Una descripción general importante del amplificador de instrumentación | 3- Op-amp como amplificador de instrumentación

Amplificadores de instrumentación

Imagen de: ZephyrisEPROM Microchip SuperMacroCC BY-SA 3.0

Puntos de discusión: Amplificador de instrumentación

Introducción al amplificador de instrumentación

Un amplificador de instrumentación es un tipo particular de amplificador que se deriva del cumplimiento de algunos propósitos específicos. El amplificador de instrumentación proporciona mayor ganancia, alto CMRR (índice de rechazo de modo común) y altas impedancias de entrada. Entonces, podemos decir que intenta poseer la mayoría de las características de un amplificador operacional ideal.

Un amplificador de instrumentación a menudo se denomina In-Amp o InAmp. Este artículo discutirá en detalle sobre circuitos, diseño, fórmulas y ecuaciones relacionadas con el amplificador de instrumentación.

Amplificador de instrumentación de 3 amplificadores operacionales

Un amplificador de instrumentación típico consta de 3 amplificadores operacionales regulares. Dos de ellos se utilizan en una sola etapa, mientras que el otro se usa para separar una etapa. Los tres amplificadores funcionan como un amplificador diferencial y todos ellos están conectados con retroalimentaciones negativas. Como los amplificadores de instrumentación constan de 3 amplificadores, a menudo se les llama amplificador de tres amplificadores operacionales.

Circuito amplificador de instrumentación

La siguiente imagen representa un diagrama de circuito típico de un amplificador de instrumentación. Observe atentamente la imagen ya que vamos a hacer referencia a la foto para el resto del artículo.

Amplificador instrumental
Amplificador instrumental

Los voltajes de entrada son Vi1 y Vi2.

Las resistencias son R1 (2), R2 (2), R3, R4 (2).

El voltaje en los terminales A y B son VA y VB, respectivamente.

La corriente a través de la rama R4, R3 y R4 es I.

La salida del amplificador -1 es Vo1 y la del amplificador -2 es Vo2.

La salida de los 3rd amplificador es Vout.

Diseño de amplificador de instrumentación

Un amplificador de instrumentación es una combinación de 3 amplificadores típicos. Están conectados en un orden específico para construir un amplificador de instrumentación. Podemos segregar el diseño del amplificador del instrumento en dos partes.

La primera parte es "Dos entradas y dos salidas". Se conectan dos amplificadores operacionales estándar, como se muestra en la figura del circuito del amplificador. Ambos cuentan con retroalimentación negativa ya que estabiliza más el circuito. La salida de ambos amplificadores está conectada con tres resistencias.

La segunda parte es un básico "Amplificador diferencial”. La salida de ambos amplificadores anteriores actúa como entrada para el último amplificador. Las salidas están conectadas con dos resistencias de valor idéntico con el amplificador. La sección positiva está conectada a tierra y la retroalimentación negativa está asociada con el terminal negativo y el o / p de este amplificador operacional es la salida final del amplificador del instrumento.

Derivación de amplificador instrumental

Derivemos las ecuaciones y fórmulas funcionales para el amplificador de instrumentación. Para derivar las ecuaciones, háganos saber qué sucede dentro de todo el amplificador del instrumento. Como hemos mencionado anteriormente, la separación de dos etapas, la calcularemos en parte.

En la primera etapa, la entrada se proporciona a los terminales no inversores de ambos amplificadores. El amplificador son amplificadores diferenciales. Entonces, descubren la diferencia entre los voltajes de entrada dados. Ahora, consulte el diagrama del circuito; los voltajes de entrada son Vi1 y Vi2. El terminal inversor del circuito está conectado con retroalimentación negativa de la salida de los amplificadores. Digamos que los terminales inversores de ambos amplificadores tienen potenciales VA y VB, respectivamente. Aparecen en el nodo que se conecta con las líneas de resistencia y la rama.

Considerando que el cortocircuito virtual funciona, los terminales A y B reciben la misma cantidad de voltaje que las entradas. Entonces, podemos decir, VA = Vi1, VB = Vi2. Todo el escenario funciona como un amplificador diferencial. Eso significa que la diferencia entre el voltaje de las dos entradas se amplificará en la salida. La salida será nuevamente las diferencias entre el voltaje de las dos salidas. Eso se puede expresar de la siguiente manera:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Aquí k es la ganancia del amplificador.

En la etapa dos, la diferencia de los amplificadores se alimenta como entrada para el amplificador. El amplificador en esta etapa simplemente funciona como un amplificador típico. Las resistencias que se conectan con la información son de los mismos valores que el requerimiento de los amplificadores diferenciales. El terminal inversor está asociado con la tierra, y el amplificador se cree que tiene tierra virtual. En la siguiente sección, derivaremos los cálculos matemáticos para un amplificador de instrumento.

Ecuación del amplificador de instrumento

Los voltajes de entrada son Vi1 y Vi2.

Si el cortocircuito virtual funciona, entonces VA = Vi1 y VB = Vi2

Ahora, no hay flujo de corriente desde A y B a la rama de resistencia. Solo hay una corriente típica a través de la rama, y ​​esa es la corriente I. 'I' se da como:

I = (Vi1 - Vi2) / R3.

La 'I' actual también se puede calcular utilizando el análisis de nodo. Viene como sigue.

Yo = (Vo1 - Vo2) / (R4 + R3 + R4)

O, (Vo1 - Vo2) = (Vi1 - Vi2) * (R3 + 2R4) / R3

La ecuación anterior explica el funcionamiento de la primera etapa. Para la segunda etapa, la salida del amplificador operacional es la salida final del amplificador de instrumentación.

A partir del funcionamiento de un amplificador diferencial, podemos escribir que,

Vout = (R2 / R1) x (Vo2 - Vo1)

O, Vout = (R2 / R1) x (R3 + 2R4) x (Vi1 - Vi2) / R3

Esta es la ecuación del amplificador de instrumentación o la ecuación de salida de un amplificador de instrumentación. Ahora, mire la sección de derivación de este artículo. Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2). La ecuación obtenida tiene el mismo formato.

Ganancia del amplificador de instrumentación

La ganancia del amplificador se conoce como el factor por el cual el amplificador amplifica la señal de entrada. Los valores de resistencia representan la ganancia de un amplificador de instrumentación. La ganancia también depende del tipo de retroalimentación que se utilice. La retroalimentación positiva proporciona una mayor ganancia, mientras que la retroalimentación negativa proporciona una mejor estabilidad del sistema.

La ecuación general del amplificador de instrumentación es Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2), representando la ganancia como: 'k'.

Fórmula de ganancia del amplificador de instrumentación

Como se mencionó anteriormente, la ganancia del amplificador se puede derivar de la ecuación de salida del amplificador. La ecuación de salida es la siguiente:

Vout = (R2 / R1) x (R3 + 2R4) x (Vi1 - Vi2) / R3

Comparando esta ecuación con la siguiente ecuación:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Podemos escribir,

k = (R2 / R1) x (R3 + 2R4) / R3, esta es la fórmula de ganancia del amplificador de instrumentación.

Amplificador de instrumentación IC

Los amplificadores típicos se empaquetan a través de circuitos integrados o circuitos integrados. Entonces, si queremos construir un amplificador instrumental usando amplificadores operacionales regulares, tenemos que usar circuitos integrados de amplificador operacional. También hay un IC separado disponible para amplificadores de instrumentación. No es necesario conectar un amplificador operacional con otro. Estos tipos de circuitos integrados se utilizan comercialmente cuando se utilizan más circuitos integrados a la vez.

Módulo amplificador de instrumentación

Los módulos de amplificadores de instrumentación son una combinación de unos pocos dispositivos electrónicos, y el principal de ellos son los amplificadores de instrumentación. Dos de los excelentes amplificadores de instrumentación son AD623, AD620.

Los módulos se utilizan explícitamente en dispositivos de ingeniería médica de baja potencia, amplificador de señal de baja potencia, termopares. Algunas de las características son: a) Proporciona mayor ganancia, b) Mejor estabilidad, c) Baja potencia d) Alta precisión.

Lista de circuitos integrados de amplificadores instrumentales

Como un amplificador de instrumentación se puede construir utilizando diferentes circuitos integrados, hemos elaborado una lista de todos los circuitos integrados que se pueden utilizar para amplificadores instrumentales. Los números de IC se dan en la lista.

Nombre del ICEspecificación ICComentarios
Amplificador instrumentalINA128Una ficha.
Amplificador de instrumentación dualINA2128IC de 16 pines
Amplificador operacional típicoLM324IC tenía cuatro amplificadores.
Amplificador instrumentalAD623IC de ocho pines con un solo amplificador de instrumentación
Amplificador de instrumentación de precisiónAD624IC de 16 pines  
Amplificador operacionalIC741IC de cuatro pines y funciona como una sola unidad del amplificador operacional.

Célula de carga del amplificador de instrumentación

El rendimiento del amplificador de instrumentación aumenta gradualmente al conectar la celda de carga. El amplificador proporciona un CMRR más alto, impedancias de entrada más altas y, por lo tanto, mejora el rendimiento. La conexión detallada para el amplificador de instrumentación con celda de carga se muestra en la siguiente imagen.

Voltaje de compensación del amplificador de instrumentación

Cada amplificador operacional tiene su voltaje de compensación. El voltaje de compensación se define como la necesidad de un voltaje que se debe aplicar entre dos entradas para anular la diferencia entre ellas y este valor de compensación de cada amplificador operacional se especifica en la hoja de datos proporcionada por el fabricante. Para los amplificadores de instrumentación, el voltaje de compensación es significativamente menor, lo cual es deseable.

Forma de onda de salida del amplificador de instrumentación

Para observar la salida de un amplificador de instrumentación, tenemos que conectarlo con un CRO (osciloscopio de rayos catódicos). Proporcionamos la entrada como ondas sinusoidales como dos señales de entrada, y el trabajo se mide desde el último amplificador. Las sondas coaxiales están conectadas con los pines para observar la forma de onda de salida. La siguiente imagen muestra la salida. La salida es la diferencia amplificada entre los voltajes de entrada aplicados.

Forma de onda de salida

 

Función de transferencia del amplificador de instrumentación

La función de transferencia de un sistema se refiere al proceso que describe o proporciona salida para cada entrada. Como el amplificador toma dos entradas y las amplifica, la función de transferencia reflejará lo mismo. La función de transferencia se puede escribir como:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Aquí Vi1 y Vi2 son las dos entradas y k es la ganancia.

Amplificador de instrumentación dual

Un amplificador de instrumentación dual es un tipo especial de amplificador de instrumentación que tiene una gran precisión. Está diseñado de cierta manera para proporcionar alta ganancia, mayor precisión desde un tamaño mínimo de IC. También tiene un voltaje de compensación bajo. Para un ancho de banda más amplio y una resistencia externa conectada, el amplificador dual puede proporcionar una ganancia de hasta 10,000.

El INA2128 IC se utiliza como amplificador instrumental dual. Algunas de las aplicaciones importantes del amplificador de instrumentación dual son los amplificadores de sensor, los dispositivos de ingeniería médica y los equipos que funcionan con baterías.

Amplificador de instrumentación vs amplificador operacional

Puntos de referenciaAmplificador operacionalAmplificador instrumental
Estructura basicaAcumulación de transistores de unión bipolar o transistores de efecto de campo de óxido metálico.La acumulación de tres amplificadores diferenciales
GananciaGanancia normalMayor ganancia
Conexión de búferSe puede usar un amplificador operacional para hacer un circuito de búfer.Un circuito de amortiguación es parte de todo el circuito.
Especificación de ICIC741AD623

Ventajas y desventajas del amplificador de instrumentación

Los amplificadores de instrumentación están desarrollados para obtener más ventajas sobre los amplificadores diferenciales típicos. Es por eso que los amplificadores de instrumentación se utilizan en la mayoría de las aplicaciones comerciales. Pero también tiene algunas ventajas. Analicemos algunas de las ventajas y desventajas de los amplificadores de instrumentación.

Ventajas

1. Exactitud y precisión en la medición: Los amplificadores de instrumentación se utilizan con fines de prueba y medición. Los amplificadores de instrumentos no necesitan coincidir con las impedancias de entrada. Por eso son tan útiles para realizar pruebas. Los mejores valores paramétricos como CMRR más alto, alta impedancia de entrada también obtienen ventajas.

2. Ganancia: los amplificadores de instrumentación proporcionan mayores valores para la ganancia de bucle abierto. Es una ventaja más clara que también es un requisito esencial para los amplificadores.

3. Estabilidad del sistema: Dentro de los amplificadores de instrumentación, todos los amplificadores operacionales normales están conectados en retroalimentación negativa. Como sabemos, la retroalimentación negativa estabiliza el sistema; La estabilidad del amplificador de instrumentación también es alta.

4. Escalabilidad: los amplificadores de instrumentación son increíblemente escalables. Ofrece la opción de escalar la señal en el nivel de entrada. Es por eso que la amplificación general es mucho mayor que la de otros amplificadores. El rango de escala es alto también por esa razón.

5. Accesibilidad: los amplificadores de instrumentación vienen en circuitos integrados. Hay circuitos integrados de ocho pines disponibles. Por lo tanto, es más fácil de manejar y usar. Además, no hay muchos factores a tener en cuenta durante la amplificación. El usuario solo tiene que conocer bien la señal de entrada. Encontremos las desventajas de los amplificadores de instrumentación.

Desventajas

1. El amplificador de instrumentación sufre el problema de la transmisión de largo alcance. El amplificador tiende a mezclar las señales originales con los ruidos si la señal de entrada se envía para un rango extendido de comunicación. El problema se puede resolver si se puede improvisar el tipo de cable para que el ruido se cancele en la etapa primaria o no ingrese ruido a la línea de transmisión.

Características del amplificador de instrumentación

Veamos las características de los amplificadores de instrumentación de un vistazo.

  • Los amplificadores de instrumentación son amplificadores diferenciales compuestos por tres amplificadores operacionales.
  • Proporciona una ganancia de bucle abierto más alta que los amplificadores operacionales típicos.
  • Tiene un CMRR más alto, una impedancia de entrada más alta, voltajes de compensación bajos, impedancias de salida más bajas, lo que lo acerca al amplificador operacional ideal.
  • Los amplificadores de instrumentación proporcionan mayor exactitud y precisión cuando se utilizan en pruebas y mediciones.
  • Los amplificadores de instrumentación están disponibles en circuitos integrados para fines comerciales.

Amplificador de instrumentación de 2 amplificadores operacionales

Los amplificadores de instrumentación típicos se componen de 3 amplificadores, pero también es posible hacer un amplificador de instrumentación utilizando un amplificador operacional de dos. La imagen de abajo muestra un circuito amplificador de instrumentación basado en 2 amplificadores operacionales.

Circuito amplificador de instrumentación de dos amplificadores operacionales

análisis de ruido del amplificador de instrumentación

Hay tipos particulares de amplificadores de instrumentación disponibles para medir la señal más débil en un entorno ruidoso. Se les conoce como amplificadores de instrumentación de ruido. Estos tipos de amplificadores de instrumentación se utilizan para análisis de ruido.

Amplificador de instrumentación para detección de corriente

Los amplificadores de detección de corriente separados están disponibles en el mercado para la detección de corriente. Pero un amplificador de instrumentación también puede operar la detección de corriente. La principal diferencia entre los dos amplificadores está en la topología de entrada.

Preguntas Frecuentes

1. ¿Por qué utilizar un amplificador de instrumentación?

Respuesta Los amplificadores de instrumentación proporcionan mayor ganancia, mayor CMRR, mayor impedancia de entrada, menor impedancia de salida. Por lo tanto, podemos observar que posee propiedades muy cercanas a un amplificador operacional ideal. Por eso se utiliza un amplificador de instrumentación.

2. ¿Cuándo utilizar un amplificador de instrumentación?

Respuesta ISe requieren amplificadores de nstrumentación cada vez que el usuario requiere una mayor ganancia con mejor estabilidad del sistema para amplificar una señal. Si el usuario necesitaba medidas y resultados de prueba muy precisos, entonces el amplificador de instrumentación viene como una solución.

3. ¿Qué es un amplificador de instrumentación para celda de carga?

Respuesta El rendimiento del amplificador de instrumentación aumenta gradualmente al conectar la celda de carga. El amplificador proporciona un CMRR más alto, impedancias de entrada más altas y, por lo tanto, mejora el rendimiento. La conexión detallada para el amplificador de instrumentación con celda de carga se muestra en la siguiente imagen. (Punto a tener en cuenta: conecte toda la tierra.

4. ¿Qué es un diagrama de circuito de un amplificador de instrumentación para una bioseñal con una ganancia de mil?

Respuesta La conexión estándar del amplificador de instrumentación proporciona una ganancia específica. Pero agregar una resistencia externa te dará un impulso de mil.

5. ¿Cuál es el principio de funcionamiento de un amplificador de instrumentación?

Respuesta El principio de funcionamiento del amplificador de instrumentación es el mismo que el de un amplificador diferencial. Toma los voltajes de entrada y amplifica la diferencia para proporcionar esa diferencia amplificada como salida.

Básicamente: Salida = ganancia * (Entrada1 - Entrada2)

6. ¿Cuáles son las ventajas de usar un amplificador de instrumentación sobre un amplificador diferencial ordinario para medir señales y voltajes bajos?

Respuesta Las ventajas son -

  • Exactitud y precisión en la medición: los amplificadores de instrumentación se utilizan con fines de prueba y medición. Los amplificadores de instrumentos no necesitan coincidir con las impedancias de entrada. Por eso son tan útiles para realizar pruebas. Los mejores valores paramétricos como CMRR más alto, alta impedancia de entrada también obtienen ventajas.
  • Ganancia: los amplificadores de instrumentación proporcionan mayores valores para el crecimiento en bucle abierto. Es una ventaja más clara que también es un requisito esencial para los amplificadores.
  • Estabilidad del sistema: dentro de los amplificadores de instrumentación, todos los amplificadores operacionales normales están conectados en retroalimentación negativa. Como sabemos, la retroalimentación negativa estabiliza el sistema; La estabilidad del amplificador de instrumentación también es alta.
  • Escalabilidad: los amplificadores de instrumentación son increíblemente escalables. Ofrece la opción de escalar la señal en el nivel de entrada. Es por eso que la amplificación general es mucho mayor que la de otros amplificadores. El rango de escala es alto también por esa razón.
  • Accesibilidad: los amplificadores de instrumentación vienen en circuitos integrados. Hay circuitos integrados de ocho pines disponibles. Por lo tanto, es más fácil de manejar y usar. Además, no hay muchos factores que manejar durante la amplificación. El usuario debe conocer bien la señal de entrada.

7. ¿Por qué es importante CMRR en amplificadores de instrumentación?

Respuesta CMRR es un parámetro esencial para medir el rendimiento de un amplificador operacional. CMRR estima la cantidad de señal de modo común que aparecerá en la medición de salida. El amplificador de instrucciones, al ser un amplificador operacional utilizado explícitamente para fines de medición y prueba, debe tener el CMRR más bajo. Es una necesidad básica para el amplificador operacional; de lo contrario, afectará la medición.

8. ¿Cuál es la diferencia entre un amplificador de instrumentación y un sumador inversor que usa dos amplificadores operacionales?

Respuesta La diferencia estará en el funcionamiento y también en los valores paramétricos. Las entradas para un amplificador de instrumentación nunca se suministran en los terminales inversores. Entonces, habrá cambios. Además, los amplificadores de instrumentación tienen circuitos de búfer, y las retroalimentaciones de ellos son retroalimentación negativa que aumenta la estabilidad del sistema. Entonces, hay desviaciones masivas de los resultados reales.

9. ¿Cuál es el propósito de un búfer dentro de un amplificador de instrumentación?

Respuesta El búfer dentro del amplificador de instrumentación es útil de muchas maneras. El búfer aumenta la impedancia de entrada, lo cual es muy necesario. También elimina la diferencia entre dos voltajes de entrada; por lo tanto, el valor de la tensión de compensación se reduce. También afecta al CMRR.

10. ¿Cuáles son las buenas reglas generales para construir amplificadores de instrumentación?

Respuesta No existen reglas tan estrictas y rápidas para diseñar o construir amplificadores de instrumentación. Pero existen algunas mejores prácticas. Algunos de ellos son: a) Diseñar el circuito simétricamente, b) Implementar la ganancia en la primera etapa, c) Considerar los factores de CMRR, efectos del termopar y valores de resistencia, d) Diseñar la segunda etapa.

11. ¿Cómo eliminar el voltaje de compensación en el amplificador de instrumentación?

Respuesta El voltaje de compensación de cualquier amplificador se puede quitar alimentando una corriente ajustable desde una fuente de voltaje. Se debe colocar una resistencia de alto valor entre la corriente y el amplificador operacional.

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Sobre Sudipta Roy

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