¿Cómo amplifico una señal de 0-100 mV a un ADC con un rango de 0 a un voltaje de referencia específico?

Cuando realmente necesite conectarse a tierra en la salida para que incluso una salida de "riel a riel" no sea lo suficientemente buena, dele potencia negativa. Un amplificador operacional para controlar una entrada A/D no necesita mucha corriente, por lo que una bomba de carga debería ser suficiente.

Todo lo que necesita es una salida digital que alterna constantemente. Esto puede impulsar un par de seguidores emisores NPN/PNP. Eso más dos diodos Schottky y dos tapas te dan un pequeño voltaje negativo. Los microcontroladores a menudo pueden controlar un pin con una "salida de reloj" o similar, lo cual es útil para hacer una bomba de carga. Después de las diversas caídas de voltaje, solo termina con -1.2 V aproximadamente cuando comienza con una onda cuadrada de 3.3 Vpp, pero eso es suficiente para que muchos amplificadores operacionales superen su región de límite de riel inferior.

Una posible trampa de esto es que el amplificador operacional ahora puede conducir por debajo del voltaje de entrada A/D válido. Con el circuito correcto y asegurándose de que el voltaje de entrada al amplificador operacional se mantenga dentro de un rango específico, debería poder saber que la salida no será negativa. Sin embargo, debe considerar esto cuidadosamente.

Si observa la sección 28.6.3 de la hoja de datos del ATmega328P, verá que comienza a definir el error de desplazamiento cero que obtendrá al usar el ADC. El resultado de esto es que es extremadamente sensato no usar (digamos) los 10 mV inferiores o superiores del rango de ADC porque no puede garantizar que el ADC no haya alcanzado los "topes finales": -

La imagen de arriba muestra el efecto de los errores de cero y ganancia y tenga en cuenta que estos pueden ser tanto aditivos como sustractivos.

Por lo tanto, tiene un error cero y un error de ganancia con el que lidiar y reduce su rango numérico real; por supuesto, debe vivir con esto o calibrar cada entrada ADC específicamente.

Si buscas en la página 374 te da números reales: -

• El error de compensación se cita como 2 LSB en una referencia de 4 V y esto significa que el cero puede ser 0 V +/- 7,8 mV.
• El error de ganancia también es de 2 LSB, pero tiene el error adicional de que la referencia de voltaje no es exactamente 4.0960000 voltios. Busque la tolerancia en eso.

En resumen, use un amplificador operacional de riel a riel que sea bueno para bajar a 10 mV y viva con el problema como todos los demás.

Primero, es un desperdicio usar un amplificador de instrumentación si la entrada tiene referencia a tierra, un amplificador operacional normal en una configuración no inversora funcionará bien (en realidad, mejor en todos los sentidos).

Si el amplificador operacional no llega a 0V, puede poner un diodo en serie con la salida de la siguiente manera:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

También podría crear un suministro negativo para el amplificador operacional, pero en general eso causa problemas adicionales ya que el amplificador operacional ahora puede oscilar lo suficientemente negativo como para exceder el voltaje de entrada negativo máximo absoluto del chip. Para algunas MCU, puede mantenerse dentro de los límites creando un suministro que no supere los -300 mV, y en realidad hay un chip de bomba de carga diseñado para hacer precisamente eso. También hay soluciones de curita, como agregar una resistencia en serie y un diodo Schottky a tierra, pero pueden tener otros problemas, y ninguno de ellos está garantizado que no cause problemas (quizás sutiles) en el funcionamiento normal, incluso si no lo hacen. exceda el voltaje máximo absoluto o las especificaciones de corriente de entrada.

Otra posibilidad que puede funcionar o no, dependiendo de las partes internas del amplificador de entrada que use, sería elevar el pin de referencia a (digamos) 20 mV y desechar los pocos conteos inferiores del ADC. Si un nodo interno del amplificador de entrada se satura, es posible que no funcione y existe el problema adicional de proporcionar la fuente de 20 mV de baja impedancia para la referencia, ya que la mayoría de los amplificadores de entrada no tienen un búfer interno para la referencia.

Debe ser un poco cauteloso cuando trabaje muy cerca de la saturación del amplificador pero no lo lleve al riel; las características pueden cambiar bastante y puede resultar en una microinestabilidad cerca del riel. Por supuesto, no encontrará esto detallado en la hoja de datos y es posible que los macromodelos no modelen con precisión el comportamiento.