AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIONCAROLINA RICO OLARTE Código: 06101007 Ing. Diego Gerardo Gómez Orozco Docente de Circuitos Analógicos II UNIVERSIDAD DEL CAUCA FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA Y TELECOMUNICACIONES POPAYAN 2012 Para realizar las mencionadas mediciones estos equipos deberán utilizar en su entrada Amplificadores de Instrumentación. grandes señales de ruido provenientes de distintas fuentes. la necesidad de medir señales muy pequeñas del orden de microvoltios o pocos milivoltios en la presencia de comparativamente. con muy bajo ruido. etc. Un amplificador de instrumentación es un dispositivo electrónico capaz de lograr amplificaciones importantes. Figura N° 1: Amplificador diferencial simple En la Figura N° 1. es decir sin caída en la salida. y en otras muchas aplicaciones. AMPLIFICADOR DIFERENCIAL El amplificador diferencial es un circuito pensado para amplificar la diferencia de dos señales. se pueden identificar dos entradas (v1 y v2). tubos de iluminación de descarga gaseosa. una de ellas definida como inversora (-) y la otra como no inversora (+).I. como pueden ser motores. y una salida (vo). si R1=R3 y R2=R4. con alimentación simple o doble. equipos de electromedicina. PRELIMINARES Existen equipos de la industria. Se tiene que. bajo consumo y variación de la salida hasta los límites de la alimentación. a la salida el voltaje viene dado por: ( ) 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: . baja deriva térmica. Son utilizados en aplicaciones en las que se requiere gran precisión y estabilidad a corto y largo plazo. o sea que rechaza las señales a modo común y por lo tanto. 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. 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. 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. las señales de modo común nunca serán rechazadas completamente. se define como la relación entre la salida y la entrada diferencial. la ganancia a modo común es nula. a la salida tiene sólo presente la componente diferencial. La . En la práctica. amplificando sólo las señales a modo diferencial. El amplificador diferencial ideal es aquel que. La ganancia en modo diferencial (Adm). cuando la excitación a modo común es nula. de manera que alguna pequeña parte de la señal indeseada contribuirá a la salida. Y a menudo se expresa en decibeles. b) Es muy difícil conseguir CMRR muy altos. porque: a) Requiere modificar dos componentes para modificar su ganancia diferencial. II. Para ello. tiene un CMRRAO finito. Es un elemento esencial de los sistemas de medida.Las resistencias difícilmente se pueden ajustar para que exactamente satisfagan la relación R1=R3 y R2=R4. ) c) La impedancia de entrada es muy baja. . se requiere del amplificador de instrumentación que: a) Tengan unas características funcionales que sean precisas y estables. es la relación entre la ganancia en modo diferencial y la ganancia en modo común.razón de rechazo al modo común CMRR. que conforma al amplificador operacional. Esta característica podría mejorarse colocando amplificadores con la suficiente potencia. El CMRRTOTAL del circuito se degrada por dos causas: . ( Resultando como combinación de ambos. . 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.El amplificador operacional. El amplificador diferencial básico es un amplificador de instrumentación de muy bajas prestaciones. manteniendo la ganancia en modo común nula. d) El ancho de banda es baja si la ganancia diferencial es alta. b) Sus características no se modifiquen cuando se ensambla con otros elementos. y en consecuencia se genera un CMRRR. en los que se ensambla como un bloque funcional que ofrece características funcionales propias e independientes de los restantes elementos con los que interacciona. en configuración seguidor en la entrada. Además. 5) Una impedancia de salida muy baja para que su ganancia no se vea afectada por la carga que se conecta a su salida. R2 se elige de forma que sea como máximo igual a la otra resistencia R2. Esto es. resulta que la condición necesaria para obtener un CMRR infinito es la expresión de tensión de salida dada por: ( ) Se puede variar la ganancia mediante la variación de RG. generalmente en el rango de 1 a 1000. . 4) Una impedancia muy alta para que su ganancia no se vea afectada por la impedancia de la fuente de entrada. esto es. 6) Bajo nivel de la tensión de offset que aportan los amplificadores y baja deriva en el tiempo y con la temperatura. Para obtener un ajuste de ganancia. el ajuste del CMRR a más de 10 Hz es difícil. considerando los AO ideales. 3) Su ganancia en modo común debe ser muy baja respecto de la ganancia diferencial. 8) Un factor de ruido muy próximo a la unidad. 2) Su ganancia diferencial se controla mediante un único elemento analógico (potenciómetro resistivo) o digital (conmutadores) lo que facilita su ajuste. debe ofrecer un CMRR muy alto en todo el rango de frecuencia en que opera. a fin de poder trabajar con señales de continua muy pequeñas. Amplificador de instrumentación con dos amplificadores operacionales Figura N° 3: AI con dos AO La estructura de un AI realizado con dos AO. pues los dos caminos de la señal son muy asimétricos. Una precaución a tomar con este circuito es evitar la saturación del primer AO si la señal de modo común es elevada. no se puede tener ganancia de unidad.Los amplificadores de instrumentación necesitan cumplir con las siguientes características: 1) Son amplificadores diferenciales con una ganancia diferencial precisa y estable. 9) Una razón de rechazo al rizado muy alto a la fuente de alimentación. 7) Un ancho de banda ajustado a lo que se necesita en el diseño. que no incremente el ruido. No obstante. Suelen utilizarse operacionales con entradas basadas en FETs para conseguir bajas corrientes de polarización.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. Las expresiones de voltaje en los puntos A y B serán: ( ) ( ) Donde vA y vB son las salidas respectivas de AO1 y AO2. se estableció que la salida de este circuito es: . Etapa diferencial: En la parte que se trato el amplificador diferencial. se obtiene la entrada de la etapa diferencial: ( ) La ganancia diferencial de la etapa pre-amplificadora se puede cambiar. Gracias a su configuración no inversora iguala la impedancia del circuito a la del AO. Al restar estos voltajes. variando Rg se podrá. con la condición de Ra=Rb lo que permite variar la ganancia sin afectar al CMRR. .( ) Con estas relaciones definidas. por: ( ) INTEGRADOS Los circuitos integrados de los AI. su diseño consta de tres amplificadores y tiene un pequeño tamaño ideal para un gran numero de aplicaciones. 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. alto CMRR (110 dB min). Esta disponible como un DIP de 8 pines. se encuentra el voltaje de salida del AI: ( )( ) Donde la ganancia total del circuito viene dada.25 a ±18 V). 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. funciona con fuentes de alimentación en un gran rango de voltaje (±2. Entre sus características se encuentran: bajo nivel de voltaje offset (50 𝜇V). ideal para una alta gama de aplicaciones. Presenta un alto CMRR (115 dB min en Ad = 1.000. Su disposición de patas es la estándar del mercado para este tipo de amplificadores. Una sola resistencia externa establece cualquier ganancia desde 1 hasta 10. 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. La tensión de alimentación puede variar entre +3 y +12 V para el caso de alimentación simple y ±2. lo que permite que actúe como sustituto directo y mejorado de gran cantidad de dispositivos de menores prestaciones. La ganancia se fija .000).5 a ±6 V para la alimentación dual. 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. La protección de la entrada interna puede soportar hasta ± 40 V sin daño alguno. Tiene un bajo nivel de ruido: 1. Sirve a la hora de amplificar señales eléctricas biológicas (por ejemplo. y la ubicación remota que dificulta la recalibración. electrocardiogramas y electroencefalogramas). Sin resistencia externa. Se utilizan en fuentes de alimentación. etc. Sirve como amplificador de los sensores de temperatura (RTD). El entorno operativo con frecuencia se caracteriza por una baja relación señal-ruido de los niveles. 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. instrumentación. III.1 a 100 Hz) y una sola resistencia de ganancia programable (Ad entre 1 y 1000). impedancias desequilibradas de entrada. las temperaturas fluctuantes. la ganancia es unitaria y la ganancia debe estar entre 1 (sin resistencia externa RG) y 1000. procesamiento de datos y las pruebas médicas.5μVpp (0. .) que se encuentran en control de procesos. Hace parte de circuitos para proporcionar alimentación a corriente constante. Se usa como un puente amplificador.con una sola resistencia. Ad = 1000). Se usa en interruptores y multiplexores analógicos. Presenta un CMRR alto (mayor que 110 dB. Se utiliza como dispositivo de adquisición de datos. APLICACIONES Se utiliza para acondicionar la salida de un puente de Wheatstone.