Amplificadores de Instrumentación - Facultad de Ciencias ...

1 Universidad Nacional de Rosario Facultad de Ciencias Exactas, Ingenier a y Agrimensura Escuela de Ingenier a Electr nica A-15 - Dispositivos y Circuitos Electr nicos II. A-15. Dispositivos y Circuitos Electr nicos II. Ingenier a Electr nica Amplificadores de Instrumentaci n Autores: Ing. Sergio Eberlein (Profesor Asociado). Ing. Osvaldo V zquez (Profesor Adjunto). Edici n Dispositivos y Circuitos Electr nicos II Notas de Clase Amplificadores de Instrumentaci n ndice ndice 2. 1. Amplificador de Instrumentaci n Ideal .. 3. El Amplificador Diferencial .. 3. D nde falla esta configuraci n t pica.. 4. 2. Amplificador de instrumentaci n Configuraci n B sica .. 8. 3. Amplificador de instrumentaci n con variaci n de ganancia lineal .. 12. 4. Amplificadores de instrumentaci n integrados 13. 5. Amplificadores de instrumentaci n de ganancia programable - PGA204.

2 15. 6. Amplificadores diferenciales integrados - 17. 7. Anexo 1: .. 20. 8. Bibliograf a: .. 22. 2. Dispositivos y Circuitos Electr nicos II Notas de Clase Amplificadores de Instrumentaci n 1. Amplificador de Instrumentaci n Ideal Los Amplificadores DE INSTRUMENTACION son Amplificadores diferenciales con las siguientes caracter sticas: a) Z y Zic (para no afectar la fuente de se al a medir). id b) Z 0 (para que no afecte la entrada de la etapa siguiente). 0. c) Av exacta y estable (1 1000) y controlable d) F . R. e) Bajo offset y deriva para trabajar con entradas de continua y peque as. USO: Amplificador de se al de bajo valor, con alta componente en modo com n. Por ejemplo, la salida de un transductor. Veamos la configuraci n m s simple: El Amplificador Diferencial Veamos un amplificador b sico: El Amplificador Diferencial.

3 R2. R1. V1. VO. V2. R1. R2. Fig. 1. 3. Dispositivos y Circuitos Electr nicos II Notas de Clase Amplificadores de Instrumentaci n D nde falla esta configuraci n t pica. Analicemos las caracter sticas b sicas que debe cumplir: a) Impedancia de Entrada: Este es uno de los principales problemas de esta configuraci n. Las impedancias de entrada no son infinitas. Como consecuencia esta configuraci n carga a las etapas previas. R2 R2. V1 R1 R1. R id VO VO. R ic V2 R1. R1. R2 R2. R1 R 2. R 2R R . id 1 ic 2. Fig. 2. Fig. 3. b) Impedancia de Salida: La impedancia de salida de esta configuraci n resulta adecuada. Esta es muy baja ya que es aproximadamente la impedancia de salida del AO. c) La ganancia y su ajuste: Planteemos un amplificador diferencial gen rico: 4. Dispositivos y Circuitos Electr nicos II Notas de Clase Amplificadores de Instrumentaci n R2.

4 R1. V1. VO. V2. R3. R4. Fig. 4. Resolviendo el circuito resulta: R2 R4 R2 . V0 V1 1 V2. R1 R3 R 4 R1 . Descomponiendo V1 y V2 en sus componentes a modo com n y a modo diferencial. Es decir: Vd Vd V1 Vc V2 Vc . 2 y 2. Reemplazando V1 y V2 en la ecuaci n de la V0 y trabajando resulta: 1 R2 R4 R2 R1 R 4 R 2 R 3. V0 1 Vd Vc 2 R1 R3 R 4 R1 R 1 R 3 R 4 . Donde: V1 V2. Vd V1 V2 y Vc . 2. Entonces resulta: 1 R2 R4 R2 . Ad 1 . 2 R1 R3 R 4 R1 . 5. Dispositivos y Circuitos Electr nicos II Notas de Clase Amplificadores de Instrumentaci n R1 R 4 R 2 R 3. Ac . R1 R 3 R 4 . Si, R1 R3.. R2 R4. entonces: R2. Ac 0 y Ad . R1. Resultando as un amplificador diferencial. Vemos entonces que para ajustar la ganancia debo variar dos resistencias simult neamente y con mucha precisi n. Este es un serio inconveniente de esta configuraci n.

5 D) Factor de rechazo: Recordemos que el Factor de Rechazo F o CMRR se define como: R. Ad CMRR . Ac En esta configuraci n el Factor de Rechazo se degrada por dos causas, por lo que resulta dif cil conseguir factores de rechazo (CMRR) altos. Estas causas son: El factor de rechazo (CMRR) debido a la dispersi n o desapareamiento de las resistencias. Observemos que aparece una Ac 0. El factor de rechazo (CMRR) propio de los AO. El CMRR total del circuito resulta: 6. Dispositivos y Circuitos Electr nicos II Notas de Clase Amplificadores de Instrumentaci n 1 1 1.. CMRRTOTAL CMRR AO CMRR RESISTENCIAS. CMRR TOTAL CMRR AO / / CMRR RESISTENCIAS. Donde: CMRR AO : Es el factor de rechazo del circuito considerando el AO real (F ) y las resistencias perfectamente apareadas. Cabe aclarar que el R. CMRR AO del circuito en este caso particular coincide con el factor de rechazo del AO utilizado, ver Anexo 1.

6 CMRR RESISTENCIAS : Es el factor de rechazo del circuito considerando el AO. ideal ( F ) y las resistencias desapareadas. Utilizando las expresiones de R. la p gina anterior puedo obtener el valor de CMRRRESISTENCIAS. Ad 1 R 1 R 4 R 2 R3 2 R 2 R 4. CMRRRESISTENCIAS . Ac 2 R 1 R 4 R 2 R3. Vemos entonces que CMRR TOTAL es como un paralelo. El CMRR TOTAL ser . menor que el menor de los dos. e) Offset y su deriva: Estos par metros dependen solo de la calidad AO utilizado. Conclusi n: El AD b sico tiene bajas prestaciones pensado como amplificador de instrumentaci n. Una soluci n seria el circuito que veremos a continuaci n. 7. Dispositivos y Circuitos Electr nicos II Notas de Clase Amplificadores de Instrumentaci n 2. Amplificador de instrumentaci n Configuraci n B sica PRIMERA ETAPA SEGUNDA ETAPA. V1. AO1 R2. I. R3.

7 VO1 R1. I VO. VG AO3. RG. VO2 R1. R3. R2. I. AO2. V2. Fig. 5. Vemos que esta configuraci n resuelve satisfactoriamente el tema de la impedancia de entrada, ya que esta seria idealmente infinito. Veamos que ocurre con el tema de la Ganancia y el Factor de Rechazo. Planteemos la funci n transferencia de la etapa de entrada: VG V1 V2. V1 V2. V01 V02 R3 RG R3 . V V2 RG. I 1. RG.. V01 V02.. 2 R3 RG . V1 V2 RG. Veamos que ocurre para una se al a modo com n en la entrada: Aparece en la salida de la primera etapa ya que Avc = 1 para la primera etapa (observar que son circuitos seguidores). 8. Dispositivos y Circuitos Electr nicos II Notas de Clase Amplificadores de Instrumentaci n Transferencia de la segunda etapa: R2. V0 V01 V02 . R1. La transferencia total resulta del producto de las ganancias: 2 R3 R2. V0 V1 V2 1 . RG R1.

8 V0 2 R3 R2. 1 . V2 V1 RG R1. Este circuito cumple con los requisitos en cuanto a la facilidad del ajuste de la ganancia. Ya que con un solo componente RG puedo ajustar la ganancia, evitando el ajuste de dos resistencias simult neamente como en el circuito anterior. Pero aparece otra consideraci n: aqu el ajuste es no lineal, ya que RG. esta en el denominador. Veremos en el punto 4 una variante a este circuito para solucionar este problema. Que ocurre con el factor de rechazo en esta configuraci n: Para ello planteemos un circuito gen rico como el siguiente: V1. AO1 R2. R3. VO1 R1. VG VO. RG AO3. VO2 R1 . R 3. R2 . AO2. V2. Fig. 6. 9. Dispositivos y Circuitos Electr nicos II Notas de Clase Amplificadores de Instrumentaci n R1 R 1 . Si CMRRRESISTENCIAS . R2 R 2 . R1 R 1 . Pero realmente: . R2 R 2 . Igual que en la configuraci n anterior existe un factor de rechazo debido al desapareamiento de las resistencias: Es f cil demostrar que: Ad R R 3 1 R 1 R 2 R 1 R 2 2 R 2 R 2.

9 CMRRRESISTENCIAS . 1 . 3.. Ac RG RG 2 R 1 R 2 R 1 R 2.. Vemos como el factor de rechazo de la segunda etapa se ve amplificado por la ganancia de la primera etapa. Nota: Si este amplificador se arma en forma discreta la R 2 est . constituida por una resistencia fija y un preset de la siguiente manera: ( 0,9 R 2 fija 0, 2 R 2 un preset variable) . Aunque en la pr ctica lo usual es utilizar toda la configuraci n integrada. Utilizando integrados del tipo del INA114 de Burr-Brown como veremos en el punto 6. Adem s, los Amplificadores operacionales tienen un factor de rechazo distinto de infinito. Se demuestra que: 1 1 1 1 1.. CMRRT otal CMRRAO1 CMRRAO 2 R R CMRRR esistencias 1 3 3 CMRRAO 3. RG RG .. Donde utilizando AO iguales para el 1 y el 2 se pueden anular los dos primeros t rminos de la ecuaci n. 10. Dispositivos y Circuitos Electr nicos II Notas de Clase Amplificadores de Instrumentaci n Y puede verse que el factor de rechazo del AO3 aparece multiplicado por R R 3.

10 El factor 1 (ganancia de la primera etapa), con lo cual resulta 3. RG RG .. amplificado. Resultando entonces: CMRRTOTAL CMRR SEGUNDA ETAPA. Esto se puede ver tambi n conceptualmente de la siguiente forma: A Vd CMRR . AVc Analicemos AVC del conjunto: Para las se ales a modo com n la primera etapa se comporta como seguidora, luego resulta: V01C V1C. V02C V2C. AVc PRIMERA ETAPA 1. Es decir, la primera etapa tiene una luego resulta AVc TOTAL AVc SEGUNDA ETAPA. Analicemos AVd del conjunto: Aqu si, la primera etapa tiene ganancia a modo diferencial, resultando entonces: AVd TOTAL AVd PRIMERA ETAPA AVd SEGUNDA ETAPA. AVc TOTAL. Entonces vemos que se mantiene igual a una etapa diferencial A. simple (como la segunda etapa) y la Vd TOTAL aumento, en un factor igual a la ganancia de la primera etapa, luego resulta: CMRRTOTAL CMRR SEGUNDA ETAPA.