Espero que estés disfrutando de este pequeño tutorial de amplificadores operacionales (AO), en esta ocasión veremos la configuración Amplificador Instrumentación, como siempre veremos:

• Definición.
• Características.
• Principio de funcionamiento.
• Diagrama general de conexión.
• Cálculos y fórmulas.
• Ejemplo práctico.
• Aplicaciones y usos.
• Si no has tenido oportunidad de ver ningún otro post de este pequeño curso, aquí te dejo el capítulo anterior, Amplificador restador.

Espero que te sea de gran ayuda este artículo y si crees conveniente, me ayudarías mucho compartiendo en tus redes para llegar a más colegas.

¿Qué es un amplificador de instrumentación?

El amplificador de instrumentación es un dispositivo electrónico que está constituido por AO en modo de amplificador diferencial de ganancia controlada (restador, de ahí la importancia de haberlo analizado primero).

Este arreglo está diseñado para tener una impedancia elevada y un alto rechazo al modo común (factor de rechazo). En esencia, la operación que realiza es la resta de dos entradas multiplicado por un factor.

La ventaja de este amplificador es de su alta impedancia de entrada y el control simplificado de la ganancia.

¿Cómo funciona el amplificador de instrumentación?

Su principio de funcionamiento se basa en el AO diferencial, ya que la operación que este amplificador realiza es la resta de las señales de las dos entradas, las cuales multiplica por un factor.

Lo anterior nos permite amplificar señales de muy baja potencia. Además, resuelve los problemas de impedancia de entrada del circuito diferencial (la impedancia s vuelve infinita).

El AO de instrumentación funciona por medio de dos etapas:

• La primera etapa es la pre-amplificación.
• Y la segunda es la etapa diferencial.

Etapas de amplificación del amplificador de instrumentación

➤ Primera etapa del amplificador de instrumentación

• En esta etapa empezamos a definir el inicio de nuestro arreglo, ya que buscamos incrementar la impedancia de entrada.
• Para ello, requerimos dos seguidores de voltaje, los cuales se conectan a los voltajes de entrada, mientras que su salida se conecta a una carga.
• En este caso, se realiza el ajuste de incremento de impedancia con un seguidor no inversor en cada entrada.
• En esta primera etapa, el voltaje a la salida es diferencial en función de V_o=V₂ - V₁.

• Ahora lo que necesitamos es controlar la etapa de ganancia, lo cual lograremos cuando coloquemos 3 resistencias.
• Algo que destaca en esta parte es el voltaje: el voltaje de las entradas inversoras tiene el mismo valor de voltaje que en las entradas no inversora. El voltaje de salida sigue siendo diferencial; sin embargo, se le agrega un valor de ganancia.

➤ Segunda etapa del amplificador de instrumentación

• En esta segunda etapa lo único que se requiere es pasar de un voltaje flotante establecido en la primera etapa, a un voltaje con referencia a tierra o GND. Para realizar esta acción solo se requiere un amplificador diferencial, con lo que logramos tener un amplificador de instrumentación completo.

• Como puedes observar, este tipo de amplificador, es más bien un circuito compuesto de más de una configuración, te recomiendo que revises cada configuración por separado para comprender al cien por ciento este post.

Características del amplificador de instrumentación

Sus características principales son las siguientes:

• Baja impedancia de salida.
• Amplificación diferencial.
• Alta impedancia de entrada.
• La ganancia puede ser modificada.
• Un factor de ruido muy próximo a la unidad.
• Nivel alto en la razón de rechazo al rizado a la fuente de alimentación.
• Se puede construir con encapsulados.
• La impedancia, en casos ideales, tiende a ser infinita.
• Consiste de 3 amplificadores operacionales.

Método general de análisis del amplificador de instrumentación

Ahora que ya vimos las etapas y sus principales características toca revisar el método general por el cual podemos resolver este circuito, espero explicarlo lo mejor posible.

Diagrama general de conexión del amplificador de instrumentación

Para poder explicarte el análisis matemático, debes saber que los voltajes de entrada en un amplificador operacional se igualan; por consecuencia, en el amplificador de instrumentación, el voltaje que existe en la entrada inversora es el mismo que en la entrada no inversora.

• Lo anterior nos permite calcular la corriente que pasa por la resistencia de ganancia (R_G) con la diferencia de estos voltajes sobre el valor de esa resistencia.

• Esta misma corriente es la que circulará por las resistencias R₁, gracias al alto nivel de impedancia de entrada del amplificador operacional.
• El voltaje que cae a través de esta rama intermedia de R₁ y R_G, se expresa de la siguiente manera:

• Es todo un lío ¿no? No te preocupes, que esto tiene una simplificación que te presentaré a continuación:

• Esta expresión define la diferencia de tensión entre la salida inmediata de la primera etapa de amplificadores operacionales, ya que el resto del circuito (segunda etapa) es un restador de ganancia.
• Entonces, en la etapa donde R₂=R₃, la salida será la diferencia de tensión de su entrada sin ganancia, lo que significa que se expresa de la misma manera que la caída de tensión entre las resistencias R₁ y R_G.

• Esta simplificación aplica cuando tenemos que R₂ = R₃.
• Cuando nos encontramos en el caso donde las resistencias son iguales, a excepción de R_G, podemos simplificar la expresión sabiendo que R_G es la resistencia encargada de realizar la ganancia (a). La expresión es la siguiente:

• Finalmente, la expresión para calcular el voltaje de salida en estos casos, queda de la siguiente forma:

• Te preguntarás: ¿Qué pasa cuando no es así? Simplemente agregamos otros términos a la expresión.

Dentro del análisis general, existen requisitos que se deben cumplir para tener un amplificador de instrumentación eficiente:

• La ganancia debe ser seleccionable, estable y lineal.
• La entrada diferencial debe ser tipo CMRR alto (rechazo de modo común).

Impedancia de entrada (Z_n) en un nivel alto.

Z_n = R₂

Factor de rechazo al modo común (CMRR)

Cuando tenemos una igualdad del voltaje inversor y no inversor (V₁ = V₂) en la configuración de amplificadores operacionales de instrumentación, existe una señal de salida mínima, la cual debería ser cero, si hablamos de términos ideales.

El CMRR es una medida de rechazo proporcionada por la configuración a la entrada de voltaje común. El CMRR se mide en decibeles (db) y se expresa mediante la siguiente ecuación:

Donde:

• A_d es la ganancia diferencial:

• A_s es la ganancia en modo común:

Ejercicio: diseñar un amplificador de instrumentación

En este ejemplo de aplicación el objetivo es determinar el voltaje de salida de un amplificador de instrumentación que tiene una resistencia de ganancia (R_G) de 18kΩ con resistencias (R_X) de 3.9kΩ. Todo el arreglo conectado a 3.3v (V1) y 5v (V2). 

• Lo primero que debemos calcular, es la ganancia de voltaje del circuito. Para ello, necesitamos la siguiente expresión.

• Sustituimos el valor de las resistencias.

a = 18 kΩ / 3.9 kΩ

a = 4.61

• Calculamos la ganancia de voltaje como la relación de salida respecto a la entrada:

• Finalmente, calculamos el voltaje de salida y diseñamos el diagrama.

Nuestro voltaje de salida del amplificador de instrumentación es de 2.43v

➤ Diagrama solución del ejemplo

Aplicaciones del amplificador de instrumentación

Usualmente, los amplificadores de instrumentación se utilizan en muchas situaciones en el mundo de la electrónica y la electricidad, algunos ejemplos son:

• Son parte esencial de las fuentes de alimentación.
• Tiene una gran aplicación en los electrocardiogramas, ya que permite amplificar señales eléctricas biológicas.
• En los puentes de Wheatsstone se utiliza para acondicionar la salida de estos sistemas.
• En circuitos eléctricos ayuda a proporcionar alimentación a corriente constante.

Vídeo del amplificador de instrumentación

Excelente, has concluido un post más de este pequeño curso de AO, espero te haya sido de mucha ayuda y hayas despejado las dudas. No olvides en compartir para ayudar a más colegas, nos vemos en el próximo post.