amplicadores operacionales

Amplificador de instrumentación


Este amplificador se usa para medir pequeños voltajes diferenciales superpuestos sobre un voltaje de modo común, más grande que el diferencial, se le llama también, amplificador transductor, amplificador de error y/o amplificador de puente. El amplificador de instrumentación se coloca en la etapa de entrada de un instrumento electrónico, se utiliza paraaumentar la sensibilidad del circuito.
Se diseña para usarse con señales de corriente directa o de corriente alterna. Es uno de los amplificadores más útiles, precisos y versátiles de que se dispone en la actualidad. La primera etapa de un sistema de adquisición de datos, cuenta por lo menos con un amplificador de instrumentación. Como ejemplos de aplicaciones con amplificadores de instrumentaciónson; el medidor de intensidad de campo, el osciloscopio y el voltímetro realizado con FET'S (Transistor de efecto de campo).
Existe un límite en la sensibilidad que tiene un instrumento, sin importar que tan alta sea la ganancia en su etapa de entrada. Los amplificadores generan ruido de fondo (ruido blanco), que se presenta como resultado de las corrientes y efectos térmicos. Las cantidades demagnitud menor que el nivel de ruido, no se miden confiablemente, inclusive al utilizar amplificadores de instrumentación.




FIGURA 1. AMPLIFICADOR DIFERENCIAL BÁSICO
El amplificador diferencial puede medir y amplificar pequeñas señales ocultas en señales mucho más grandes. Un amplificar diferencial está compuesto por cuatro resistencias y un amplificador operacional como se muestra en lafigura 3
Aplicando las propiedades del amplificador operacional ideal donde la impedancia de entrada es infinita y la corriente de entrada es cero, queda:
Va = Vb
(1.1)
I1 = I2
(1.2)
I3 = I4
(1.3)
 En primer lugar obtendremos el valor de Vb en función de V1, R1 y R2. Partiendo de la ecuación 1.2 se obtiene:
 I1 = I2

(V1 - Vb) / R1 = (Vb - 0) / R2
(1.4)
despejando Vb queda
 
Vb = V1( R2 / ( R1 + R2 ))
(1.5)
 Nos quedaremos con el resultado de la ecuación .15 y usaremos la ecuación 1.3 y 1.1 para poder despejar Vo. Los pasos son:
 I3 = I4
(1.6)
( V2 - Va ) /  R3 = ( Va - Vo ) / R4
(1.7)
 Aplicando la ecuación 1.6 y despejando Vo queda:


Vo = R4 ( Vb / R4 ) + R4 ( Vb / R3) - R4 ( V2 / R3 )  
(1.8)
Vo = R4 [ Vb ( R4 + R3 ) / ( R4 R3 ) ] - R4 ( V2 / R3 )
(1.9) Reemplazando Vb por la ecuación 1.5:


Vo = R4 [ V1 ( R2 / ( R1 + R2 )) x ( R4 + R3 ) / ( R4 R3 ) ] - R4 ( V2 / R3 )
(1.10)
Vo = V1 ( R2 / R3 ) ( R4 + R3 ) / ( R1 + R2 ) - V2 ( R4 / R3 )  
(1.11)
 
Para simplificar la fórmula y el diseño del circuito utilizaremos la siguiente igualdad de resistencias:

R3 = R1 y R4 = R2
(1.12)

Reemplazando la ecuación 1.12 en la 1.11 queda:


Vo =V1 ( R2 / R1 ) ( R2 + R1 ) / ( R1 + R2 ) - V2 ( R2 / R1 )
(1.13)
Vo = (R2 / R1) ( V1 - V2 )
(1.14)
Por lo tanto variando las resistencias R2 y R1 se varía la ganancia del amplificador diferencial:
Vo = (R2 / R1) ( V1 - V2 )
(1.15)


El circuito de la figura 1 y la ecuación 1.15 se observa que el amplificador diferencial básico tiene dos desventajas:
 - Baja impedancia de entrada.
 -Cambio de ganancia difícil.
 Estas dos desventajas se resuelven con el amplificador de instrumentación




Seguidor de voltaje
Un seguidor de voltaje  posee las siguientes características:
 - Reproduce en su salida el voltaje en su entrada no inversora.
- Alta impedancia de entrada.
- Baja impedancia de salida.



Aplicando la propiedad del amplificador operacional:
 Vo = A (V+ – V-)(1)
En la entrada inversora tenemos Vo y en la entrada no inversora tenemos Vi:
Vo = A (Vi – V0)
(2)
 Despejando Vi:
Vi = Vo ( 1 + 1/A )
(3)
Como la ganancia del amplificador operacional A es infinita (Amplificador operacional ideal) el término 1/A es igual a 0, quedando:
 Vi ≈ Vo
(4)
En la ecuación 1.4 se observa que el Seguidor de voltaje reproduce en su salida el voltaje de su...