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
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #2
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.
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Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #3
Avaliação:
•Trabalhos 25%•Exame 75%
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #4
Amplificador Operacional
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Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #5
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
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #6
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
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Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #7
Ganho de tensão => Av
Amplificador
AVi
VoAv =
∆∆=
Vo = Av .Vi
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #8
Amplificador com duas alimentações. Permite ter sinais de saída positivos e negativos
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Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #9
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
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #10
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
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #11
Cascata de 3 amplificadores
A1 A2 A3Vin Vo1 Vo2 Vo3
323
212
11
AVoVo
AVoVo
AVinVo
⋅=⋅=⋅=
3213
3213
AAAVin
VoGanho
AAAVinVo
⋅⋅==
⋅⋅⋅=
Vo1 Vo2Vo3
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #12
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
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Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #13
Símbolo do amplificador operacional
Alimentações
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #14
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
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Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #15
(((( )))) (((( ))))
AVo
Vid
VidVV
VVAVVAVo
====
====−−−−
−−−−====−−−−====−−−−++++
−−−−++++12Modelo do amplificador Ideal
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #16
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
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #17
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
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #18
Amplificador seguidor (ganho =1)Ganho igual ao do amplificador não inversor com R2=0
Vo=Vi
10
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #19
Amplificador somador
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #20
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
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #21
MicroRuido
AmplificadorDiferença
Vo
Cabo
massa
V1
V2
Interior do caboAplicações
USB Interface
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #22
Amplificador de Instrumentação
12
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #23
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
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #24
Amplificador de isolamento-Aplicações médicas-Medidas em alta tensão-Isolamento 1-6kV
V+
V- Vo
+Vcc
-VccV1-
V1+
13
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #25
Aplicação num monitor de electrocardiograma
Medição de temperatura
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #26
Caso geral Aplicar o teorema da sobreposição
14
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #27
Amplificador de transresistencia
i1
Vo= - Rf . i1
Rf
Vo = 0.5mA . 10k = 5V
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #28
15
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #29
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
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #30
A
VoV
−=−
( ) −− −=−= AVVAVo 0
11
RA
VoVi
I
−−=
( ) ViR
RVo
AR
RR
RVi
Vo
RIA
VoVo
A 1
2lim
112
11
12
21
−=
++
−=
−−=
∞→
16
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #31
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
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #32
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
Resposta de frequência
Andar inversor
17
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #33
Andar não inversor
t
i
o
RR
s
RR
sVsV
RR
A
ωωωω
++++
++++
++++≈≈≈≈
++++>>>>>>>>
1
2
1
2
1
20
1
1
1
)()(
1
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #34
Efeitos não ideais Taxa de inflexão (slew rate)
maxt
VoSR
∂∂=
18
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #35
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
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #36
Tensão de desvio de entrada (Offset)VOS
+=1
21
R
RVosVo
Cancelamento do offset
Característica do amplificador com offset
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Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #37
Correntes de polarização de entrada
21RIVo B=
2//13 RRR =
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #38
Integrador ∫=⇒∂
∂= IcdtC
Vct
VcCIc
1
20
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #39
Derivador
Circuito geral
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #40
Integrador com perdas
221
2
122
1 1)()(
)(RsC
sViRR
RsCRR
sVisVo
++++−−−−====
++++−−−−====
f
RCjjVi
RR
jVo
ππππωωωωωωωω
ωωωωωωωω
2
1)(
)(221
2
====++++
−−−−====
Resposta de frequência
21
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #41
Z2 Z3
Z4
Z1
I1 I2
Conversor de Imitância
3
421 Z
ZZZ −−−−====
41
32 se
ZZ
RZZ
−−−−============
421
2312
ZIV
IZIZ
−−−−========
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #42
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
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #43
Sallen e Key
Multiple feedback
Implementação de filtros
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #44
Comparador
Aplicações não lineares
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Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #45
Comparador com histereseSchmitt Trigger
+Vcc
-Vcc
211.
RRRVcc
Vi++++
±±±±====
Comparador inversor
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #46
+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
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #47
Efeito da histerese
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #48
(((( ))))
tempo de Constante
)(
−−−−====
−−−−−−−−====−−−−
ττττττττ
ττττ
RC
eVVVtVct
inicialfinalfinal
Transitorios de 1ª ordem
Vi
Vo
25
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #49
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
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #50
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
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Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #51
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
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #52
Encapsulamento
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Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #53
Texas Instruments 2007
Electrónica de Instrumentação
© Jorge Guilherme 2008 #54
Aplicações do TL071
Caracteristicas do TL071
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