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Amplificador de instrumentación

Un amplificador de instrumentación1 es un dispositivo diseñado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR); se utiliza generalmente para amplificar las señales de corriente continua y de baja frecuencia producidas por algún transductor. Generalmente estas señalesentregan sólo unos cuantos milivolts de amplitud, mientras que el ruido en modo común puede ser de varios volts. La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor.

El amplificador de instrumentación tiene buenas características de rechazo al modo común, que puede definirse como la capacidad del amplificador para rechazar el ruido común presente en ambas entradas.Como el ruido es común a ambas entradas, se utiliza el amplificador diferencial que se muestra en la figura 1, cuando la señal puede estar enmascarada por el ruido, o cuando la señal es muy pequeña.

Figura 1. Amplificador diferencial.

Uno de los problemas inherentes al amplificador diferencial que se muestra en la figura 1 son sus impedancias de entrada, que pueden no ser las mismas en ambasentradas, y que son relativamente bajas para las aplicaciones de instrumentación cuando las ganancias inversora y no-inversora son diferentes. El problema se reduce haciendo que ambas impedancias sean grandes e iguales, es decir, Rf = RB y Ri = RA, siendo Rf y RB grandes en relación a Ri y RA. De esa manera, las impedancias de entrada pueden hacerse grandes, aunque pueden ser diferentes y el voltajede salida se puede obtener mediante la siguiente expresión:

(1)
La ecuación (1) indica que el voltaje de salida del amplificador diferencial es proporcional a la diferencia entre las dos entradas de voltaje. La ganancia del amplificador diferencial depende de los valores de Rf y Ri.
De tal forma que el voltaje de salida será 0, cuando V2 = V1. Esta condición produce el voltaje de modo comúnde entrada (ViCM). El amplificador diferencial real presenta un voltaje en la salida como respuesta al modo común de entrada, dicha relación la podemos encontrar con la ecuación (2)
(2)
El rechazo de modo común se puede determinar con la ecuación (3)
(3)
El rechazo en modo común debe ser lo más grande posible.

Ejemplo 1.



Se puede mejorar el amplificador agregando un seguidor detensión a cada entrada. Este arreglo se conoce como amplificador de instrumentación. En la figura 2 se muestra el circuito del amplificador de instrumentación, que reúne las dos características necesarias una impedancia de entrada muy alta, y un excelente rechazo al modo común.

Figura 2. Amplificador de instrumentación.

El amplificador de instrumentación resuelve todos los inconvenientes quepresenta el amplificador diferencial, es un amplificador diferencial que consta de dos etapas, una etapa de entrada formada por dos amplificadores no inversores y una etapa de salida que es un amplificador diferencial y posee las siguientes características especiales:
Resistencia de entrada extremadamente alta
Resistencia de salida menor que la de los AO’s normales
CMRR superior a 100 dBGanancia de tensión en lazo abierto muy superior a la de los AO’s normales
Baja tensión OFFSET de entrada

Normalmente una de la señales (V1 o V2) provienen de sensores o transductores colocados en los circuitos de control del sistema, mientras que la otra señal se fija en un valor determinado, denominado de referencia o SET-POINT, y que informa al sistema de la condición en la que éste estáestabilizado o, es decir, proporciona la condición patrón deseada para el sistema. Estas aplicaciones requieren una precisión muy alta.

Al existir retroalimentación negativa se puede considerar un cortocircuito virtual entre las entradas inversora y no inversora de los dos operacionales. Por ello se tendrán las tensiones en dichas terminales y por tanto en los extremos del potenciómetro RA,...