Rechazo de Modo Comn en Amplificadores de Instrumentacin

Rechazo de Modo Comn en Amplificadores de Instrumentacin

Introduccin

Existen en equipos en la industria, en equipos de electromedicina, y en equipos en otras muchas aplicaciones, la necesidad de medir seales muy pequeas del orden de microvoltios o pocos milivoltios en la presencia de comparativamente grandes seales de ruido provenientes de distintas fuentes, como ser motores, tubos de iluminacin de descarga gaseosa, y la siempre presente induccin de la frecuencia de lnea de alimentacin, en nuestro caso 50Hz. Para realizar las mencionadas mediciones estos debern utilizar en su entrada Amplificadores de Instrumentacin con un adecuada Relacin Rechazo de Modo Comn (CMRR).

En la siguiente figura se coloca un esquema bsico de medicin

Al Amplificador de Instrumentacin ingresan dos seales de modo comn: una de c.c. de +2.5V provenientes del puentes de resistencias y otra de c.a. Vruido inducida sobre los cables de entrada al amplificador.-

Rechazo de Modo Comn

Los amplificadores de Instrumentacin amplifican la diferencia entre dos seales. Esas seales diferenciales en la prctica provienen de sensores como ser termocuplas, fotosensores, puentes de medicin resistivos, etc. En la figura de arriba se ve que de un puente resistivo, en estado de equilibrio sin seal, en la mitad de las ramas del puente existe una seal de 2.5V respecto a masa. Esta seal de corriente continua es comn a ambas entradas por lo cual es llamada Voltage de Modo Comn de la seal diferencial. Se puede ver que estas seales no contienen informacin til en lo que se quiere medir y como el amplificador amplificar la diferencia de ambas, al ser igulaes, se restan y a la salida el resutado ser cero o sea idealmente no estn contribuyendo a la informacin de salida. Tambin se ve que se inducen seales de corriente alterna en ambas entradas a la vez y que sern rechazadas como en el caso de continua. Pero al producirse un desbalance del equilibrio del puente por la variacin de una de sus resistencias se producir una seal que ser aplicada entre ambas entradas y ser amplificada. Por lo expuesto, es que se justifica la utilizacin de amplificadores de instrumentacin para rechazar seales que entran en modo comn, osea en las dos entradas se presenta la misma seal.

En la prctica, las seales de modo comn nunca sern rechazadas completamente, de manera que alguna pequea parte de la seal indeseada contribuir a la salida.

Para cuantificar la calidad del Amplificador de Instrumentacin, se especifica la llamada Relacin de Rechazo de Modo Comn (CMRR) que matemticamente se expresa como:

siendo:

AD= Amplificacin Diferencial

AD = Vout / Vin diferencial

ACM= Amplificacin Modo Comn

VCM= Voltage de modo comn en la entrada

ACM = Vout / VCM

Vout= Voltage de salida

De la ltima frmula podemos obtener la Vout como:

De las hojas de datos de los Amplificadores de Instrumentacin podemos obtener por ejemplo

CMRR=100db ;

AD =10 ;

De la figura, VCM de modo comn es de 2.5Volt

de donde:

Vout = 250uV para el caso de la figura anterior.

Rechazo de Modo Comn de c.a. y de c.c.

Como se ve en la figura de arriba, y como se dijo, se presentan a las entradas diferenciales, seales de c.c. y de c.a. y al no ser infinito el CMRR, una cierta cantidad de ambas estarn presentes en la salida, adems de la seal diferencial deseada. La componente indeseada de c.c. puede considerarse como un offset y es sencillo ajustarlo externamente. La componente indeseada de c.a. es ms complicada de disminuir a la entrada, y se hace principalmente utilizando filtros de c.a. colocados en la entrada, disminuyendo el ancho de banda de utilizacin del amplificador.

La especificacin de CMRR en funcin de la frecuencia se obtiene de las hojas de datos. En la figura siguiente se puede apreciar como vara el CMRR, disminuyen a medida que aumenta la frecuencia.

La respuesta en frecuencia del CMRR es plana hasta alrededor de 100 HZ

Voltaje de Modo Comn de Entrada en funcin del de Salida

Un circuito con filtros de c.a. se muestra en la figura que sigue:

Configuraciones circuitales de Amplificaciones de Instrumentacin

Configuracin de dos AO's

El circuito esquemtico se muestra abajo:

Amplificacin Diferencial

Amplitud de Salida Diferencial

VoutDiferencial = Vout (donde VA es distinto de VB) es la siguiente:

Esta ecuacin surge haciendo el siguiente anlisis del circuito anterior:

considerando que R1=R4 y R2=R3 la tensin diferencial ser:

Es de destacar que de acuerdo con las frmulas obtenidas, con este circuito no se puede tener ganancia unitaria, y en caso de necesitarse hay que utilizar la configuracin de tres AO's.-

Amplitud de Salida de Modo Comn

Considerando VA=VB =VCM de las ecuaciones anteriores obtenemos:

La tensin de Salida de Modo Comn ser:

Y la ecuacin del CMRR:

Considerando la frmula para el CMRR vemos que este se incrementa con la amplificacin diferencial y con el apareamiento de las resistencias, ya que si se logra, el CMRR tiende a infinito.-

Amplitud de Salida Diferencial

VoutDiferencial = Vout (donde VA es distinto de VB) es la siguiente:

Esta ecuacin surge haciendo el siguiente anlisis del circuito anterior:

Configuracin de tres AO's

Vista anteriormente, el circuito esquemtico es:

Amplificacin Diferencial

En este amplificador se acostumbra a hacer R5=R6=R; R1=R3 y R2=R4 y como ya vimos la amplificacin diferencial ser:

Amplificacin de Modo Comn

Considerando VA=VB =VCM y como los amplificadores de entrada estn en una configuracin simtrica, la misma tensin aparece en V1 y V2, de manera que de las ecuaciones vistas anteriormente en amplificadores diferencia, surge que:

Y el CMRR ser

Nuevamente el CMRR depende de la AD y del cuidado en seleccionar los valores de las resistencias, ya sea para que sean lo ms iguales posibles o sus relaciones de unas a otras sean lo ms exactas posibles.-

Bibliografa:

1.-Adaptado del artculo "A Practical Review of Common Mode and In-Amps" por Eamon Nash de Analog Devices2.-"A designer's Guide to Instrumentation Amplifiers " por Charles Kitchin and Lew Counts de Analog Devices