Amplificador de Instrumentación, etapas y funcionamiento

Amplificador de Instrumentación, etapas y funcionamiento
Juan Carlos G2020-06-25

Espero que estés disfrutando de este pequeño tutorial de amplificadores operacionales (AO), en esta ocasión veremos la configuración Amplificador Instrumentación, como siempre veremos ¿Qué es? Y analizaremos dicha configuración.

  • 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.

 

 

Como es costumbre tratare de abarcar:

  • Definición.
  • Características.
  • Principio de funcionamiento.
  • Diagrama general de conexión.
  • Cálculos y formulas.
  • Ejemplo práctico.
  • Aplicaciones y usos.

 

¿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 dedos 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

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 Vo=V2 - V1.

Primera etapa de amplificación del amplificador de instrumentación

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.

Primera etapa de amplificación y ganancia del amp op de instrumentación

 

Segunda etapa

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.

Etapas de un amplificador de instrumentación

 

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

Diagrama general de conexiones 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 (RG) con la diferencia de estos voltajes sobre el valor de esa resistencia.

Formula de corriente IG del amplificador de instrumentación

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 RG, se expresa de la siguiente manera:

Formula del voltaje de rama en el amp op instrumentación

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

Simplificación del voltaje de rama amp op de instrumentación

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 RG.

Formula del voltaje de salida del amplificador de instrumentación

Esta simplificación aplica cuando tenemos que R2 = R3.

Cuando nos encontramos en el caso donde las resistencias son iguales, a excepción de RG, podemos simplificar la expresión sabiendo que RG es la resistencia encargada de realizar la ganancia (a). La expresión es la siguiente:

Formula cuando las resistencias son iguales en el amp op de instrumentación

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

Formula voltaje de salida cuando las resistencias son iguales

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

Formula de voltaje de salida completa del amplificador de instrumentación

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 (Zn) en un nivel alto.

Zn = 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:

Formula CMRR del amplificador de instrumentación

Donde:

  • Ad es la ganancia diferencial:

Formula de la ganancia diferencial Ad en un amplificador de instrumentación

  • As es la ganancia en modo común:

Formula de ganancia en modo común del amp op de instrumentación

 

Ejercicio: 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 (RG) de 18kΩ con resistencias (RX) 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.

Formula de ganancia del circuito

  • 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:

Calculo de la ganancia de voltaje amp op de instrumentación

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

Calculo del voltaje de salida del amplificador de instrumentación

 

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

Diagrama solución

Diagrama solución amp op de instrumentación

 

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.

 

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 mas colegas, nos vemos en el próximo post.

 


Juan Carlos G

Desarrollador de sistemas de rastreo satelital

Hola, sean bienvenidos todos a Amplificadores.info, he creado este blog donde intentare enseñar todo lo que se sobre la amplificación de señales, lo hare tal y como lo aprendí mientras estudiaba Ingeniería eléctrica electrónica en la UNAM. Espero les guste, ya que, mi objetivo es aportar mi granito de arena en las nuevas generaciones.

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