1. Educación

AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIÓN
Índice
Universidad
Alcalá
Departamento
Electrónica
1.- Amplificación de señales de bajo nivel mediante diferencial.
2.- Amplificador de Instrumentación (A.I.).
Hola
2.1.- A. I. basado en tres operacionales.
2.2.- Características de entrada de un A.I.
2.3.- Ejemplos de A.I. comerciales.
2.4.- A.I. monolíticos.
2.5.- Aplicaciones de los A.I.
2.6.- Caracterización de A.I’s.
Instrumentación Electrónica
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Página 3.1
AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIÓN
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Alcalá
NECESIDAD
1.- Amplificación de señales de bajo nivel mediante diferencial.
Departamento
Electrónica
Amplificar señales de muy bajo nivel en presencia de señales en modo
común (ruido) elevadas.
Se requieren circuitos con CMR !!!
Amplificador diferencial.
Amplificador de instrumentación.
Amplificador diferencial mejorado
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1.- Amplificación de señales de bajo nivel mediante diferencial.
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Alcalá
Vref
R
R1' # R1 $
R2
R
VD
R2
R1
R1
VO
VD
V2
R3
VD /2
+
VCM
R4
VO
+
+
+
-
VD /2
Si x%%%
R
R3
Se define:
VD # V2 "V1
VCM #
+
R4
R/2
R3' # R3 $
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R
2
R/2
V1
Rx
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Electrónica
V O # V CM
R
( R3' Depende de x)
2
R1' R 4 " R 2 R 3'
R ' R $ R R ' $ 2 R2 R4
$ VD 1 4 ' 2 ' 3
'
'
R1 ( R 3 $ R 4 )
2 R1 ( R 3 $ R 4 )
V1 $ V2
2
GCM
GD
VO # VCM GCM $ VD GD
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1.- Amplificación de señales de bajo nivel mediante diferencial.
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Electrónica
Para eliminar VCM interesa ! GCM = 0
Condición
R1' R 4 # R 2 R 3'
Dificultades
'
- R3 depende de x
- Tolerancia de los componentes
Por ello GCM ! 0, CMR ! 0 (CMRR ! ") & CMR #
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GD
1 R1' R4 $ R2 R3' $ 2 R2 R4
#
GCM 2
R1' R4 " R3' R2
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1.- Amplificación de señales de bajo nivel mediante diferencial.
Departamento
Electrónica
Si se cumpliera la condición R1' R4 # R2 R3'
VO #
R2
R
VD # 4' VD # K VD
R1'
R3
Inconvenientes
- Si se desea cambiar la ganancia se debe modificar el valor de dos
resistencias para que se siga cumpliendo la condición que garantiza
máximo CMRR.
- El CMRR está limitado, pues la condición es difícil de conseguir,
máxime teniendo en cuenta que R3' depende de x.
- A medida que aumenta o disminuye x, el CMRR empeora.
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2.- Amplificador de Instrumentación (A.I.).
E2
VD
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+
RG
EO = GD(E2-E1)=GVD
-
E1
- Ganancia diferencial en lazo cerrado estable y ajustable externamente mediante una
única resistencia (RG).
- CMRR muy elevado (valores típicos superiores a 100 dB).
- Impedancia de entrada elevada.
- Baja impedancia de salida.
- Tensión y corriente de offset bajas y con pocas derivas.
- Permite tensiones de entrada en modo común elevadas.
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2.1.- A.I. basado en tres operacionales.
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Alcalá
+
Departamento
Electrónica
R5
RS /2
R4
-
VD /2
R1
-
+
VO
VD
RG
+
VCM
R6
R2
VD /2
+
R7
+
+
RS /2
-
1ª Etapa
Amplificador de instrumentación
2ª Etapa (Diferencial)
Amplificador diferencial mejorado
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2.1.- A.I. basado en tres operacionales.
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Ganancia Diferencial
1ª Etapa
+
VA
RS /2
-
R1
+
VD
+
VCM
VD /2
RG
I#
V1 " V2
V
#" D
RG
RG
VB
RS /2
V2
VCM’ ! Tensión común a la entrada de la segunda etapa.
VB # " R2 I $ VCM
VD
2
V
$ D
2
VD’ ! Tensión diferencial a la entrada de la segunda etapa.
Tensión común debida a VD que
provoca error de ganancia.
'
V CM
#
V A $ VB
R " R1
# V CM $ 2
VD
2
2 RG
R1=R2
'
CM
V
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R1 $ R2 $ RG
RG
Ganancia Común
V A # R1 I $ VCM "
-
R1 $ R2 $ RG
VD
RG
GD (1ª Etapa ) #
I
R2
R1 $ R2 $ RG
(V1 "V2 )
RG
V D' #
VD’
+
+
VD' # "
VD' # VB " V A # " I ( R1 $ R2 $ RG )
V1
VD /2
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# VCM & GCM (1ª Etapa ) # 1
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2.1.- A.I. basado en tres operacionales.
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2ª Etapa
Ganancia Diferencial
Si se cumple ! R4 R7 # R5 R6
R5
VCM’
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R4
GD ( 2 ª Etapa ) #
VO
VD ‘
R6
R7 R5
#
R6 R4
VO |V ' #
D
R7 ' R5 '
VD #
VD
R6
R4
+
R7
Ganancia Común
Si se cumple ! R4 R7 # R5 R6
VCM’ ! Tensión común a la entrada de la segunda etapa.
VD’ ! Tensión diferencial a la entrada de la segunda etapa.
GCM ( 2 ª Etapa ) # 0
'
VO |V ' # GCM ( 2ª Etapa) VCM
#0
CM
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2.1.- A.I. basado en tres operacionales.
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CONCLUSIONES
" Si se cumple que R1=R2 y R4 R7=R5 R6
VO #
R7
R
R
R
( 2 1 $ 1) V D # 5 ( 2 1 $ 1) V D
R6
RG
R4
RG
# La ganancia al modo común de la primera etapa es la unidad, siendo sus funciones:
- Amplificar la tensión diferencial.
- Proporcionar un ajuste cómodo de la ganancia mediante la resistencia RG
- Presentar una elevada impedancia de entrada.
$ El CMR total depende del que presente la 2ª etapa, en definitiva de que se cumpla la
condición R4 R7=R5 R6, y de la ganancia diferencial de la 1ª etapa:
CMR |AI #
G D ( Total )
G D (1ª Etapa ) G D ( 2 ª Etapa )
#
GCM ( Total ) GCM (1ª Etapa ) GCM ( 2 ª Etapa )
1
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CMR | AI # GD (1ª Etapa ) CMR |2 ª Etapa # (1 $
2 R1
)CMR |2 ª Etapa
RG
CMR|2ªEtapa
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2.2.- Características de entrada.
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Departamento
Electrónica
Se parte del siguiente modelo:
Rs1
+
VD /2
+
+
Zicm
Zid
RG
ea
VD /2
VCM
eb
ea # G D V D
ZO
eb # GCM VCM
Zicm
Rs2
" Impedancias de entrada.
# No linealidad.
$ Rechazo al modo común (CMR).
% Tensión de offset y su deriva .
& Corrientes de offset y polarización y sus derivas.
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2.2.- Características de entrada.
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Electrónica
" Impedancias de entrada.
- Impedancia de entrada diferencial ( Zid ) !
- Impedancia entre las dos entradas.
- Depende de RG y por tanto de la ganancia diferencial.
Produce un error de ganancia debido a la resistencia de salida de la fuente.
RS
VO # VI GD
VD
V1
G " Greal
Error ganancia( eG ) # ideal
Gideal
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Zid
VO
VI #
GD " GD
eG #
VD
Z id
RS $ Z id
Z id
RS $ Z id
GD
#1"
VO #
Z id
RS $ Z id
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VD
Z id GD
RS $ Z id
Si Zid >> RS
eG '
RS
Z id
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2.2.- Características de entrada.
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Electrónica
" Impedancias de entrada (cont.).
- Impedancia de entrada común ( Zicm ) ! Impedancia entre cada entrada y masa.
• Si no es igual en las dos entradas se produce una tensión diferencial debida a VCM que
se suma a la que se desea amplificar.
VD' # V1' " V2'
• Se produce error de ganancia.
VD
Z1cm
$ VCM )
2
R1 $ Z 2 cm
Z 2 cm
V
V2' # ( " D $ VCM )
R2 $ Z 2 cm
2
V1' # (
Rs1
V1’
+
Z1cm
VD /2
+
+
VCM
VD
VD' #
VD’
VD /2
Z2cm
Rs2
Z1cm
Z 2 cm
Z1cm
Z 2 cm
VD
(
) $ Vcm (
)
$
"
R1 $ Z1cm R2 $ Z 2 cm
2 R1 $ Z1cm R2 $ Z 2 cm
Error de ganancia
V2’
Tensión diferencial
debida a VCM
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2.2.- Características de entrada.
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Departamento
Electrónica
# No linealidad.
- La linealidad de la función de transferencia se mide con respecto a la recta que mejor se adapta a
la función de transferencia del amplificador.
NL # (
VO
Salida real " Salida lineal
NL # (
emax
Ve
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max
FE a la salida
emax
FE |V
O
% FS
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2.2.- Características de entrada.
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Electrónica
$ Rechazo al modo común (CMR).
- Aumenta al aumentar GD, pero no lo hace en la misma proporción, tal y como indica la expresión
ideal obtenida, según la cual:
CMR | AI # GD (1ª Etapa ) CMR |2 ª Etapa # (1 $
2 R1
)CMR |2 ª Etapa
RG
- Los fabricantes suelen proporcionar el CMR para diferentes ganancias GD:
MIN
TYP
dB
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2.2.- Características de entrada.
Departamento
Electrónica
% Tensión de offset (VIO) y su deriva .
- Son parámetros a tener en cuenta a la hora de calcular la exactitud del circuito.
- Se debe considerar sobre todo las variaciones de la tensión de offset cuando cambian las
condiciones de entorno (temperatura, tiempo y alimentación).
- La tensión de offset es función de la ganancia, debido a la aportación del A.O del diferencial.
)V
)V/OC
)V/V
)V/mo
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2.2.- Características de entrada.
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Electrónica
& Corrientes de offset y polarización y sus derivas.
- Como la tensión de offset, son parámetros a tener en cuenta a la hora de calcular la exactitud del
circuito.
- Igualmente se debe considerar sobre todo sus variaciones cuando cambian las condiciones de
entorno (temperatura, tiempo y alimentación).
IB1
IB
IIO/2
IB
IB2
IIO ! Corriente de offset.
IB ! Corriente de polarización.
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2.3.- Ejemplos de A.I. comerciales.
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Se pueden encontrar con distintas características:
Texas/Burr-Brown
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2.3.- Ejemplos de A.I. comerciales.
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Electrónica
Analog Devices
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2.3.- Ejemplos de A.I. comerciales.
Departamento
Electrónica
Ejemplo ! INA101 de Texas/Burr-Brown
GD # 1 $
40 K
RG
- Ajuste de resistencias mediante
técnicas laser.
- Ajuste de CMR mediante terminal 7
(common).
- Permite ajuste de offset.
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2.3.- Ejemplos de A.I. comerciales.
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Electrónica
Ejemplo ! INA125 de Texas/Burr-Brown
Amplificador de instrumentación con referencias de
tensión integradas.
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2.3.- Ejemplos de A.I. comerciales.
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Electrónica
Amplificadores de instrumentación de ganancia programable.
Ejemplo ! INA204/205 de Texas/Burr-Brown
- Incorporan una red de resistencias
seleccionables digitalmente para hacer
las veces de RG.
- Aplicación: Sistemas de adquisición
de datos.
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2.4.- A.I. monolíticos.
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- Técnicas de fabricación más baratas que en el caso de los híbridos.
- Conceptualmente son diferentes a los A.I. clásicos formados por dos ó tres A.O.
- Especialmente diseñados para aplicaciones en las que existen tensiones en modo común elevadas:
Control de motores, monitorización de baterías, automoción, etc.
- Ejemplo ! AD8202 de Analog Devices.
Ganancia 20 (Ajustable)
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2.4.- A.I. monolíticos.
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Departamento
Electrónica
Ventajas:
' En algunos casos (AD521) el CMR es independiente del buen apareamiento de
resistencias.
Depende del apareamiento de transistores, problema más fácil de resolver en el
proceso de fabricación de los circuitos integrados.
' Están formados por menos componentes por lo que su área y su coste son inferiores.
' Las derivas con el tiempo y la temperatura de las tensión de offset y de las
corrientes de offset y polarización son, en algunos casos, incluso mejores que en el
caso de los híbridos.
Inconveniente:
( Son menos líneales que los híbridos.
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2.5.- Aplicaciones de los A.I.
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Electrónica
- En general en aplicaciones donde sea necesario amplificar con precisión señales de muy
bajo nivel en presencia de ruido:
• Puentes con galgas (células de carga).
• Redes de termistores.
• Termopares.
• Sensores biológicos.
- Aplicaciones de adquisición de datos !
Interesa situar el A.I. lo más cerca del
sensor para mejorar la relación S/N.
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2.5.- Aplicaciones de los A.I.
Departamento
Electrónica
Acondicionamiento de puentes
Acondicionamiento RTD’s
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2.5.- Aplicaciones de los A.I.
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Electrónica
Acondicionamiento de sensores en bioingiería
Acondicionamiento de termopares
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2.5.- Aplicaciones de los A.I.
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Electrónica
Circuito de acondicionamiento
con apantallamiento frente a
ruido
Circuito conversor V/I-I/V
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2.6.- Caracterización de A.I’s.
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Electrónica
- Por otra parte, para cada aplicación se conoce el error máximo permitido.
- Se trata de localizar el componente más económico y que cumpla las restricciones de exactitud
exigidas.
- La evaluación de un componente a partir de su información técnica (hojas de características), es lo
que se denomina Caracterización del dispositivo.
- En el caso que nos ocupa, la caracterización de los A.I’s va a consistir en el cálculo de la No
Exactitud (NE) que introducen en el sistema de medida.
- La NE viene dada por la siguiente expresión:
NE=NL + errores offset + errores ganancia
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2.6.- Caracterización de A.I’s.
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Electrónica
- NE ! Indica lo que se aparta nuestra medida de su valor ideal, sin considerar el efecto de ruido.
- Calculo de la NE:
VO
Función transferencia real
x
NE
Recta linealidad
NL
x
Error de offset y ganancia.
Recta ideal
x
&
NE = NL + errores offset + errores ganancia
- Siendo NL ! No linealidad
- Errores de offset ! Fijos + Variables
- Errores de ganancia ! Fijos + Variables
Ve
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2.6.- Caracterización de A.I’s.
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Electrónica
NO LINEALIDAD (NL).
- Indica la capacidad del A.I. para que las parejas de valores entrada-salida se sitúen sobre una línea
recta, y viene dada por la expresión:
NL # (
emax
FE |V
O
- Como se ha comentado anteriormente, en el caso de los A.I’s es un parámetro que depende de su
ganancia:
% FS
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2.6.- Caracterización de A.I’s.
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Electrónica
NO LINEALIDAD (NL) (cont.).
- En algunas ocasiones expresan la NL a través del número equivalente de bits de un ADC (n):
Se corresponde con el número de bits que debe tener un ADC para que la altura de su
escalón (q) sea el doble que el máximo error de NL.
q#
FS
NL #
FS
n # log 2 (
FS
) "1
NL
2 n $1
Lo que se hace es que el error de cuantificación del conversor sea igual al error de NL:
2
n
VO
(
q
LSB ! Error de cuantificación
2
Verror (max) ! Tensión de error de NL
Verror(max)
q
2
Verror (max) = (
q
2
q # 2 Verror (max)
Ve
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AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIÓN
2.6.- Caracterización de A.I’s.
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Electrónica
ERRORES DE GANANCIA.
Se producen por varios motivos:
- Tolerancia de la resistencia RG.
Fijos
- Error en la expresión del fabricante. Motivado por desigualdades
entre las resistencias R1 y R2.
- Error debido a las impedancias de entrada diferencial y
asimétrica.
- Coeficiente de temperatura de la ganancia.
Variables
- Coeficiente de temperatura de RG.
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Página 3.33
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2.6.- Caracterización de A.I’s.
Universidad
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Departamento
Electrónica
ERRORES DE OFFSET.
Vienen motivados por:
Fijos
- Tensión (VIO )y corriente de offset (IIO) del propio A.I.
- Rechazo al modo común (CMR). El CMR no es infinito debido a las
desigualdades de las resistencias de la etapa diferencial.
Variables
- Coeficiente de temperatura de VIO e IIO.
- Variaciones temporales de VIO e IIO.
- Rechazo a la fuente de alimentación (PSR).
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Página 3.34
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2.6.- Caracterización de A.I’s.
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Electrónica
CONSIDERACIONES SOBRE ERRORES DE GANANCIA Y OFFSET.
- Los errores de ganancia y offset fijos no son problemáticos ya que siempre se pueden ajustar en
unas condiciones determinadas y conocidas.
- Los errores que pueden suponer problemas son los variables ya que dependen de las condiciones
de entorno y del valor de diferentes variables en momentos determinados.
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Página 3.35