AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACION

CAROLINA RICO OLARTECódigo: 06101007

Ing. Diego Gerardo Gómez OrozcoDocente de Circuitos Analógicos II

UNIVERSIDAD DEL CAUCAFACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONESPROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES

POPAYAN2012

I. PRELIMINARES

Existen equipos de la industria, equipos de electromedicina, y en otras muchas aplicaciones, la necesidad de medir señales muy pequeñas del orden de microvoltios o pocos milivoltios en la presencia de comparativamente, grandes señales de ruido provenientes de distintas fuentes, como pueden ser motores, tubos de iluminación de descarga gaseosa, etc. Para realizar las mencionadas mediciones estos equipos deberán utilizar en su entrada Amplificadores de Instrumentación.

Un amplificador de instrumentación es un dispositivo electrónico capaz de lograr amplificaciones importantes, con muy bajo ruido, con alimentación simple o doble, baja deriva térmica, bajo consumo y variación de la salida hasta los límites de la alimentación, es decir sin caída en la salida. Son utilizados en aplicaciones en las que se requiere gran precisión y estabilidad a corto y largo plazo.

AMPLIFICADOR DIFERENCIAL

El amplificador diferencial es un circuito pensado para amplificar la diferencia de dos señales.

Figura N° 1: Amplificador diferencial simple

En la Figura N° 1, se pueden identificar dos entradas (v1 y v2), una de ellas definida como inversora (-) y la otra como no inversora (+), y una salida (vo). Se tiene que, si R1=R3 y R2=R4, a la salida el voltaje viene dado por:

vo=R2

R1( v2−v1 )

Voltajes en modo común y diferencial

El voltaje en modo común (vcm) esta definido como la semisuma de los voltajes las dos entradas del amplificador diferencial:

vcm=v1+v2

2

El voltaje en modo diferencial (vdm) definido como la diferencia entre el voltaje aplicado a la entrada inversora v1 y el voltaje aplicado a la entrada no inversora v2.

vdm=v2−v1

Bajo estas consideraciones, el amplificador diferencial quedaría representado así:

Figura N° 2: Amplificador diferencial

Ganancia en modo común y diferencial

La ganancia en modo común (Acm) se define como la relación entre la salida y la entrada a modo común cuando ésta es la única excitación del circuito.

Acm=vo

vcm

La ganancia en modo diferencial (Adm), se define como la relación entre la salida y la entrada diferencial, cuando la excitación a modo común es nula.

Ad m=vo

vdm

El amplificador diferencial ideal es aquel que, a la salida tiene sólo presente la componente diferencial, o sea que rechaza las señales a modo común y por lo tanto, la ganancia a modo común es nula, amplificando sólo las señales a modo diferencial. En la práctica, las señales de modo común nunca serán rechazadas completamente, de manera que alguna pequeña parte de la señal indeseada contribuirá a la salida.

Razón de rechazo al modo común (CMRR)

Se define un factor para el amplificador diferencial que evalúa la capacidad de rechazo del circuito a las señales en modo común frente a la capacidad de amplificar las señales en modo diferencial. La razón de rechazo al modo común CMRR, es la relación entre la ganancia en modo diferencial y la ganancia en modo común.

CMRR=Adm

Acm

Y a menudo se expresa en decibeles,

CMRRdB=20 logAdm

Acm

El amplificador diferencial básico es un amplificador de instrumentación de muy bajas prestaciones, porque:

a) Requiere modificar dos componentes para modificar su ganancia diferencial, manteniendo la ganancia en modo común nula.

b) Es muy difícil conseguir CMRR muy altos. El CMRRTOTAL del circuito se degrada por dos causas: - El amplificador operacional, que conforma al amplificador operacional, tiene un CMRRAO

finito.- Las resistencias difícilmente se pueden ajustar para que exactamente satisfagan la relación R1=R3 y R2=R4, y en consecuencia se genera un CMRRR.

CMRRR=R1 R4+R2 R3+2R2 R4

2(R1 R4−R2 R3)

Resultando como combinación de ambos,

1CMRRTOTAL

= 1CMRRAO

+ 1CMRRR

c) La impedancia de entrada es muy baja. Esta característica podría mejorarse colocando amplificadores con la suficiente potencia, en configuración seguidor en la entrada.

d) El ancho de banda es baja si la ganancia diferencial es alta.

II. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION

El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial tensión-tensión cuya ganancia puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a su propia especificación aún en un entorno hostil. Es un elemento esencial de los sistemas de medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que ofrece características funcionales propias e independientes de los restantes elementos con los que interacciona. Para ello, se requiere del amplificador de instrumentación que:

a) Tengan unas características funcionales que sean precisas y estables. b) Sus características no se modifiquen cuando se ensambla con otros elementos.

Los amplificadores de instrumentación necesitan cumplir con las siguientes características:

1) Son amplificadores diferenciales con una ganancia diferencial precisa y estable, generalmente en el rango de 1 a 1000.

2) Su ganancia diferencial se controla mediante un único elemento analógico (potenciómetro resistivo) o digital (conmutadores) lo que facilita su ajuste.

3) Su ganancia en modo común debe ser muy baja respecto de la ganancia diferencial, esto es, debe ofrecer un CMRR muy alto en todo el rango de frecuencia en que opera.

4) Una impedancia muy alta para que su ganancia no se vea afectada por la impedancia de la fuente de entrada.

5) Una impedancia de salida muy baja para que su ganancia no se vea afectada por la carga que se conecta a su salida.

6) Bajo nivel de la tensión de offset que aportan los amplificadores y baja deriva en el tiempo y con la temperatura, a fin de poder trabajar con señales de continua muy pequeñas.

7) Un ancho de banda ajustado a lo que se necesita en el diseño. 8) Un factor de ruido muy próximo a la unidad. Esto es, que no incremente el ruido. 9) Una razón de rechazo al rizado muy alto a la fuente de alimentación.

Amplificador de instrumentación con dos amplificadores operacionales

Figura N° 3: AI con dos AO

La estructura de un AI realizado con dos AO, considerando los AO ideales, resulta que la condición necesaria para obtener un CMRR infinito es la expresión de tensión de salida dada por:

vo=R2 RG

R12 ( v2−v1 )

Se puede variar la ganancia mediante la variación de RG. Para obtener un ajuste de ganancia, R2 se elige de forma que sea como máximo igual a la otra resistencia R2. No obstante, el ajuste del CMRR a más de 10 Hz es difícil, pues los dos caminos de la señal son muy asimétricos. Además, no se

puede tener ganancia de unidad. Una precaución a tomar con este circuito es evitar la saturación del primer AO si la señal de modo común es elevada.

Amplificador de instrumentación con tres amplificadores operacionales

Figura N° 4: AI con tres AO

Etapa de pre-amplificación:

Aumenta la impedancia de entrada del conjunto. Gracias a su configuración no inversora iguala la impedancia del circuito a la del AO. Suelen utilizarse operacionales con entradas basadas en FETs para conseguir bajas corrientes de polarización.Las expresiones de voltaje en los puntos A y B serán:

vA=v1(Ra

Rg

+1)− Ra

Rg

vA vB=v2( Rb

Rg

+1)− Rb

Rg

vB

Donde vA y vB son las salidas respectivas de AO1 y AO2. Al restar estos voltajes, se obtiene la entrada de la etapa diferencial:

vB−v A=v2−v1(Ra+ Rb

Rg

+1)La ganancia diferencial de la etapa pre-amplificadora se puede cambiar, variando Rg se podrá.

Adm 1=Ra+Rb

Rg

+1

Etapa diferencial:

En la parte que se trato el amplificador diferencial, se estableció que la salida de este circuito es:

vo=R2

R1( vB−v A )

Con estas relaciones definidas, se encuentra el voltaje de salida del AI:

vo=( v2−v1 )( R2 Ra+R2 Rb+R2 Rg

R1 Rg)

Donde la ganancia total del circuito viene dada, con la condición de Ra=Rb lo que permite variar la ganancia sin afectar al CMRR, por:

Ad=R2

R1(1+2

Ra

Rg)

INTEGRADOS

Los circuitos integrados de los AI, hacen mucho más ideal la utilización de estos en circuitos de aplicación, pues las resistencias internas son casi que perfectas reduciendo los errores externos al amplificador. A continuación se presentan 4 diferentes integrados del AI:

BURR-BROWN INA-131

Figura N° 5: INA 131

El INA 131 es un amplificador de instrumentación con ganancia diferencial Ad=100, su diseño consta de tres amplificadores y tiene un pequeño tamaño ideal para un gran numero de aplicaciones.

Entre sus características se encuentran: bajo nivel de voltaje offset (50 𝜇V), alto CMRR (110 dB min), funciona con fuentes de alimentación en un gran rango de voltaje (±2.25 a ±18 V). Esta disponible como un DIP de 8 pines.

INA 114

Figura N° 6: INA 114

El INA 114 es un AI de excelente precisión. Su diseño consta de tres amplificadores y tiene un tamaño pequeño, ideal para una alta gama de aplicaciones. Una sola resistencia externa establece cualquier ganancia desde 1 hasta 10.000. La protección de la entrada interna puede soportar hasta ± 40 V sin daño alguno. Presenta un alto CMRR (115 dB min en Ad = 1,000). Esta disponible como un DIP de 8-pines y SOL de 16-pines.

AD 623

Figura N° 7: AD 623 – Diagrama esquemático

El AD623 es un amplificador diferencial de Analog Devices y está concebido para trabajar en equipos portátiles y autónomos. Su disposición de patas es la estándar del mercado para este tipo de amplificadores, lo que permite que actúe como sustituto directo y mejorado de gran cantidad de dispositivos de menores prestaciones. La tensión de alimentación puede variar entre +3 y +12 V para el caso de alimentación simple y ±2,5 a ±6 V para la alimentación dual. La ganancia se fija con una sola resistencia. Sin resistencia externa, la ganancia es unitaria y la ganancia debe estar entre 1 (sin resistencia externa RG) y 1000.

AD 522

Figura N° 8: AD 522 – Diagrama esquemático

Un amplificador de instrumentación AD522 se emplea habitualmente como un amplificador de puente para transductores de resistencia (termistores, galgas extensiométricas, etc.) que se encuentran en control de procesos, instrumentación, procesamiento de datos y las pruebas médicas. El entorno operativo con frecuencia se caracteriza por una baja relación señal-ruido de los niveles, las temperaturas fluctuantes, impedancias desequilibradas de entrada, y la ubicación remota que dificulta la recalibración. Presenta un CMRR alto (mayor que 110 dB, Ad = 1000). Tiene un bajo nivel de ruido: 1.5μVpp (0,1 a 100 Hz) y una sola resistencia de ganancia programable (Ad entre 1 y 1000).

III. APLICACIONES

Se utiliza para acondicionar la salida de un puente de Wheatstone.

Sirve a la hora de amplificar señales eléctricas biológicas (por ejemplo, electrocardiogramas y electroencefalogramas).

Hace parte de circuitos para proporcionar alimentación a corriente constante.

Se utilizan en fuentes de alimentación.

Se usa como un puente amplificador.

Sirve como amplificador de los sensores de temperatura (RTD).

Se utiliza como dispositivo de adquisición de datos.

Se usa en interruptores y multiplexores analógicos.