Amplificador instrumental

Ignacio Moreno Velasco

Area de Tecnología Electrónica

4.3.- EL AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN
Ante las exigencias de medida que imponen los sensores, se necesitan amplificadores específicos llamados de instrumentación que deben cumplir unos requisitos generales: • Ganancia: seleccionable, estable, lineal. • Entrada diferencial: con CMRR alto. • Error despreciable debido a las corrientes ytensiones de offset • Impedancia de entrada alta • Impedancia de salida baja 4.3.1.1.Basado en tres AO

Rg

Rb

R3 B

V2

Etapa pre-amplificación

Etapa diferencial

ETAPA PRE-AMPLIFICACIÓN • Aumenta la impedancia de entrada del conjunto. Gracias a su configuracion no inversora iguala la impedancia del circuito a la del AO. • Suelen utilizarse operacionales con entradas basadas enFET para conseguir bajas corrientes de polarización. Análisis: Buscamos VA y VB en función de V1 y de V2: Aplicamos c.c. virtual y planteamos Kirschoff de corrientes en el punto A:
V A − V1 V1 − V2 = , despejando VA: RA RG

Apuntes de Instrumentación Electrónica (03-04)

+

-

+ + -

V1

A Ra R1 R2

Vo Ideal
R4 Ref

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R  R V A = V1  A + 1 − A V2 R  R G  G 

De igual forma en el punto B:
V1 − V2 V2 − V B , despejando VB: = RG RB R  R V B = V2  B + 1 − B V1 R  R G  G 

Restando ambas expresiones, obtenemos:
 Ra + Rb  V B − V A = V2 − V1   Rg + 1 Ecuación 3   

Observar que el paréntesis representa la ganancia diferencial de la etapa pre-amplificadora, yque variando Rg podremos variar la ganancia.

ETAPA DIFERENCIAL En el estudio del amplificador diferencial, establecimos una ecuación que llevada a este circuito:
 R   R   R4 v o =  − 2  ⋅ V A + 1 + 2  ⋅   R   R  R + R 1  4 1   3     ⋅ vB Ecuación 4  

TOTAL Sustituyendo en la ecuación 4 las expresiones de VA y de VB por lo hallado en la etapa pre-amplificadora, yteniendo en cuenta las definiciones de Vd y Vcm: Llegaríamos a:
 1 + Vo = −Vd ⋅   1 +  R2 R1 R3 R4 R 2 R3   1 − R R   1 Rb  R2  1 Ra  1 4 ⋅ +     2 Rg  + R  2 + Rg  + Vcm ⋅  R3  1+    1    R4        

Vd = VB – VA y Vcm = (VA+VB)/2

De donde se deduce que: • La ganancia en modo común será cero (i.e. CMRR máximo) si 1 −
R2 R3 = 0 . Esto se puede consegurirR1R4

como ya salió en el análisis del amplificador diferencial si R2/R1 = R4/R3. • Si además para simplificar la expresión, imponemos que 2Ra/Rg = 2Rb/Rg, es decir, Ra = Rb Resulta:

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Ad =

R2 R1

 Ra   1 + 2  Rg   

Observar que Rg mepermite variar la ganancia sin afectar al CMRR

Si NO conectamos el terminal ref a masa, sino a otra tensión de referencia obtendríamos: Vo = Ad (V+ -V-) +Vref INTEGRADO: BURR-BROWN INA-131 Demostrar la función de transferencia del circuito integrado INA-131, si Vref se conecta a masa.

Comparando el esquema interno con el analizado anteriormente: Ra = Rb = 25 KΩ R1=R3 = 5 KΩ R2=R4 = 25 KΩ Rg=2’63kΩ

Ganancia de la etapa pre-amplificadora: La ganancia diferencial de esta parte quedaba definida en la ecuación 3:
 Ra + Rb  25KΩ + 25KΩ + 1 = 20,011 ≈ 26 dB Ad1 =    Rg + 1 = 2'63KΩ  

Ganancia de la etapa diferencial: Según vimos en el estudio del amplificador diferencial, cuando R1=R3 y R2=R4 la ganancia viene dada por:
 R  25KΩ Ad 2 =  2  =  R  5KΩ = 5 ≈ 14 dB  1Apuntes de Instrumentación Electrónica (03-04)

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Ganancia total La ganancia total será el producto de ambas, Ad = Ad1 · Ad2 y se aproximará por tanto a 100. Ad (dB) = Ad1 (dB) + Ad2 (dB) = 26 dB + 14 dB = 40 dB

PROPUESTO: ¿Qué resistencia en paralelo debemos poner para obtener una ganancia de 200?...