¿Cuándo se necesita un amplificador de entrada analógica?

Hay varias razones para colocar un amplificador entre la señal de entrada y un A / D:

1. Para escalar el voltaje. Esto aparentemente no es necesario en este caso, pero lo menciono aquí para completar. Si el rango de entrada A / D es 0-3.3 V, entonces tiene que amplificar una señal pequeña o atenuar una grande para usar ese rango de manera óptima.

2. Para agregar un desplazamiento. Por ejemplo, si una señal está centrada alrededor del suelo, no puede simplemente multiplicarla por una constante para ubicarla en el rango de 0-3.3 V. Un circuito opamp puede agregar un desplazamiento mientras que de lo contrario deja la señal sola, o puede agregar un desplazamiento al mismo tiempo que agrega ganancia.

3. Para presentar una impedancia más baja. En realidad esta es una forma de amplificación. La mayoría de los A / D del microcontrolador desean que la señal de entrada no tenga una impedancia de más de 10 kΩ. Algunos de los más rápidos requieren incluso unos pocos 100 para lograr especificaciones completas. Muchas señales del mundo real tienen una impedancia mucho mayor que eso. Un búfer opamp se encarga de la conversión de impedancia alta a baja.

4. Para recortar la señal. Las entradas A / D del microcontrolador a menudo se especifican para muy poco voltaje fuera de su rango de operación. Incluso un poco de corriente a través de los diodos de protección puede causar un comportamiento errático del microcontrolador, o resultar en lecturas A / D erróneas en otros canales. Un opamp de riel a riel que se ejecuta desde la misma fuente que el microcontrolador no puede producir una señal fuera del rango A / D, pero puede ser más tolerante a las señales fuera de rango en su entrada. Esas señales se pueden recortar más fácilmente debido a que una impedancia más alta es más tolerable en la entrada del opamp que en la entrada del A / D. Además, los opamps son generalmente un poco más indulgentes con las señales de entrada fuera de rango.

5. Para aislar la señal sin procesar del A / D. La mayoría de los microcontroladores A / D tienen una muestra y sostienen el extremo delantero. Por lo general, esto significa cargar un capacitor interno, que puede poner un pico de carga significativo en la señal. Si la señal se usa en cualquier otro lugar, estos picos a medida que la muestra y el condensador de carga se cargan pueden causar problemas. Al aislar la entrada A / D con una pantalla, evita que las puntas se alimenten de nuevo a la señal en bruto y, probablemente, también proporcione más unidad para cargar la muestra y mantenerla más rápidamente.

6. Para proporcionar un poco de filtrado. Le gustaría eliminar todo el contenido de frecuencia por encima de la mitad de la frecuencia de muestreo. El filtrado preciso se realiza mejor digitalmente después de la conversión, pero el filtrado aproximado antes de la conversión puede ser muy útil. También es el único lugar donde se puede filtrar para evitar alias. Una vez que los alias son agregados por el proceso de muestreo, se vuelven indistinguibles de la señal real en el dominio de la frecuencia.

A menudo ocurre que la impedancia de entrada del ADC es relativamente baja, por lo que el propio ADC cargaría el circuito que está tratando de medir y cambiar el voltaje. En ese caso, es mejor agregar un amplificador de búfer que pueda controlar la baja impedancia de entrada del ADC mientras presenta una alta impedancia al circuito que se mide.

Preste atención a que la ganancia de un amplificador no siempre es la misma a lo largo de la frecuencia, pero debe saber cuál es su diagrama de Bode y diseñarlo correctamente. Entonces, si elige un OpAmp unitario (también llamado búfer), debe comprender si su Vin (f) se encuentra dentro de su ancho de banda unitario, de lo contrario obtendrá una ganancia menor.

No solo la ganancia, sino también los cambios de fase y, obviamente, su impedancia de entrada cambia.