Los medidores de señal activa forman la columna vertebral de instrumentación de laboratorio, permitiendo a los ingenieros, técnicos e investigadores medir las cantidades eléctricas con alta fidelidad. A diferencia de los medidores pasivos que dependen únicamente de los mecanismos de deflexión o componentes pasivos, los amplificadores operativos (op amps) utilizan los amplificadores operativos (op amps) para amplificar, condicionar y linearizar las señales antes de readout.

El papel de los amplificadores de opciones en la condición de señalización para los contadores

Los amplificadores operativos sirven como el corazón de los medidores de señal activos porque ofrecen una combinación casi ideal de impedancia de entrada alta, impedancia de baja salida, ganancia de alto nivel abierto y excelente rechazo de movimiento común. Estas características permiten al medidor extraer pequeñas voltajes de fuentes de alta impedancia sin perturbar el circuito. Por ejemplo, un electrodo de pH o un sensor piezoeléctrico presenta un problema de carga de alta fuente significativamente pasivo.

Los parámetros clave de la lámpara de operación críticos para el rendimiento de los medidores de señal incluyen:

  • Input Bias Current – En mediciones de bajo nivel de DC, la corriente de sesgo que fluye a través de la resistencia de origen crea un error de tensión offset. Elegir un amplificador de entrada FET (por ejemplo, TL072, OPA140) con corriente de sesgo de picoamp minimiza este error.
  • Input Offset Voltage and Drift – Variaciones en offset con la precisión de temperatura límite DC. Los amplificadores de precisión como el OP07 o ADA4522 ofrecen un desplazamiento inicial bajo y baja deriva.
  • Densidad de ruido] – Para señales de microvoltio, ruido de tensión (nV/√Hz) y ruido actual (fA/√Hz) determinan la señal más pequeña posible. La LT1028 se destaca en el ruido de baja tensión pero tiene mayor ruido actual; la ADA4898-1 ofrece un equilibrio para fuentes de impedancia moderada.
  • Producto ancho de banda de gain (GBW) – Para voltímetros de AC o señales de alta velocidad, GBW suficiente garantiza una amplificación precisa sin errores de fase. El NE5532 es una opción de audio-bandwidth clásica; para ancho de banda más amplio, considere el LMH6629.

Principios de diseño para medidores de señales activos

El diseño exitoso requiere una atención cuidadosa a los siguientes principios, cada uno de los cuales exploramos en detalle.

Estrategia de selección de los amplificadores

El proceso de selección comienza definiendo el rango de medición, precisión, ancho de banda y impedancia de origen. Para voltímetros de laboratorio de uso general, un onza bipolar de baja altura, como el OP177G o el ADA4522-2 más moderno funciona bien. Para fuentes de alta potencia (por ejemplo, 1 MΩ o mayor), tipos de entrada FET como el OPA8621

Una selección práctica también debe considerar voltajes de suministro. Los suministros de energía de laboratorio suelen proporcionar ±15 V o ±12 V. Muchos amplificadores modernos operan en suministros únicos entre 3 V y 5 V, que pueden ser convenientes para metros portátiles o basados en USB. Asegúrese de que la salida de la lámpara de op puede oscilar dentro de unos pocos cientos de milímetros de los carriles de suministro, o utilizar tipos de salida de ferrocarril a carril si es necesario.

Red de Diseño

La red de retroalimentación determina el beneficio, ancho de banda y estabilidad del medidor. Para una configuración no invertida, el beneficio es G = 1 + Rf/Rg[FLT:

En aplicaciones que requieren un alto beneficio (por ejemplo, 1000× para señales de microvoltio), una red de T en la ruta de retroalimentación puede evitar el uso de resistores impractamente grandes. La red T utiliza dos resistores en serie a tierra y un tercer resistor a la salida, multiplicando efectivamente la resistencia de retroalimentación. Sin embargo, también aumenta el ruido y el offset; es esencial una distribución cuidadosa.

Para la precisión, utilice resistencias de metal-film con bajo coeficiente de temperatura (por ejemplo, ±25 ppm/°C). Si el medidor debe ser conmutado entre rangos, utilice arrays de resistencia de precisión o resistencias relé-switched para mantener la estabilidad a través de lecturas.

Decoupling y Grounding de la fuente de alimentación

Los amplificadores de óptica requieren fuentes de alimentación limpias para evitar la inyección de onda en la vía de señal. Colocar los condensadores de cerámica 0.1 μF lo más cerca posible a cada pin de suministro de onda, complementados por 10 μF electrolíticos o equivalentes en el punto de entrada de potencia de la tabla. Para los suministros de división, utilice condensadores de bypass positivos y negativos separados.

Disposición de calibración

Cada diseño de medidor activo debe incorporar un medio de calibración. El método más simple utiliza un potenciómetro trimmer en la ruta de retroalimentación para ajustar ganancia, o un trimmer en serie con la entrada no invertido para anular el offset. Para mayor rendimiento, calibración digital usando un DAC o una corrección basada en EEPROM (por ejemplo, con un ADC externo) permite una compensación de software.

Topologías de circuito para diferentes tipos de medición

Dependiendo del tipo de señal: tensión referencial terrestre, tensión diferencial, corriente o resistencia, las configuraciones de op amp diferentes sirven al propósito.

Amplificador no-inversión para señales referenciadas a tierra

[LT] [FLT] [FLT] [4]] [4]]] [4]]

Amplificador de inversión para rango bipolar o extendido

El amplificador de inversión proporciona una ganancia negativa y puede ser ventajoso cuando la señal de entrada es bipolar y la ADC requiere un rango unipolar (por ejemplo, 0-5 V). Al resumir un voltaje de referencia en la entrada no invertida, la salida puede ser desactivada. Además, la configuración de invertido tiene menor tensión de movimiento común, lo que hace menos susceptible a ciertos tipos de 0

Amplificador diferencial para mediciones de flotación

Cuando la fuente de señal no se refiere al suelo del medidor, un amplificador diferencial elimina el voltaje de movimiento común. Un amplificador de dos-op-amp clásico de instrumentación, o un amplificador de op con cuatro resistores emparejados, puede implementar un amplificador diferencial. La relación de rechazo de modo común (CMRR) depende directamente de la combinación de resistor; un 0,01% degrada CMRRmm a cerca de 80 CMB

[LT] [LT] [FLT] [4]] [4]] [4] [4]] [FLT] [4]] [4]] [4]] [4]] [4]] [4] [4]] [4]] [2]]] [2]]

Conversor actual a tensión

Para medir la corriente, un amplificador de transimpresión (TIA) convierte la corriente en una tensión proporcional. La entrada de op se basa, y el pico de fuente actual está conectado a la entrada de invertido.El resistor de retroalimentación establece la ganancia: ]V] = −I[LT]

Consideraciones avanzadas para medidores de grado de laboratorio

Técnicas de reducción de ruido

El ruido limita la resolución de cualquier medidor de señal. Las fuentes de ruido primario son el ruido de tensión de entrada de la op y el ruido actual, además del ruido térmico de las resistencias de retroalimentación.

  • Utilice los valores de resistencia más bajos que aún alcanzan el beneficio deseado, consistente con las limitaciones de carga.
  • Seleccione una amplificación de la operación con densidad de ruido de tensión por debajo de 10 nV/√Hz para aplicaciones de ganancia moderada.
  • Aplica un filtro de baja velocidad después del amplificador para limitar el ancho de banda a sólo lo que se necesita para la medición. Para los metros DC, un simple filtro RC con una constante de tiempo de 0.1 s a 1 s cortes 60 Hz hum eficazmente.
  • Considere usar un amplificador estabilizado para mediciones cercanas a la CdC, ya que cancela activamente el ruido de compensación y baja frecuencia (1/f ruido).
  • Escuda toda la ruta de entrada con un recinto metálico en tierra y utilice cables de cable torcido o coaxial a la fuente.

Para un tratamiento profundo del ruido de op amp, consulte Guía de análisis de ruido de dispositivos análog].

Protección de entrada y manipulación de sobrevoltaje

En el laboratorio, la aplicación accidental de voltajes altos es común. Protege la entrada de op con resistores de serie (por ejemplo, 1 kΩ a 10 kΩ) y diodos de sujeción a los carriles de suministro. diodos Schotky como el BAT54 tienen baja tensión de avance y recuperación rápida. Para los transientes de alta energía, añadir un diodo de supresor de tensión transitoria (TVS) resistente a los límites de entrada.

Consideraciones de la frecuencia de banda y de la herida

El ancho de banda del medidor determina su capacidad para rastrear señales de cambio rápido. Para voltímetros AC, el producto de ganancia de ancho de banda del op debe ser al menos diez veces la frecuencia máxima de señal para mantener la respuesta plana. Por ejemplo, para medir 100 señales de velocidad con una ganancia de 10, seleccione una op con GBW ≥ 10 MHz.

Integración con convertidores analógicos a digitales

Los modernos medidores de laboratorio suelen reemplazar los paneles analógicos con pantallas digitales. La salida de la lámpara op puede conducir directamente un ADC.

  • Gama de salida: Escalar la salida de la lámpara de op para que coincida con el rango de entrada de ADC (por ejemplo, 0–5 V para una ADC de una sola sola dosis, o ±10 V para una ADC bipolar).
  • Capacidad de conducción: Algunos ADC tienen una capacitancia de entrada relativamente alta; el amplificador de la operación debe ser estable con esta carga. Utilice un pequeño resistor de serie (50 Ω a 100 Ω) en la salida para aislar la carga capacitiva.
  • Filtro antialiasing: Coloca un simple filtro RC de baja velocidad entre el amplificador op y ADC con una frecuencia de esquina inferior a la mitad de la tasa de muestreo.
  • Referencia: Para mediciones ratiométricas, el voltaje de referencia de ADC se puede compartir con la red de compensación de op amp para mejorar la precisión.

Una guía completa para el interfacing de op amp-ADC está disponible desde Nota de aplicación de Texas Instruments sobre la conducción de ADCs.

Calibración y Pruebas en la Práctica

Después de construir el medidor de señal, un procedimiento de calibración sistemática garantiza la precisión. Los siguientes pasos se aplican a un diseño de voltímetro DC con una ganancia de 10:

  1. Potencia el circuito y permite un período de calentamiento de al menos 10 minutos para estabilizar los gradientes térmicos.
  2. Corta el ingreso a tierra y mide el offset de salida. Si supera los límites aceptables, ajuste el trimmer offset (si está presente) para llevar el resultado a cero.
  3. Aplicar una fuente de tensión de precisión (por ejemplo, 100.00 mV de un calibrador calibrado como un Fluke 5700A) a la entrada. Medir la salida. La salida esperada es 1.000 V. Si no es exacta, ajustar un trimmer de ganancia en consecuencia.
  4. Aplicar una segunda tensión (por ejemplo, 500.00 mV) y verificar la linealidad. La salida debe ser de 5.000 V ± la tolerancia del estándar de calibración.
  5. Para la calibración digital, almacena coeficientes de corrección en memoria no volátil.

Para más detalles sobre las normas y procedimientos de calibración, consulte la página Servicios de calibración NIST.

Conclusión

Diseño de medidores de señal activos con amplificadores operativos combina electrónica analógica fundamental con juicio práctico de ingeniería. Al seleccionar el amplificador adecuado para el dominio de medición, diseñar la red de retroalimentación para el beneficio y ancho de banda requeridos, implementar sistemas de potencia y de tierra adecuados, e incorporar funciones de calibración y protección, puede construir instrumentos de grado de laboratorio que ofrezcan resultados precisos y repetibles.