Il circuito di rivelazione

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lezione
Il circuito di rivelazione
Tipo di risorsa Tipo: lezione
Materia di appartenenza Materia: I circuiti integrati analogici
Avanzamento Avanzamento: lezione completa al 100%.


Il microamplificatore per la rivelazione dei segnali[modifica]

La funzione svolta da un circuito rivelatore [1] è simile al processo di raddrizzamento svolto da un diodo così come illustrato nelle lezioni precedenti; la differenza sostanziale tra un raddrizzatore ed un rivelatore risiede nel fatto che il primo inizia la sua funzione per tensioni superiori a circa, mentre il secondo consente di “raddrizzare” tensioni dell’ampiezza di poche decine di millivolt, inoltre la risposta d’uscita del rivelatore alle variazioni della tensione d’ingresso è lineare a differenza di quanto accade per il raddrizzatore.

Un circuito classico di rivelazione [2], realizzato con microamplificatori, è riportato in figura 1:

figura 1


Funzionamento del circuito[modifica]

Il segnale alternato applicato all’ingresso non invertente di A1 viene amplificato e retrocesso in controreazione attraverso la rete nei semiperiodi positivi e tramite la rete nei periodi negativi.

La circolazione della corrente di segnale attraverso la prima rete di controreazione genera tra e massa una tensione pulsante positiva; detta tensione tramite la cellula viene integrata ( si veda appendice A4 ) generando ai capi di una tensione continua proporzionale all’ampiezza del segnale

Questa tensione è applicata all’integrato A2, ad alta resistenza d’ingresso, per essere amplificata e trasferita all’uscita al livello voluto.

La sensibilità del circuito a rivelare segnali molto piccoli è dovuta al fatto che A1, prima che i diodi entrino in conduzione, si presenta al segnale a guadagno libero e pertanto esercita sul segnale stesso un’amplificazione elevata, tale che, anche segnali a livello basso riescono a portare i diodi in conduzione dando luogo all’azione di rivelazione.

L’ottima caratteristica di linearità del rivelatore è dovuta all’azione naturale del circuito di controreazione.

Le caratteristiche di risposta in frequenza di A1 e dei diodi devono essere commisurate con la frequenza massima del segnale d’ingresso

L’integrato A2 deve essere adatto come amplificatore in corrente continua ed avere una elevata resistenza d’ingresso per non caricare la cellula d’integrazione

Sul funzionamento del rivelatore in termini matematici[modifica]

Funzionamento del rivelatore per segnali sinusoidali

La tensione d'uscita da A2 è data da:

dove

= tensione continua all’uscita del rivelatore

= tensione efficace del segnale sinusoidale d’ingresso

guadagno di A1

guadagno di A2


Funzionamento del rivelatore per segnali di rumore

La tensione d'uscita da A2 è data da:

dove

= tensione continua all’uscita del rivelatore

= tensione efficace del rumore d’ingresso in una banda definita

guadagno di A1

guadagno di A2

Progetto di un rivelatore[modifica]

Con le formule esposte procediamo al progetto di un rivelatore sulla base di requisiti tecnici richiesti:

Il circuito deve essere in grado di

Rivelare un segnale sinusoidale minimo di alla frequenza di

Accettare in linearità un segnale massimo di

Avere un guadagno

Avere una costante d’integrazione di

Essere alimentato con tensioni continue di


Calcolo dei guadagni parziali

Per guadagni parziali s’intendono i valori da attribuire sia a che a in base al valore del guadagno totale voluto la procedura di calcolo è la seguente:

  • In base al segnale minimo si calcola, in dipendenza di il valore di

  • S'ipotizza, in via preliminare, che i due guadagni parziali possano essere uguali e si risolve la formula del rivelatore

in termini di come segue:

  • S'imposta numericamente la formula di con espresse in volt e si ottiene:


  • Si valuta l’entità di secondo il seguente criterio:

Affinché il primo stadio possa lavorare nelle migliori condizioni di linearità ( si tenga presente che l’azione di rivelazione è a suo carico) è opportuno che A1 sia dotato di un buon tasso di controreazione, ovvero che il valore di sia inferiore o al massimo uguale a .

Visto che nell’ipotesi che sia uguale a è risultato che entrambi possono avere un guadagno di volte si può ritenere questo valore sia accettabile anche per A1.

  • Si deve osservare:

Il valore calcolato per assunto uguale per porta ad un guadagno totale “apparente” di:

che è in contrasto con il richiesto dal progetto, ciò dipende dal fatto che il guadagno dei due stadi deve compensare sia la perdita della cellula d’integrazione valutabile nel rapporto , sia il guadagno dovuto al rapporto tra che compare nella formula generale del rivelatore; prova di quanto detto si ha facendo il prodotto tra questi due valori e i valori di

che corrisponde con discreta precisione al valore di voluto.


Calcolo dei valori della rete di controreazione di A1

La rete di controreazione di A1 deve soddisfare l’uguaglianza:

che non considera la presenza della del diodo in serie a affinché, in effetti, la resistenza dinamica e le sue inevitabili variazioni ( dovute alla corrente di lavoro, alla temperatura, alle tolleranze di produzione) non siano sensibili ai fini della determinazione del guadagno dovrà porsi

Valutando per , sulla base di dati generici sui diodi di segnale, un valore ragionevole di potremmo porre

da cui segue il calcolo di

( da arrotondare a )

Il calcolo di si effettua, come sempre, imponendo la sua reattanza pari a circa

quindi:

(arrotondabile a )


Scelta di A1 e D1, D2

La scelta di A1 può orientarsi su di un microamplificatore che presenti, alla frequenza di , un guadagno libero di circa (si veda appendice 1):

ed una tensione d’alimentazione di

Un circuito integrato con queste caratteristiche si può individuare nel tipo LH0003; questo microamplificatore, che consente di disporre di un guadagno libero di oltre volte a , necessita di due condensatori di compensazione da collegarsi:

tra il terminale 1 ed il terminale 10

tra il terminale 5 e massa

I diodi di segnale presenti nella rete di controreazione, devono essere adatti a lavorare alla frequenza di e devono presentare una resistenza dinamica media di circa diodi con queste caratteristiche s’individuano nel tipo


Calcolo della cellula d’integrazione

La cellula deve essere calcolata per un tempo d’integrazione di .

L’obiettivo si ottiene definendo inizialmente il valore di in modo che non rappresenti, da un lato, un carico sensibile per la rete di controreazione e dall’altro che non richieda un valore di troppo elevato; le due esigenze sono soddisfatte ponendo con questo valore infatti le dimensioni di sono ragionevoli [3].

Dovendo essere la costante di tempo

.

dove è espresso in e in si ha


Calcolo del valore della rete di controreazione di A2 e scelta dell’integrato

Il circuito costruito con A2 è delegato ad amplificare tensioni continue e pertanto ha una rete di controreazione priva di condensatore di blocco, questi amplificatori richiedono un poco d’attenzione per l’instabilità dei fuori zero d’uscita dovuta a variazioni termiche od altro; per ottenere la migliore stabilità è buona norma che la resistenza collegata all’ingresso non invertente sia uguale al parallelo delle due resistenze della rete di controreazione.

La rete di controreazione deve soddisfare l’uguaglianza

Essendo la resistenza d’ingresso di A2 costituita dalla resistenza della cellula d’integrazione è opportuno che il parallelo di abbia tale valore.

Le due semplici formule che seguono consentono il calcolo di in funzione di ed

Applicando le formule si calcola la rete di controreazione di A2:

( arrotondabile ad )

La scelta di A2 può orientarsi su di un microamplificatore in corrente continua che presenti:

  • un guadagno libero di circa volte (si veda appendice 1):

  • una resistenza d’ingresso molto superore ad per non caricare la cellula d’integrazione
  • una tensione massima d’uscita superiore al valore massimo di:

  • un fuori zero d’uscita pari almeno ad del segnale minimo :

  • una tensione d’alimentazione di

Un circuito integrato con queste caratteristiche si può individuare nel tipo LM108; questo microamplificatore consente di disporre di un guadagno libero in corrente continua di oltre volte, di una resistenza d’ingresso di circa di una tensione massima di , di un fuori zero d’uscita di circa per , di una tensione d’alimentazione di

Il circuito necessita di un condensatore di compensazione da da collegarsi tra il terminale 1 ed il terminale 8.


Il progetto con segnali di rumore

Per il dimensionamento del rivelatore in caso di segnali d’ingresso in banda di rumore il procedimento di calcolo è simile a quello sopra riportato salvo l’applicazione della formula generale che è, come mostrato in precedenza:

dalla quale, ipotizzando in via preliminare che i due guadagni parziali possano essere uguali si ricava:

Nell’impiego delle due formule sopra esposte si deve ricordare che il valore del segnale di rumore d’ingresso, espresso con Vieff., s’intende misurato in tutta la banda di frequenze nella quale viene applicato al rivelatore.

note[modifica]

  1. Questo particolare circuito consente la scoperta di segnali alternati di basso livello nei sistemi di monitoraggio di alcuni fenomeni fisici.
  2. Indicato come rivelatore di picco.
  3. Per questo tipo di funzione i condensatori devono essere del tipo in poliestere