Circuito amplificador para sensores del tipo carga y del tipo corriente.

Circuito acondicionador y amplificador con entrada diferencial para un sensor generador de carga o decorriente con terminales del sensor adecuado para generar una corriente de ruido en modo común (Ic) ycorrientes diferenciales (Id),

siendo la tensión de salida Vout del circuito con entrada diferencial proporcional ala carga o corriente, respectivamente, proporcionada por el sensor, incluyendo el circuito una tensión dereferencia, y comprendiendo:

una primera y una segunda resistencia (r) de idéntico valor, un primer y un segundo amplificador operacional(opamp1, opamp2), una conexión en paralelo de un condensador (Cf) y una tercera resistencia (Rf);

un nodo (A), estando el circuito con entrada diferencial configurado para suministrar una corriente a ese nodo(A) para cancelar la corriente de ruido en modo común (Ic) y para sumar las corrientes diferenciales (Id), ymedios para convertir dicha corriente (I) en tensión;

donde:

- los dos terminales de entrada del primer amplificador operacional (opamp1) están dispuestos para serconectables respectivamente con los terminales del sensor,

- la primera resistencia (r) se conecta entre el terminal inversor del citado primer amplificador operacional(opamp1) y su salida,

- la segunda resistencia de idéntico valor (r) se conecta entre el terminal no inversor del citado primeramplificador operacional (opamp1) y su salida,

- el terminal no inversor del citado primer amplificador operacional (opamp1) se conecta con el terminalinversor del segundo amplificador operacional (opamp2),

- el terminal no inversor del citado segundo amplificador operacional (opamp2) se conecta a la tensión dereferencia, y

- la conexión en paralelo del condensador (Cf) y la tercera resistencia (Rf) está conectada entre el terminalinversor del citado segundo amplificador operacional (opamp2) y su salida, que es a su vez la salida delcircuito, dicho nodo (A) estando determinado por las conexiones comunes de la segunda resistencia, elterminal no inversor de dicho primer amplificador operacional (opamp1), el terminal inversor de dicho segundoamplificador operacional (opamp2), el condensador (Cf) y la tercera resistencia (Rf).

Circuito amplificador para sensores del tipo carga y del tipo corriente Campo de la invención La presente invención se refiere a circuitos amplificadores con entrada diferencial para sensores del tipo carga o del tipo corriente para amplificar, acondicionar y proporcionar la salida de sensores del tipo carga o del tipo corriente tales como sensores de aceleración y de detección de luz (fotodiodo) .

Antecedentes de la invención Hasta ahora, se conocen dispositivos tales como los acelerómetros piezoeléctricos, sensores piroeléctricos de infrarrojos y otros similares, que producen señales en forma de carga eléctrica, que dependen directamente de las variables físicas medidas. Puesto que la cantidad de carga producida es muy pequeña, típicamente del orden de Pico-Culombios, se precisa un amplificador para producir una tensión medible, en el rango de centenas de milivoltios. Este tipo de dispositivos son conocidos como amplificadores de carga y pueden considerarse como una subclase de los llamados amplificadores o convertidores de transimpedancia.

Los amplificadores de carga deben tener propiedades adicionales tales como bajas impedancias de entrada y salida, de tal manera que la señal de salida sea prácticamente independiente de las impedancias parásitas del sensor y de la posterior electrónica. Una topología sencilla y bien conocida que cumple los requerimientos, se muestra en la Figura 1 y es originalmente atribuida a W. Kistler. Entre la entrada inversora y la salida de un amplificador diferencial de alta ganancia en tensión, se conecta un condensador Cf . La entrada no inversora del amplificador, se conecta a una tensión de referencia. Normalmente, mediante un amplificador operacional (op amp) se realiza el amplificador diferencial de alta ganancia, o en su lugar puede simplemente utilizarse un transistor FET. La tensión en la salida, cuando se genera una carga Q por el sensor, se calcula como:

Vo =Q/Cf

Por lo tanto, la sensibilidad del amplificador es:

1/Cf

Normalmente, se conecta una resistencia Rf en paralelo con el condensador Cf con la finalidad de permitir una adecuada polarización del amplificador operacional y una estabilidad garantizada en su comportamiento en DC. No obstante, Rf también introduce una frecuencia de corte inferior. La respuesta dinámica del amplificador es en este caso:

Q

Vo = 1

Cf º1ºº

sR C

ºff º

De donde la frecuencia inferior de corte puede ser calculada como::

RfCf

Esto significa que el amplificador tiene una mínima frecuencia útil, que puede ser reducida tanto como sea posible incrementando Rf , mientras que se mantiene constante el valor de Cf., con la finalidad de mantener la sensibilidad del amplificador en la zona de respuesta plana en frecuencia.

Son conocidas varias modificaciones sobre este esquema básico cuyo fin es el de mejorar una determinada característica del amplificador o bien corregir alguna limitación. Por ejemplo, una conexión resistiva en “T”, tal como se muestra en la figura 2, puede utilizarse para reemplazar la resistencia Rf. En este caso, la resistencia equivalente vista desde el sensor es:

Rf (1+ R1/R2+ R1/Rf)

De este modo, valores de resistencia elevados pueden lograrse eligiendo apropiadamente la razón R1/R2, sin tener que recurrir a resistencias de alto valor. La idea básica de aumentar el valor de una resistencia mediante una T es bien conocida, tal como se explica en muchos libros de texto, y se aplica en amplificadores de carga en la patente publicada US-6, 104, 120. La sensibilidad de los amplificadores de carga en la zona plana de su respuesta en frecuencia no se modifica, permaneciendo igual a 1/Cf.

Una limitación de los esquemas de las figuras 1 y 2 es la falta de un control independiente de sensibilidad del amplificador, que solo puede ser modificada variando Cf, pero variando en la misma proporción la frecuencia inferior de corte. Para superar esta limitación, Murata ha propuesto una modificación tal como se muestra en la figura 3. El condensador Cf y la resistencia Rf se conectan en paralelo y uno de sus terminales comunes se conecta a la entrada inversora del amplificador. Un divisor resistivo formado por R2 y R1 se conecta entre la salida del amplificador y la referencia, y el punto intermedio del divisor se conecta al otro terminal común entre Rf y Cf. La sensibilidad de este nuevo amplificador es ahora:

(1/Cf) . (1+ R1/R2)

Y la frecuencia de corte no se modifica. En realidad, esta configuración de la realimentación del amplificador de carga puede verse también como una red en T cuyo objetivo es el de aumentar la sensibilidad del amplificador, aumentando la impedancia efectiva del condensador.

Una topología muy similar a la anterior, de la que la realización de la figura 3 puede verse como un caso particular, se conoce a través de la patente EP-1150125 , y se reproduce en la figura 4. En ella, se utiliza un divisor resistivo compuesto por tres resistencias R1, R2, y R3 . Los puntos divisores de tensión se conectan, a un terminal del sensor, y al terminal de conexión común entre Cf y Rf respectivamente. Este esquema proporciona simultáneamente control de la sensibilidad, a través de R1, y compensación frente a la temperatura, a través de R2, y R3. Una limitación de este esquema es que no se produce un cortocircuito virtual entre los dos terminales del sensor, y por tanto es de esperar algún tipo de dependencia en el comportamiento de las impedancias parásitas del sensor.

Una limitación común a todos los esquemas descritos hasta este momento (figuras 1 a 4) , es que todas ellas son muy sensibles al ruido e interferencia en modo común, tal como la que se produce por acoplamiento electrostático. Tales señales en modo común, en forma de corrientes, se inyectan simultáneamente en los dos terminales del sensor con aproximadamente la misma intensidad. Dado que uno de los terminales está conectado a la tensión de referencia, su cancelación o compensación no son posibles.

Son conocidos varios esquemas para solucionar este problema, haciendo la mayoría uso de configuraciones diferenciales o balanceadas. Ejemplos de configuraciones balanceadas se han conocido a través de la patentes US-5, 339, 285, US-5, 982, 232, y también se proponen por ejemplo en el artículo “Transimpedance amplifier with differential photodiode current sensing”, por Bahram Zand, Khoman Phang, and David A. Johns, IEEE International Symposium on Circuits and Systems, ISCAS 99. Todos ellos hacen uso de un amplificador balanceado de alta ganancia, que no se construye de forma sencilla con amplificadores operacionales. Con respecto a las configuraciones completamente diferenciales, son bien conocidas y han sido descritas para sensores de fotodiodos, (B.C. Baker, “Comparison of noise performance between a FET transimpedance amplifier and a switched integrator", Application Bulletin AB-075A, 1993 Burr-Brown Corporation, USA) , y también para amplificadores de carga ("Charge amplifiers for piezoelectric sensors", A. Gandelli, R. Ottoboni, IEEE International Measurement and Technology Conference, IMTC 1993) . Realizaciones prácticas que utilizan amplificadores operacionales para sensores piezoeléctricos , tal como la mostrada en la figura 5, son conocidas a través de las patentes US-4, 689, 578 and US-5, 388, 458.

Todos los esquemas mencionados, que cancelan la interferencia o ruido en modo común, requieren del uso de al menos tres amplificadores operacionales, y de varias resistencias, haciendo que la solución sea cara en comparación con el amplificador de carga básico con un solo amplificador operacional. Además, la cancelación de este modo común no es independiente de la transimpedancia del circuito, por lo que ganancia y compensación no se pueden ajustar independientemente. Una alternativa que utiliza un único amplificador operacional, para sensores generadores de carga, mostrada en la figura 6, se ha dado a conocer recientemente a través de la patente US-2002/0125943, y que ya era conocida y estaba descrita previamente para sensores generadores de corriente (G. Graeme, "Photodiode monitoring with opamps" Application Bulletin AB-075, Januar y 1995, Burr-Brown Corporation, USA) . Sin embargo, y a diferencia de los esquemas mostrados hasta ahora, se producen variaciones en la señal en las entradas del amplificador operacional que no permanece a una tensión cercana a la tensión de referencia. Además, para conseguir una cancelación efectiva del ruido, se requiere un completo apareamiento entre los componentes pasivos, lo que es en la práctica difícil particularmente para los condensadores. Otra limitación es que la compensación depende también de los offsets de tensión... [Seguir leyendo]

1. Circuito acondicionador y amplificador con entrada diferencial para un sensor generador de carga o de corriente con terminales del sensor adecuado para generar una corriente de ruido en modo común (Ic) y corrientes diferenciales (Id) , siendo la tensión de salida Vout del circuito con entrada diferencial proporcional a la carga o corriente, respectivamente, proporcionada por el sensor, incluyendo el circuito una tensión de referencia, y comprendiendo:

una primera y una segunda resistencia (r) de idéntico valor, un primer y un segundo amplificador operacional (opamp1, opamp2) , una conexión en paralelo de un condensador (Cf) y una tercera resistencia (Rf) ;

un nodo (A) , estando el circuito con entrada diferencial configurado para suministrar una corriente a ese nodo (A) para cancelar la corriente de ruido en modo común (Ic) y para sumar las corrientes diferenciales (Id) , y

medios para convertir dicha corriente (I) en tensión;

donde:

-los dos terminales de entrada del primer amplificador operacional (opamp1) están dispuestos para ser conectables respectivamente con los terminales del sensor,

-la primera resistencia (r) se conecta entre el terminal inversor del citado primer amplificador operacional (opamp1) y su salida,

-la segunda resistencia de idéntico valor (r) se conecta entre el terminal no inversor del citado primer amplificador operacional (opamp1) y su salida,

-el terminal no inversor del citado primer amplificador operacional (opamp1) se conecta con el terminal inversor del segundo amplificador operacional (opamp2) ,

-el terminal no inversor del citado segundo amplificador operacional (opamp2) se conecta a la tensión de referencia, y

-la conexión en paralelo del condensador (Cf) y la tercera resistencia (Rf) está conectada entre el terminal inversor del citado segundo amplificador operacional (opamp2) y su salida, que es a su vez la salida del circuito, dicho nodo (A) estando determinado por las conexiones comunes de la segunda resistencia, el terminal no inversor de dicho primer amplificador operacional (opamp1) , el terminal inversor de dicho segundo amplificador operacional (opamp2) , el condensador (Cf) y la tercera resistencia (Rf) .

2. Circuito acondicionador y amplificador con entrada diferencial para un sensor generador de carga o de corriente con terminales del sensor adecuado para generar una corriente de ruido en modo común (Ic) y corrientes diferenciales (Id) , siendo la tensión de salida Vout del circuito con entrada diferencial proporcional a la carga o corriente, respectivamente, proporcionada por el sensor, incluyendo el circuito una tensión de referencia, y comprendiendo:

una primera y una segunda resistencia (r) de idéntico valor, un primer y un segundo amplificador operacional (opamp1, opamp2) , una conexión en paralelo de un condensador (Cf) y una tercera resistencia (Rf) ;

un nodo (A) , estando el circuito con entrada diferencial configurado para suministrar una corriente a ese nodo (A) para cancelar la corriente de ruido en modo común (Ic) y para sumar las corrientes diferenciales (Id) , y

medios para convertir dicha corriente (I) en tensión;

donde:

-el terminal inversor de entrada del primer amplificador operacional (opmap1) y el terminal inversor de entrada del segundo amplificador operacional (opamp2) están dispuestos para ser conectables respectivamente con los terminales del sensor,

-la primera resistencia (r) se conecta entre el terminal inversor del citado primer amplificador operacional (opamp1) y su salida,

-la segunda resistencia de idéntico valor (r) se conecta entre el terminal inversor del citado segundo amplificador operacional (opamp2) y la salida del citado primer amplificador operacional (opamp1) ,

-los terminales no inversores de los citados primer y segundo amplificadores operacionales (opamp1, opamp2) están conectados a la tensión de referencia, y

-la conexión en paralelo del condensador (Cf) y la tercera resistencia (Rf) está conectada entre el terminal inversor del citado segundo amplificador operacional (opamp 2) y su salida, que es a su vez la salida del circuito, dicho nodo (A) estando determinado por las conexiones comunes de la segunda resistencia (r) , el terminal inversor del segundo amplificador operacional (opamp2) , el condensador (Cf) y la tercera resistencia (Rf) .

3. Circuito acondicionador y amplificador con entrada diferencial para un sensor generador de carga o de corriente con terminales del sensor adecuado para generar una corriente de ruido en modo común (Ic) y corrientes diferenciales (Id) , siendo la tensión de salida Vout del circuito con entrada diferencial proporcional a la carga o corriente, respectivamente, proporcionada por el sensor, incluyendo el circuito una tensión de referencia, y comprendiendo:

una primera y una segunda resistencia (r) de idéntico valor, un primer y un segundo amplificador operacional (opamp1, opamp2) , una conexión en paralelo de un condensador (Cf) y una tercera resistencia (Rf) ;

un nodo (A) , estando el circuito con entrada diferencial configurado para suministrar una corriente a ese nodo (A) para cancelar la corriente de ruido en modo común (Ic) y para sumar las corrientes diferenciales (Id) , y

medios para convertir dicha corriente (I) en tensión;

donde:

-el terminal inversor de entrada del primer amplificador operacional (opamp1) y el terminal inversor de entrada del segundo amplificador operacional (opamp2) están dispuestos para ser conectables respectivamente con los terminales del sensor,

-la primera resistencia (r) se conecta entre el terminal inversor del citado primer amplificador operacional (opamp1) y su salida

-la segunda resistencia de idéntico valor (r) se conecta entre el terminal inversor del citado segundo amplificador operacional (opamp1) y la salida del citado primer amplificador operacional (opamp2) ,

-los terminales no inversores de los citados primer y segundo amplificador (opamp1 y opamp2) operacional se conectan a la tensión de referencia, y

-la conexión en paralelo del condensador (Cf) y la tercera resistencia (Rf) está conectada entre el terminal inversor del citado primer amplificador operacional (opamp1) y la salida del citado segundo amplificador operacional (opamp2) , que es a su vez la salida del circuito, dicho nodo (A) estando determinado por las conexiones comunes de la primera resistencia (r) , el terminal inversor de dicho primer amplificador operacional (opamp1) , el condensador (Cf) y la tercera resistencia (Rf) .