4.1. Requisitos del amplificador de instrumentación.
El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial tensión-tensión cuya ganancia puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a si propia especificación aun en un entorno hostil. Es un elemento esencial de los sistemas de medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que ofrece características funcionales propias e independientes de los restantes elementos con los que interacciona. Para ello, se le requiere:
a) Tengan unas características funcionales que sean precisas y estables.
b) Sus características no se modifiquen cuando se ensambla con otros elementos.
 |
| Figura 4.1 |
- Son amplificadores diferenciales con una ganancia diferencial precisa y estable, generalmente en el rango de 1 a 1000
- Su ganancia diferencial se controla mediante un único elemento analógicos (potenciometro resistivo) o digital (conmutadores) lo que facilita su ajuste.
- Su ganancia en modo común debe ser muy baja respecto de la ganancia diferencial, esto es, debe ofrecer un CMRR muy alto en todo el rango de frecuencia en que opera.
- Una impedancia muy alta para que su ganancia no se vea afectada por la impedancia de la fuente de entrada.
- Una impedancia de salida muy baja para que su ganancia no se vea afectada por la carga que se conecte a su salida
- Bajo nivel de las tensión de offset del amplificador y baja deriva en el tiempo y con la temperatura, a fin de poder trabajar con señales de continua muy pequeñas.
- Una anchura de banda ajustada a la que se necesita en el diseño.
- Un factor de ruido muy próximo a la unidad, esto es, que no incrementa el ruido.
- Una razón de rechazo al rizado a la fuente de alimentación muy alto.
El amplificador diferencial básico construido con un único amplificador operacional, satisface algunas de las características del amplificador operacional, satisface algunas de las características del amplificador de instrumentación pero no todas. No obstante, como es la base de los amplificadores de instrumentación es interesante analizar algunas de sus características.
 |
| Figura 4.2 |
Para que el amplificador se comporte como amplificador diferencial debe verificarse:
El amplificador diferencial básico es un amplificador de instrumentación de muy bajas prestaciones, porque:
a) Requiere modificar dos componentes para modificar su ganancia diferencial manteniendo la ganancia en modo común nula.
b) Es muy difícil conseguir CMRR muy alto. El CMRRtotal del circuito se degrada por dos causas:
-El amplificador operacional tiene un CMRRao finito.
-Las resistencias difícilmente se pueden ajustar para que exactamente satisfagan la relación R1R4=R2R3, y en consecuencia se genera un CMRRr
CMRRr=Ad/Ac =(1/2)[(R1R4+R2R3+2R2R4)/(R1R4-R2R3)]
resultando como combinación de ambos,
1/CMRRtotal =(1/CMRRao)+(1/CMRRr)
c) La impedancia de entrada es muy baja
Zid=R1+R3
Esta característica podría mejorarse poniendo sendos amplificadores en configuración seguidor en la entrada.
d) La anchura de banda es baja si la ganancia diferencial es alta BW= fT/(Ad+1)
4.2 Configuración básica de amplificadores de instrumentación
La configuración mas utilizada como amplificador de instrumentación esta constituido par tres amplificadores operacionales utilizados de acuerdo con el esquema de la figura 4.3.
 |
| Figura 4.3 |
El análisis de este circuito es mas instructivo si se analiza considerando propiedades de simetría.
a) Cuando es excitado con una entrada en modo diferencial -v1=v2=vd/2, el punto medio de la resistencia RG permanece a 0 V (por simetría).
 |
| Figura 4.4 |
 |
| Figura 4.5 |
El CMRR de este amplificador de instrumentación depende de los dos factores:
a)Las resistencias no satisfacen exactamente la relación entre resistencias R2R'3=R3R'2. El CMRR debido a las resistencias es:
CMRRr=(1+(R1/Rg)+(R'1/Rg))(1/2)((R2R'3+R'2R3+2R3R'3)/(R2R'3-R3R'2))
b)Los amplificadores operacionales tienen CMRR finito.
El CMRR total del amplificador de instrumentación debido a ambas causas integradas es
A la vista de esta expresión se observa que los dos primeros términos se cancelan si se utilizan amplificadores operacionales duales integrados (CMRR1=CMRR2) y CMRRtotal aumenta.
Dado que las resistencias no se pueden fabricar con una precisión excesiva, para conseguir que el ultimo termino no degrade el CMRR, se suele hacer la resistencia R'3, y experimentalmente se ajusta su valor de forma que se minimice la ganancia en modo común y con ello se haga maximiza el CMRR
 |
| Figura 4.6 |
La anchura de banda de la ganancia de un amplificador de instrumentación depende de la anchura de banda de cada una de sus etapas. Estas son
La anchura de banda del amplificador de instrumentación compuesto se puede calcular, de forma aproximada, aplicando la formula composición de la anchura de banda en etapas de cascada,
En la figura 4.7 se muestra el símbolo que suele utilizarse para representar este tipo de amplificador de instrumentación.
 |
| Figura 4.7 |
Observe que el símbolo representa que la resistencia Rg es extrema al amplificador y es el elemento con el que el diseñador fija la ganancia diferencial del amplificador.
El terminal Output_Reference y Output_Sense permiten introducir dos resistencias (una de ellas ajustable) para maximizar el CMRR en el caso que se requiera. Así mismo, estos terminales pueden utilizarse para compensar los errores que podrían introducir los cables hasta la carga cuando estos son largos.
 |
| Figura 4.8 |
Así mismo, la presencia de los terminales de salida introduce la capacidad de incluir etapas de salida especiales dentro del bucle de realimentacion, y con ello desensibilizar la características del amplificador del comportamiento de la etapa de salida.
Es posible controlar la ganancia de un amplificador de instrumentación mediante una red de resistencias cuya topologia se puede seleccionar digitalmente. Este tipo de amplificador se denomina Amplificador de ganancia Programable. La red de resistencias tiene una topologia "ladder" simétrica y accionando los conmutadores completamente se puede controlar la ganancia del amplificador
 |
| Un ejemplo de este tipo de amplificador es el modelo 3606 de Burr-Brown. |
4.3 Especificación de un amplificador de instrumentación.
Los amplificadores de instrumentación han sido desarrollado para ser utilizados en sistemas de instrumentación en los que las características de operación son criticas. Las características de los amplificadores de instrumentación pueden optimizarse si se diseñan como circuitos integrados, ya que en este caso, el fabricante puede garantizar el diseño de los elementos críticos haciendo que tengan valores precisos y que las relaciones entre las características de elementos emparejados tengan razones muy exactas, justo tal como se requiere en su diseño.
La precisión y estabilidad de los amplificadores de instrumentación se realiza a costa de limitar su flexibilidad. Son amplificadores que han sido diseñados para ser utilizados únicamente como amplificadores, pero a cambio de ello, proporcionan una características excepcionalmente buenas, y ademas pueden utilizarse sin necesidad de conocer con detalle su diseño interno y con solo interpretar su especificación externa.
4.4 Aplicaciones de los amplificadores de instrumentación.
Cuando se diseña un amplificador de instrumentación de precisión se requieren guardar ciertas precauciones para conseguir que sus características no se vean afectadas por elementos externos. En la figura 4.10 se muestra una configuración típica que se propone el fabricante.
 |
| Figura 4.10 |
Aunque el amplificador de instrumentación presenta una baja dependencia de las fuentes de alimentación (0.2uV/ % para una ganancia G=1000), este factor de rechazo se degrada cuando se incrementa la frecuencia. Para evitar el ruido de alta frecuencia en la fuente de alimentación se colocan los condensadores de 0.1uF.
Los hilos largos en los puntos de entrada son fuente de interferencias, por ello, tanto los hilos hacia el puente de transductores, como de la conexión de la resistencia que fija la ganancia deben estar apantalladas con tierra.
A través de los terminales 4 y 6 y utilizando un potenciometro de 10 K se puede introducir elementos para eliminar el modo común.
En la figura 4.11 se proponen tres formas alternativas de acoplar la señal al amplificador:
-Acoplo mediante transformador, que garantiza el aislamiento eléctrico entre la fuente y el sistema de medida.
-Acoplo mediante un elemento pasivo que no requiere alimentación como es el caso de un termopar.
-Acoplo capacitivo que garantiza el bloqueo de las señales de continua y la única transferencia de la señal.
 |
| Figura 4.11 |
En los tres casos se han introducido los elementos adecuados para que la fuente no opere en modo flotante.
No hay comentarios:
Publicar un comentario