos e negativos Jorge Guilherme 008 #8 4

5 Amplificador com zona linear e zona de saturação Zona linear saturação Tensão de entrada máxima para não saturar a saída saturação Vin max L+/ Av = ± Vcc Av Jorge Guilherme 008 #9 Modelo de um amplificador R i Resistência de entrada R o Resistência de saída R s Resistência da fonte de sinal de entrada R L Resistência de carga Vo = A Vo Vo Ganho = = A Vs Ri RL Vs R + R R + R i Vo s Ri RL R + R R + R i L s 0 L 0 Ri Vi = Vs R + R Vo = A Vo i s R Vi R + L L R 0 Jorge Guilherme 008 #0 5

6 Cascata de 3 amplificadores Vin Vo Vo Vo3 A A A3 Vo3 = Vin A A A3 Vo3 Ganho = = A A A3 Vin Vo = Vin A Vo = Vo A Vo3 = Vo A3 Vo Vo Vo3 Jorge Guilherme 008 # Resposta de frequência Ao Produto ganho largura de banda Ao ω = GBW Afo Ao A( s) = s + ω polo ω ωa Aoω ω Resposta de frequência 74 Ao ω = Afo ωa = GBW Ao db = 0log 0 Ao Ganho em db unidades logarítmicas Jorge Guilherme 008 # 6

7 Símbolo do amplificador operacional Alimentações Jorge Guilherme 008 #3 + Amplificador Ideal Vo = A( V V ) = A( V V ) V + V Vid = Vo A = Vid Vid Amplificador Ideal A Vid 0 Vo Zona de saturação positiva -Vcc/A A +Vcc/A Vid A Ganho do amplificador Zona de saturação negativa Zona linear Jorge Guilherme 008 #4 7

8 + Vo = A( V V ) = A( V V ) Modelo do amplificador Ideal V + V Vid = Vo A = Vid Jorge Guilherme 008 #5 Amplificador inversor Analise assumindo amplificador ideal I I Massa virtual Vi Vo Vo i = = i = Af = = A Vi Ganho da montagem Jorge Guilherme 008 #6 8

9 Amplificador não inversor Analise assumindo amplificador ideal Vx Vx = Vo = Vi + + Vo = Vi = Vi + Af = + Ganho da montagem Jorge Guilherme 008 #7 Amplificador seguidor (ganho =) Ganho igual ao do amplificador não inversor com =0 Vo=Vi Jorge Guilherme 008 #8 9

10 Amplificador somador Jorge Guilherme 008 #9 Amplificador diferença Teorema da sobreposição R4 Vo = Vi + + Vi R3 + R4 Se =R3 e =R4 Vo = ( Vi Vi) Vo = Vi R4 Vo = + Vi R3+ R4 Jorge Guilherme 008 #0 0

11 Aplicações Micro Ruido Cabo Amplificador Diferença V V Vo Interior do cabo massa USB Interface Jorge Guilherme 008 # Amplificador de Instrumentação Jorge Guilherme 008 #

12 Amplificador de Instrumentação V R3 R4 Vo V V I R = = I Vo Vo = V+ I = V+ Vo = V I R3 Vo = R4 R3 Av = + R4 R3 R4 ( V V ) ( Vo Vo) = ( V V I ) Vo R3 R4 V Jorge Guilherme 008 #3 Amplificador de isolamento V+ V- V+ V- +Vcc -Vcc Vo -Aplicações médicas -Medidas em alta tensão -Isolamento -6kV Jorge Guilherme 008 #4

13 Aplicação num monitor de electrocardiograma Medição de temperatura Jorge Guilherme 008 #5 Caso geral Aplicar o teorema da sobreposição Jorge Guilherme 008 #6 3

14 Amplificador de transresistencia Rf Vo = 0.5mA. 0k = 5V i Vo= - Rf. i Jorge Guilherme 008 #7 Jorge Guilherme 008 #8 4

15 Efeito do ganho finito (A) A Vo = A Vi ( Vo) AVi Vi Vo = = + A + A lim A ( Vo) = Vi Vo = A Vi Vo + AVi Vi A Vo = = + A + + A + lim( Vo) = Vi + A Jorge Guilherme 008 #9 ( V ) = Vo = A 0 AV V Vo = A Vo Vi A I = Vo Vo = I A Vi Vo = + + A lim( Vo) = Vi A Jorge Guilherme 008 #30 5

16 Teste de rejeição de modo comum Resistencia de entrada diferencial Tensão diferencial Tensão de modo comum A A O d = Ganho diferencial VId cm V V = V O Icm Ad CMRR = A cm Ganho modo comum Rejeição modo comum Jorge Guilherme 008 #3 Resposta de frequência Ao A( s) = s + ω ω = A ω = GBW t 0 b b Andar inversor Vo( s) R = V ( s) R Jorge Guilherme 008 #3 se i A0 >> + R Vo( s) Vi ( s) R s + R + ω R + A + 0 R t + R s + R ω t 6

17 Andar não inversor A0 >> + R + Vo( s) Vi ( s) R s + R + ω t Jorge Guilherme 008 #33 Efeitos não ideais Taxa de inflexão (slew rate) Vo SR = t max Jorge Guilherme 008 #34 7

18 SR = Vo t max I = C max V ( t) = V o V t o om = V om cosωt sin ωt V o max Vo = Vomω < SR t ω max M V o = max SR ω M full power bandwitdh ω = πf M πf M V M = SR F = o max M π SR V o max Frequência maxima de operação Jorge Guilherme 008 #35 Tensão de desvio de entrada (Offset) VOS Característica do amplificador com offset Vo = Vos + Cancelamento do offset Jorge Guilherme 008 #36 8

19 Correntes de polarização de entrada Vo = I B R 3 = // Jorge Guilherme 008 #37 Integrador Vc Ic = C Vc = Icdt t C Jorge Guilherme 008 #38 9

20 Circuito geral Derivador Jorge Guilherme 008 #39 Integrador com perdas Vi( s) Vo( s) = R R R = + sc Vi( s) + sc R Resposta de frequência Vi( jω) Vo( jω) = R + jωc R ω = πf Jorge Guilherme 008 #40 0

21 Conversor de Imitância I Z Z3 I Z Z4 Z = ZZ Z 3 4 se Z = Z Z = Z 4 3 = R Z I = Z I 3 V = I Z 4 Jorge Guilherme 008 #4 GIC Generalized Immitance Converter Y Y 4Y 6 Y = Y 3Y 5 Y Y Y3 Y4 Y5 Y6 GG4G 6 Y = G3sC5 Y G G3 G4 C5 G6 Simulação de bobine de Antoniou Aplicação em circuito integrado Jorge Guilherme 008 #4

22 Implementação de filtros Sallen e Key Multiple feedback Jorge Guilherme 008 #43 Aplicações não lineares Comparador Jorge Guilherme 008 #44

23 Comparador com histerese Schmitt Trigger Vcc. Vi = ± + +Vcc -Vcc Comparador inversor Jorge Guilherme 008 #45 Comparador não inversor +Vcc Vcc. Vi = ± Vo Vo Vi I = + Vo Vi V + = Vi + I = Vi + + Vi( + ) + Vo Vi V + = + Vi + Vo V + = = 0 Decisão do comparador + Vo = ± Vcc -Vcc Jorge Guilherme 008 #46 3

24 Efeito da histerese Jorge Guilherme 008 #47 Transitorios de ª ordem Vc( t) = V final ( V V ) τ = RC τ Constante de tempo Vi final inicial e t τ Vo Jorge Guilherme 008 #48 4

25 Oscilador de relaxação Vc( t) = V final Vc( t) = V = Vcc V = Vcc ( V V ) final ( Vcc V ) ( Vcc V ) e inicial t RC e t τ e t RC V t V + Vcc V t = RC ln = RC ln + Vcc V + F = + RC ln Jorge Guilherme 008 #49 Gerador de funções Onda triangular Onda quadrada t V V = V ( t) dt = RC RC 0 Vcc T Vcc = T = RC = T RC F = = T+ T 4RC C V V R Jorge Guilherme 008 #50 5

26 Oscilador com 555 V V TH TL VccR Vcc = = 3R 3 VccR Vcc = = 3R 3 F = T + T ( Vcc V ) Vc( t) = Vcc e τ Vcc V TH = τln Vcc V T = C H T = CRb L ( Ra + Rb) ln( ) ln( ) L H = C TL TH TL = C ( Ra + Rb) ( Ra + Rb) ln() t ln 3 3 Jorge Guilherme 008 #5 Encapsulamento Jorge Guilherme 008 #5 6

27 Texas Instruments 007 Jorge Guilherme 008 #53 Caracteristicas do TL07 Aplicações do TL07 Jorge Guilherme 008 #54 7

28 Blindagem Jorge Guilherme 008 #55 8