CET Instrumentação Industrial e Medidas Eléctricas Instrumentacao_e... · • Fernandes, Jos é, Medidas Eléctricas e Instrumentação, Escola Superior de Tecnologia de Tomar

1

Electrónica de Instrumentação

© Jorge Guilherme 2008 #1

INSTITUTO POLITÉCNICO DE TOMAR

Escola Superior de Tecnologia de TomarDepartamento de Engenharia Electrotécnica

CETInstrumentação Industrial e Medidas

Eléctricas

Eng. Jorge Guilherme



Bibliografia:

• Fernandes, José, Medidas Eléctricas e Instrumentação, Escola Superior de Tecnologia de Tomar.

• David A. Bell, Electronic Instrumentation and Measurements, Prentice Hall 1994.

• Compilação de textos complementares de apoio à disciplina.

• A. Gregory, An Introduction to Electrical Instrumentation and Measurement Systems, The Macmillan Press LTD, 1973.

• Bouwens A. J. , Digital Instrumentation, McGraw-Hill 1986.

• Jonh S. Wiliams, Sensor Technology Handbook, 2005, Elsevier Inc.

• Ian R. Sinclair, Sensors and Transducers, Reed Elsevier 2001.

2



Avaliação:

•Trabalhos 25%•Exame 75%



Amplificador Operacional

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

•Fontes de corrente constante ou controladas

•Por tensão VCCS•Por corrente CCCS

I

Va

Vb

I=gm.Vi

Va

Vb

Vi I=K.Ii

Va

Vb

Ii

VCCS CCCS



Fontes de tensão

•Fonte de tensão ideal:•Tensão definida entre dois nós, qualquer que seja a corrente que flua nesse ramo

•Resistência zero

•Fontes de tensão constante ou controladas

•Por tensão VCVS•Por corrente CCVS

V

Va

Vb

V=K.Vi

Va

Vb

Vi V=K.Ii

Va

Vb

Ii

VCVS CCVS

4



Ganho de tensão => Av

Amplificador

AVi

VoAv =

∆∆=

Vo = Av .Vi



Amplificador com duas alimentações. Permite ter sinais de saída positivos e negativos

5



Amplificador com zona linear e zona de saturação

Av

Vcc

Av

LVin

±≈= −+ /max

Tensão de entrada máxima para não saturar a saída

saturação

saturação

Zona linear



Modelo de um amplificador

Ri – Resistência de entradaRo – Resistência de saídaRs – Resistência da fonte de sinal de entradaRL – Resistência de carga

0RR

RViAVo

RR

RVsVi

L

LVo

si

i

+⋅⋅=

+⋅=

0

0

RR

R

RR

RA

Vs

VoGanho

RR

R

RR

RVsAVo

L

L

si

iVo

L

L

si

iVo

+⋅

+⋅==

+⋅

+⋅⋅=

6



Cascata de 3 amplificadores

A1 A2 A3Vin Vo1 Vo2 Vo3

323

212

11

AVoVo

AVoVo

AVinVo

⋅=⋅=⋅=

3213

3213

AAAVin

VoGanho

AAAVinVo

⋅⋅==

⋅⋅⋅=

Vo1 Vo2Vo3



Ao

ωωωω1 ωωωωa

Afo

Aoωωωω1ωωωω

GBWAo ====1ωωωω

Produto ganho largura de banda

11

)(

ωωωωs

AosA

++++====

GBWaAfoAo ====⋅⋅⋅⋅====⋅⋅⋅⋅ ωωωωωωωω1

Resposta de frequência

Resposta de frequência 741

AoAodB 10log20=

polo

Ganho em dB – unidades logarítmicas

7



Símbolo do amplificador operacional

Alimentações



Amplificador Ideal (((( )))) (((( ))))

AVo

Vid

VidVV

VVAVVAVo

====

====−−−−

−−−−====−−−−====−−−−++++

−−−−++++12

0→⇒∞→ VidA

Amplificador Ideal

Vid

Vo

Zona de saturaçãonegativa

Zona de saturaçãopositiva

Zona linear

-Vcc/A +Vcc/AA

Vid

A – Ganho do amplificador

8



(((( )))) (((( ))))

AVo

Vid

VidVV

VVAVVAVo

====

====−−−−

−−−−====−−−−====−−−−++++

−−−−++++12Modelo do amplificador Ideal



Amplificador inversor

I1

I2

Massa virtual

21 21 R

Voi

R

Vii −=== A

R

R

Vi

VoAf ≠−==

1

2

Ganho da montagem

Analise assumindo amplificador ideal

9



Amplificador não inversor Analise assumindo amplificador ideal

VxVi

RR

RVoVx =

+=

21

1

1

21

1

21

1

21

R

RAf

R

RVi

R

RRViVo

+=

+=+=

Ganho da montagem



Amplificador seguidor (ganho =1)Ganho igual ao do amplificador não inversor com R2=0

Vo=Vi

10



Amplificador somador



Amplificador diferença Teorema da sobreposição

21

21

43

41

1

2Vi

R

R

RR

RVi

R

RVo

++

+−=

Se R1=R3 e R2=R4

( )121

2ViVi

R

RVo −=

11

21 Vi

R

RVo −= 2

1

21

43

42 Vi

R

R

RR

RVo

++

=

11



MicroRuido

AmplificadorDiferença

Vo

Cabo

massa

V1

V2

Interior do caboAplicações

USB Interface



Amplificador de Instrumentação

12



Amplificador de Instrumentação

Vo

R4R3V1

V2

R1

R2

R2

R3 R4Vo2

Vo1

IR

VVI R ====

−−−−====1

211

( )

( ) ( )

+=

−−=−=

−=

−+=+=

11

22

4

3

22124

312

4

3

222

211

21211

R

R

R

RAv

IRVVR

RVoVo

R

RVo

IRVVo

VVR

RVIRVVo



Amplificador de isolamento-Aplicações médicas-Medidas em alta tensão-Isolamento 1-6kV

V+

V- Vo

+Vcc

-VccV1-

V1+

13



Aplicação num monitor de electrocardiograma

Medição de temperatura



Caso geral Aplicar o teorema da sobreposição

14



Amplificador de transresistencia

i1

Vo= - Rf . i1

Rf

Vo = 0.5mA . 10k = 5V



15



Efeito do ganho finito (A)

A

( )

( ) ViVoA

Vi

A

AViVo

VoViAVo

A=

+=

+=

−=

∞→lim

111

A

( )

+=

++

=

++

=

+−=

∞→ 1

21lim

2111

211

1

21

1

R

RViVo

RR

R

A

Vi

RR

RA

AViVo

RR

RVoViAVo

A



A

VoV

−=−

( ) −− −=−= AVVAVo 0

11

RA

VoVi

I

−−=

( ) ViR

RVo

AR

RR

RVi

Vo

RIA

VoVo

A 1

2lim

112

11

12

21

−=

++

−=

−−=

∞→

16



Teste de rejeição de modo comum Resistencia de entrada diferencial

Tensão de modo comum

Tensão diferencial

cm

d

Icm

Ocm

Id

Od

AA

CMRR

VV

A

VV

A

====

====

==== Ganho diferencial

Ganho modo comum

Rejeição modo comum



GBWA

sA

sA

bt

b

o

========

++++====

ωωωωωωωωωωωω

0

1)(

t

i

o

t

i

o

RR

s

RR

sVsV

RR

A

RR

s

RR

A

RR

sVsV

ωωωω

ωωωω

++++

++++

−−−−≈≈≈≈

++++>>>>>>>>

++++

++++

++++++++

−−−−====

1

2

1

2

1

20

1

2

1

2

0

1

2

1

1

)()(

1

1

11

1

1)()(

se


Andar inversor

17



Andar não inversor

t

i

o

RR

s

RR

sVsV

RR

A

ωωωω

++++

++++

++++≈≈≈≈

++++>>>>>>>>

1

2

1

2

1

20

1

1

1

)()(

1



Efeitos não ideais Taxa de inflexão (slew rate)

maxt

VoSR

∂∂=

18



C

I

t

VoSR max

max

=∂

∂=

tVt

V

tVtV

omo

omo

ω

ω

sin

cos)(

−=∂

∂=

SRVt

Vom

o <=∂

∂ ωmax

SRVoM =max

ω

ωωωωM – full power bandwitdhmax

max 22

2

oMoM

MM

V

SRFSRVF

F

ππ

πω

=⇒=

=

maxoV

Frequência maxima de operação



Tensão de desvio de entrada (Offset)VOS

+=1

21

R

RVosVo

Cancelamento do offset

Característica do amplificador com offset

19



Correntes de polarização de entrada

21RIVo B=

2//13 RRR =



Integrador ∫=⇒∂

∂= IcdtC

Vct

VcCIc

1

20



Derivador

Circuito geral



Integrador com perdas

221

2

122

1 1)()(

)(RsC

sViRR

RsCRR

sVisVo

++++−−−−====

++++−−−−====

f

RCjjVi

RR

jVo

ππππωωωωωωωω

ωωωωωωωω

2

1)(

)(221

2

====++++

−−−−====


21



Z2 Z3

Z4

Z1

I1 I2

Conversor de Imitância

3

421 Z

ZZZ −−−−====

41

32 se

ZZ

RZZ

−−−−============

421

2312

ZIV

IZIZ

−−−−========



Y2 Y3 Y4 Y5

Y6

Y1

GIC – Generalized Immitance Converter

53642

1YY

YYYY ====

G2 G3 G4

C5

G6

Y1

53642

1sCG

GGGY ====

Simulação de bobinede Antoniou

Aplicação em circuito integrado

22



Sallen e Key

Multiple feedback

Implementação de filtros



Comparador

Aplicações não lineares

23



Comparador com histereseSchmitt Trigger

+Vcc

-Vcc

211.

RRRVcc

Vi++++

±±±±====

Comparador inversor



+Vcc

-Vcc

Comparador não inversor

21

021

1221

11)21(

121

1

21

RR

VccVo

comparadordoDecisãoRRVoRViR

V

RRViRVoRRRVi

V

RRRViVo

ViIRViV

RRViVo

I

±±±±====

⇒⇒⇒⇒====++++++++====

++++−−−−++++++++====

++++−−−−++++====++++====

++++−−−−====

++++

++++

++++

Vo

21.

RRVcc

Vi ±±±±====

24



Efeito da histerese



(((( ))))

tempo de Constante

)(

−−−−====

−−−−−−−−====−−−−

ττττττττ

ττττ

RC

eVVVtVct

inicialfinalfinal

Transitorios de 1ª ordem

Vi

Vo

25



Oscilador de relaxação

(((( ))))(((( ))))

(((( ))))

++++====

++++−−−−

++++++++

====

−−−−−−−−====

−−−−−−−−====

−−−−−−−−========

−−−−−−−−====

−−−−

−−−−

−−−−

2212

ln2

121

11

211

1ln

12

ln1

21

21)1(

)(

1

1

RRR

RCF

RRR

RRR

RCVVccVVcc

RCt

eVVccVccV

eVVccVccVtVc

eVVVtVc

RCt

RCt

t

inicialfinalfinalττττ

V1

V2t1



Gerador de funções

21

4

121

1

221

2121

21

2)(2

11

0

RR

RCTTF

TRR

RCTT

RCVcc

RR

Vcc

RCV

dttVRC

Vt

====++++

====

========⇒⇒⇒⇒====

−−−−====−−−−==== ∫∫∫∫

C

R1

R2

V1V2

R

Onda triangular

Onda quadrada

26



Oscilador com 555

33

32

32

VccR

VccRV

VccR

RVccV

TL

TH

========

========

(((( ))))

(((( ))))

(((( )))) (((( ))))(((( ))))

(((( )))) )2ln(211

2ln

2ln32

1

31

1lnln1

)( 1

RbRaCTTF

CRbT

RbRaCT

RbRaCVVccVVcc

T

eVVccVcctVc

HL

L

H

TH

TLH

t

TL

++++====

++++====

====++++====

−−−−

−−−−++++====

−−−−−−−−====

−−−−−−−−====−−−−

ττττ

ττττ



Encapsulamento

27



Texas Instruments 2007



Aplicações do TL071

Caracteristicas do TL071

28



Blindagem

Documents

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