• Author / Uploaded
• BenitoGaldos

Citation preview

Universidad Nacional de Rosario Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura Escuela de Ingeniería Electrónica ELECTRÓNICA II

NOTAS DE CLASE

Amplificadores de Instrumentación

Edición 2009

Electrónica II

Notas de Clase

Índice

1. 2. 3. 4.

Amplificador de Instrumentación Ideal ...................................................3 El Amplificador Diferencial.....................................................................3 Amplificador de instrumentación – Configuración Básica......................7 Amplificador de instrumentación con variación de ganancia lineal ......11

2

Notas de Clase

Electrónica II

1. Amplificador de Instrumentación Ideal Los Amplificadores de Instrumentación son amplificadores diferenciales con las siguientes características:



Z Z

id 0

y Zic → ∞ (para que no lo afecte la carga) → 0

(para que no afecte la fuente de entrada)




Av exacta y estable (1 – 1000) y controlable




F → ∞ R




Bajo offset y deriva para trabajar con entradas de continua y pequeñas.

USO: Amplificador de señal de bajo valor, con alta componente en modo común. Por ejemplo la salida de un transductor. Veamos la configuración más simple:

2. El Amplificador Diferencial

Fig. 1

3

Notas de Clase

Electrónica II

2.1 ¿Dónde falla esta configuración típica? a) El principal problema es que las impedancias no son infinitas. Carga a las etapas previas.

Fig. 2

R =2R id 1

R = ic

R1 + R 2

Fig. 3

2

b) ¿Como ajusto la ganancia? Tengo que variar dos resistencias simultáneamente y con mucha precisión.

Si planteamos un amplificador diferencial genérico resulta:

Fig. 4

V0 = −

R2 R1

V1 +

R4 R3 + R4

 R2  1 +  V2 R1  

4

Notas de Clase

Electrónica II

Descomponiendo V1 y V2 en sus componentes a modo común y a modo diferencial. Es decir:

V1 = Vc +

Vd 2

y

V2 = Vc −

Vd 2

Reemplazando V1 y V2 en la ecuación de la V0 y trabajando resulta:

V0 = −

1 2

 R2 R4 +  R3 + R4  R1

 R2   R1 R 4 − R 2 R 3 + + V Vc 1    d R + R R R 1   1 ( 3 4 )  

Donde:

Vd = V1 − V2

Vc =

y

V1 + V2 2

Entonces resulta:

1 Ad = − 2

 R2 R4 +  R3 + R 4  R1 Ac =

 R2   1 +   R 1    

R1 R 4 − R 2 R 3 R1 ( R 3 + R 4 )

Si,

R1 R2

=

R3 R4

entonces:

Ac = 0

y

Ad = −

R2 R1

Resultando así un amplificador diferencial.

5

Notas de Clase

Electrónica II

El AD básico tiene bajas prestaciones (pensado como amplificador de instrumentación): Debo modificar dos componentes para variar la ganancia Ad. Es difícil conseguir factores de rechazo (CMRR) altos. El factor de rechazo se degrada por dos causas:


El factor de rechazo (CMRR) debido a la dispersión o desapareamiento de las resistencias.




El factor de rechazo (CMRR) propio de los AO.

El CMRR total del circuito resulta:

1 1 1 = + CMRR TOTAL CMRR AO CMRR RESISTENCIAS

CMRR TOTAL = CMRR AO / / CMRR RESISTENCIAS Es como un paralelo. El CMRR Total será menor que el menor de los dos.

c) La

Zi ≠ ∞

no tiende a infinito.

Una solución seria el circuito que veremos a continuación.

6

Notas de Clase

Electrónica II

3. Amplificador de instrumentación – Configuración Básica

Fig. 5

Transferencia de la etapa de entrada:

VG = V1 − V2 V − V2 I= 1 RG

V01 − V02 =

⇒

V1 − V2 RG

( R3 + RG + R3 )

V01 − V02 ( 2 R3 + RG = V1 − V2 RG

)

Veamos que ocurre para una señal a modo común en la entrada: Aparece en la salida de la primera etapa ya que Avc = 1 para la primera etapa (observar que son circuitos seguidores).

7

Notas de Clase

Electrónica II

Transferencia de la segunda etapa:

V0 = − ( V01 − V02

)

R2 R1

La transferencia total resulta del producto de las ganancias:

 2 R3  R2 + 1 V0 = − ( V1 − V2 )   RG  R1

⇒

 2 R3  R2 V0 = + 1 V2 − V1  RG  R1

Este circuito cumple con los requisitos.

R

G puedo ajustar la ganancia, evitando el ajuste de dos resistencias simultáneamente Con como en el circuito anterior.

R

Pero aparece otra consideración: aquí el ajuste es no lineal, ya que G 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 el circuito completo:

Genéricamente:

Fig. 6

8

Notas de Clase

Electrónica II

Si

R3 R2

Realmente:

=

R 3′

⇒ CMRR RESISTENCIAS → ∞

R 2′

R3 R2

≠

R 3′ R 2′

Por lo que resulta que existe un factor de rechazo debido al desapareamiento de las resistencias:

CMRR RESISTENCIAS

 R1 R1′  = 1+ +  RG RG 

 1 R R′+R′R +2R R′ 2 3 2 3 3 3   2 R 2 R 3′ − R 3 R 2 

NOTA: Si este amplificador se arma en forma discreta la R3′ está constituida por una resistencia fija y un preset de la siguiente manera: ( 0,9 R3′ fija + 0, 2 R3′ un preset variable)

Aunque en la práctica lo usual es utilizar toda la configuración integrada. Utilizando integrados del tipo del INA114 de Burr-Brown. Además los amplificadores operacionales tienen un factor de rechazo distinto de infinito. Se demuestra que:

1 1 1 1 1 =− + + + CMRRTotal CMRRAO1 CMRRAO2  CMRRResistencias R R′  1 + 1 + 1  CMRRAO3  RG RG    Donde utilizando AO iguales para el 1 y el 2 se pueden anular los dos primeros términos de la ecuación. Y puede verse que el factor de rechazo del AO3 aparece multiplicado por un factor con lo cual resulta amplificado Resultando entonces:

CMRRTOTAL > CMRR SEGUNDA ETAPA

9

Notas de Clase

Electrónica II

Esto se puede ver también conceptualmente de la siguiente forma:

CMRR AO =




Analicemos

AVc

AVd AVc

del conjunto:

Para las señales a modo común la primera etapa se comporta como seguidora, luego resulta:

V01C = V1C V02C = V2C

Es decir la primera etapa tiene una

AVc PRIMERA ETAPA = 1

luego resulta

AVc TOTAL = AVc SEGUNDA ETAPA




Analicemos

AVd

del conjunto:

Aquí si, la primera etapa tiene ganancia a modo diferencial, resultando entonces:

AVd TOTAL = AVd PRIMERA ETAPA AVd SEGUNDA ETAPA

Entonces vemos que segunda etapa) y la

AVc TOTAL

AVd TOTAL

se mantiene igual a una etapa diferencial simple (como la

aumento, luego resulta:

CMRRTOTAL > CMRR SEGUNDA ETAPA

10

Notas de Clase

Electrónica II

4. Amplificador de instrumentación con variación de ganancia lineal Una posible solución a la variación no lineal del circuito anterior con RG es el siguiente circuito:

Fig. 7 Se demuestra que:

V0 =

R 2 RF R1 R3

( V02 − V01 )

11