Una implementación especial de un amplificador operacional es un amplificador de instrumentación, que es un tipo de amplificador diferencial con un amplificador de búfer de entrada. En este tutorial, aprenderá los fundamentos y las aplicaciones de algunos amplificadores de instrumentación importantes, así como los circuitos y el funcionamiento de tres amplificadores de instrumentación de amplificador operacional.
Siga leyendo para obtener más información sobre los conceptos básicos de los amplificadores operacionales. “Fundamentos de los amplificadores operacionales” Para conocer los conceptos básicos de los amplificadores diferenciales, consulte: “Amplificador diferencial“.
Tabla de contenido
Introducción
Muchas aplicaciones industriales y de consumo requieren la medición y el control de las condiciones físicas. Por ejemplo, medir la temperatura y la humedad en la fábrica para mantener con precisión la calidad del producto, o controlar con precisión la temperatura del horno de plástico para producir ciertos grados de plástico.
Estos cambios en las condiciones físicas deben convertirse en magnitudes eléctricas y amplificarse mediante transductores. Estos amplificadores se utilizan para amplificar señales y medir magnitudes físicas y se conocen comúnmente como amplificadores de instrumentación.
La entrada al amplificador de instrumentación es la señal de salida del transductor. Un transductor es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. La mayor parte de la salida del transductor es una señal de muy bajo nivel.
Por lo tanto, antes de la siguiente etapa, es necesario amplificar el nivel de la señal, eliminar el ruido y las interferencias. Los amplificadores típicos de un solo extremo no son adecuados para este tipo de operación. Para eliminar el ruido, el amplificador debe tener una alta relación de rechazo de modo común.
Los amplificadores de instrumentación son amplificadores especiales que se utilizan para la amplificación de bajo nivel de alto CMRR y alta impedancia de entrada.
Este amplificador de instrumentación está diseñado para la amplificación de señal de bajo nivel de precisión donde se requiere una alta resistencia de entrada, bajo nivel de ruido y ganancia de bucle cerrado de precisión. Además, el bajo consumo de energía, la alta velocidad de respuesta y la alta relación de rechazo de modo común son deseables para un buen rendimiento.
Requisitos para un buen amplificador de instrumentación
Los amplificadores de instrumentación se utilizan normalmente para amplificar señales de bajo nivel y eliminar el ruido y las señales de interferencia. Por lo tanto, un buen amplificador de instrumentación debe cumplir con las siguientes especificaciones:
Ganancia finita, precisa y estable: Debido a que los amplificadores de instrumentación necesitan amplificar señales de muy bajo nivel de dispositivos transductores, la alta ganancia y la ganancia finita son requisitos fundamentales. Además, la ganancia debe ser precisa y la ganancia de bucle cerrado debe ser estable.
Ajuste de ganancia más fácil: Aparte de una ganancia finita y estable, también es necesaria una variación en el coeficiente de ganancia en un rango dado de valores. El ajuste de ganancia debería ser más fácil y preciso.
Alta impedancia de entrada: Para evitar cargar la fuente de entrada, la impedancia de entrada del amplificador de instrumentación debe ser muy alta (idealmente infinita).
Baja impedancia de salida: La impedancia de salida de un buen amplificador de instrumentación debe ser muy baja (idealmente cero) para evitar el efecto de la carga en la siguiente etapa.
CMRR alto: La salida del transductor suele incluir una señal de modo común que se transmite a través de un cable largo. Un buen amplificador de instrumentación debe amplificar solo las entradas diferenciales y rechazar por completo las entradas de modo común. Por lo tanto, lo ideal es que el CMRR de un amplificador de instrumentación sea infinito.
Alta velocidad de respuesta: La velocidad de respuesta del amplificador de instrumentación debe ser lo más alta posible para maximizar la oscilación del voltaje de salida sin distorsión.
Tres amplificadores operacionales Amplificadores de instrumentación
El amplificador de instrumentación más utilizado consta de tres amplificadores operacionales. En este circuito, se conecta un amplificador no inversor a cada entrada del amplificador diferencial.
Este amplificador de instrumentación proporciona una alta impedancia de entrada para medir con precisión los datos de entrada del transductor.
Los amplificadores operacionales 1 y 2 son amplificadores no inversores que juntos forman la etapa de entrada de un amplificador de instrumentación. El amplificador operacional 3 es un amplificador diferencial que forma la etapa de salida del amplificador de instrumentación.
Funcionamiento del amplificador de instrumentación
La etapa de salida de un amplificador de instrumentación es un amplificador de diferencia, y su salida es Vfuera es la diferencia en la amplificación de la señal de entrada aplicada al terminal de entrada. Las salidas de los amplificadores operacionales 1 y 2 son VO1 y VO2 Para cada salida de amplificador diferencial, la salida viene dada por:
Vfuera = (R3/R2)(VO1-VO2)
Las ecuaciones para Vo1 y Vo2 se expresan en términos de voltaje y resistencia de entrada. Considere la etapa de entrada de un amplificador de instrumentación, como se muestra en la figura siguiente.
El potencial del nodo A es el voltaje de entrada V1Por lo tanto, el potencial del nodo B también es V1, del concepto abreviado de virtual. Por lo tanto, el potencial en el nodo G también es V1.
El potencial del nodo D es el voltaje de entrada V2Por lo tanto, el potencial en el nodo C también es V2, de Virtual Shorts. Por lo tanto, el potencial en el nodo H también es V2.
Idealmente, la corriente al amplificador operacional en la etapa de entrada es cero. Por lo tanto, la corriente Yo A través de la resistencia R1、Rganar y R1 no cambia.
Si aplicamos la ley de Ohm entre los nodos E y F, obtenemos:
I = (VO1-VO2)/(R1+Rganar+R1) ——————— 1
I = (VO1-VO2)/(2R1+Rganar)
Dado que no hay corriente que fluya a través de las entradas de los amplificadores operacionales 1 y 2, la corriente I entre los nodos G y H se da como:
I = (VG-VH)/Rganar = (V1-V2)/Rganar ————————- 2
La ecuación 1 y la ecuación 2 de ecualización dan como resultado
(VO1-VO2)/(2R1+Rganar) = (V1-V2)/Rganar
(VO1-VO2) = (2R1+Rganar)(V1-V2)/Rganar —————— 3
La salida del amplificador diferencial viene dada por:
Vfuera = (R3/R2) (VO1-VO2)
Por lo tanto, (VO1 – VO2) = (R2/R3)Vfuera
(VO1 – VO2), obtenemos:
(Conde2/R3)Vfuera = (2R1+Rganar)(V1-V2)/Rganar
es decir, Vfuera = (R3/R2){(2R1+Rganar)/Rganar}(V1-V2)
La ecuación anterior muestra el voltaje de salida del amplificador de instrumentación. La ganancia total del amplificador está determinada por el término (R3/R2){(2R1+Rganar)/Rganar}.
Nota:
- La ganancia de voltaje general del amplificador de instrumentación se puede controlar ajustando el valor de la resistencia Rganar.
- La atenuación de la señal de modo común del amplificador de instrumentación se realiza mediante el amplificador de diferencia.
Ventajas de los amplificadores operacionales y los amplificadores de instrumentación
- La ganancia de los tres circuitos amplificadores de instrumentación de amplificador operacional se puede variar y controlar fácilmente ajustando el valor de Rganar sin cambiar la estructura del circuito.
- La ganancia del amplificador depende únicamente de las resistencias externas utilizadas. Por lo tanto, es fácil establecer la ganancia con precisión seleccionando cuidadosamente el valor de la resistencia.
- La impedancia de entrada de un amplificador de instrumentación depende de los circuitos del amplificador no inversor en la etapa de entrada. La impedancia de entrada de un amplificador no inversor es muy alta.
- La impedancia de salida del amplificador de instrumentación es la impedancia de salida del amplificador diferencial, que es muy baja.
- El CMRR del amplificador operacional 3 es muy alto y se rechaza casi toda la señal de modo común.
Amplificador de instrumentación de puente de transductor
Un puente transductor resistivo es una red de resistencias cuya resistencia cambia debido a cambios en alguna condición física. Por ejemplo, la resistencia de un termistor cambia con la temperatura, y la resistencia de una resistencia dependiente de la luz cambia en respuesta a un cambio en la intensidad de la luz.
Al hacer que dicho puente forme parte del circuito, es posible generar una señal eléctrica que es proporcional al cambio en la cantidad física que se va a medir.
Estas señales eléctricas pueden amplificarse y utilizarse para supervisar y controlar los procesos físicos. El amplificador de instrumentación se puede configurar conectando un puente de transductor a uno de los terminales de entrada, como se muestra en la siguiente figura.
Deje que la resistencia del dispositivo transductor en el puente de resistencia sea RT Y el cambio en su resistencia es ΔR. La resistencia efectiva del dispositivo transductor es RT ± ΔR. El puente resistivo se alimenta con una tensión continua Vcorriente continua.
Cuando el puente está en equilibrio, es decir, bajo alguna condición de referencia para la magnitud física que se está midiendo, ocurre lo siguiente:
VSer =Vb
RSer(Vdc)/(RSer+RT) = RB(Vdc)/(RB+RC)
En estas condiciones, la entrada diferencial al amplificador de instrumentación viene dada por:
VDiferencial =Vb – VSer = 0
Por lo tanto, la salida del amplificador es cero. Como resultado, el dispositivo de visualización conectado a la salida muestra el valor de referencia de la magnitud física que se va a medir.
Las condiciones de referencia suelen ser seleccionadas por el diseñador y dependen de las características del dispositivo del transductor, el tipo de cantidad física que se mide y el tipo de aplicación.
Si hay un cambio en la magnitud física que se va a medir, el voltaje VSer ya no es igual a V.bEsto se debe a que la resistencia del dispositivo transductor cambia de RT A partir de (RT ±ΔR).
Esto crea una entrada diferencial para el amplificador de instrumentación y garantiza que el amplificador tenga una salida distinta de cero.
Resistencia RB y RC es constante, por lo que el voltaje VB Sigue siendo el mismo que antes.
Vb =RB(Vdc)/(RB+RC)
Pero el voltaje VSer El cambio debido al cambio en la resistencia del dispositivo transductor ahora se da de la siguiente manera:
Va = RSer(Vdc)/(RSer+RT+ ΔR)
Tensión diferencial VDiferencial son
VDiferencial =Vb – VSer
VDiferencial = {RB(Vdc)/(RB+RC)} – {RSer(Vdc)/(RSer+RT+ ΔR)}
Si elige que todas las resistencias del circuito tengan el mismo valor, es decir, RSer =RB =RC =RT =R
VDiferencial = {R(Vdc)/(2R)} – {R(Vdc)/(2R+ ΔR)}
VDiferencial = {RVdc[2R+ΔR] – R.Vdc.2R}/ 2R(2R + ΔR)
VDiferencial = R. VDC[2R+ΔR-2R]/{2R(2R+ΔR)}
VDiferencial = ΔR(Vdc)/{2(2R+ΔR)}
Si el valor de V esDiferencial Si es positivo, entonces Vb Mayor que VSer.
La salida del amplificador de instrumentación se da de la siguiente manera:
VO = (R3/R2)Vd
Vo = (R3/R2) [ΔR(Vdc)/{2(2R+ΔR)}]
Como un cambio en el valor de resistencia ΔR<<2R,Vo Puedes escribir algo como esto:
Vo = (R3/R2)[ΔR/4R](VDC)
A partir de la ecuación anterior, se puede ver que la salida depende del cambio de la resistencia ΔR. La pantalla se puede calibrar en unidades de magnitudes físicas medidas.
Aplicaciones de los amplificadores de instrumentación
Los amplificadores de instrumentación, junto con los puentes de transductores, se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones. Estas aplicaciones se conocen comúnmente como sistemas de adquisición de datos.
En la etapa de entrada, hay un dispositivo transductor que convierte los cambios en las magnitudes físicas en señales eléctricas.
La señal eléctrica se alimenta al amplificador de instrumentación. La señal amplificada se introduce en el dispositivo de visualización y se calibra para detectar cambios en la cantidad que se está midiendo.
Regulador de temperatura
Como se muestra en la figura anterior, se puede usar un termistor como dispositivo transductor para un puente resistivo para construir un sistema controlador de temperatura simple.
El puente resistivo está equilibrado contra una determinada temperatura de referencia. Cuando esta temperatura de referencia cambia, el amplificador de instrumentación genera un voltaje de salida que impulsa el relé para encender y apagar la unidad de calefacción, controlando así la temperatura.
Indicador de temperatura
El circuito que se muestra para el controlador de temperatura también se puede utilizar como indicador de temperatura. Los puentes resistivos son Vo = 0V.
El indicador de temperatura se calibra a la temperatura de referencia correspondiente a esta condición de referencia.
A medida que cambia la temperatura, también lo hace la salida del amplificador. La ganancia del amplificador se puede ajustar adecuadamente para indicar el rango de temperatura deseado.
Medidor de luz
El mismo circuito se puede utilizar para detectar cambios en la intensidad de la luz reemplazando el termistor con una resistencia dependiente de la luz (LDR). El puente se encuentra en un estado equilibrado en la oscuridad.
Cuando la luz incide en el LDR, su resistencia cambia, lo que hace que el puente se desequilibre. Esto hace que el amplificador produzca una salida finita, que impulsa el medidor.
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