Laboratório final: amplificador e filtro de sensor de baixa tensão

Transforme a necessidade em requisitos

Suponha que um sensor produza 1.65 V mais um sinal de ±20 mV e 10 Hz, com resistência de fonte de 1 kΩ. A alimentação física pretendida é 3.3 V. Escolha ganho não inversor 11 usando realimentação de 100 kΩ/10 kΩ e siga-o com um passa-baixas de 15.9 kΩ/100 nF. Suponha que uma entrada receptora posterior seja de alta impedância. A saída nominal do sinal antes da filtragem é 1.65 V ±220 mV.

Em 10 Hz, o módulo do RC é aproximadamente 0.995047. O sinal filtrado ideal é aproximadamente 1.65 V ±218.910 mV. Em 1 kHz, o módulo do filtro é aproximadamente 0.099600, portanto uma interferência hipotética de 1 mV no sensor torna-se aproximadamente 1.0956 mV na saída após ganho e filtragem. Isso é rejeição limitada de primeira ordem, não remoção de toda a interferência.

Modelo didático reproduzível

Salve sensor-capstone.cir e execute ngspice -b sensor-capstone.cir com um executável independente disponível.

Sensor deviation gain 11 with 100 Hz RC filter: ideal educational model
Vref ref 0 DC 1.65
Vs sensor ref DC 0 SIN(0 0.02 10) AC 1
Rsource sensor plus 1k
Rg minus ref 10k
Rf amp minus 100k
Eamp amp ref plus minus 100000
Rfilter amp out 15.9k
Cfilter out 0 100n
.op
.ac dec 50 1 10000
.tran 100u 500m 0 100u
.print ac vm(out) vp(out)
.print tran v(sensor) v(amp) v(out)
.save all
.end

A fonte Vs é referida ao meio da alimentação. Eamp é uma fonte dependente de ganho finito, sem limitação pela alimentação, ruído, GBW, slew nem corrente de polarização. O ganho real em malha fechada é aproximadamente 10.998790; use-o ao comparar valores de simulação de alta precisão. No ponto de operação CC, sensor, amp e out estão em 1.65 V. Compare dentro de 1 mV. Após a partida, o desvio de pico da saída de 10 Hz deve ser aproximadamente 218.886 mV; compare dentro de 2 mV.

Complete o registro do projeto físico

Antes de montar, selecione um componente que suporte alimentação de 3.3 V, faixa de modo comum de entrada perto de 1.65 V, faixa de saída de 1.431–1.869 V e corrente de carga esperada. Verifique produto ganho-largura de banda, slew, erro de polarização da entrada pelos 1 kΩ, offset, ruído, desacoplamento e capacidade da referência. Escolha tolerâncias de resistor/capacitor e avalie os extremos de corte. O slew senoidal necessário é de apenas aproximadamente 0.01375 V/ms aqui, mas isso sozinho não qualifica um dispositivo.

Entregue uma tabela de conexões, previsões manuais, arquivo exato, tabela de resultados e limitações. O sucesso do modelo independente não estabelece execução do mecanismo do ALcad nem segurança ou precisão de um sensor físico. Veja a documentação do ngspice como referência da análise.