AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN OSCAR JAVIER SALCEDO SANDOVAL ojsalcedos@libertadores.edu.co

MARCO TEORICOAmplificador instrumentacin

Figura 1 amplificador instrumentalEl amplificador de instrumentacin es un amplificador diferencial, cuya ganancia puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a sus propias especificaciones an en un entorno hostil. Es un elemento esencial de los sistemas de medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que ofrece caractersticas funcionales propias e independientes de los restantes elementos con los que interacciona.Estos circuitos amplifican la diferencia entre dos seales de entrada y rechazan cualquier seal que sea comn a ambas seales. Estos circuitos se utilizan principalmente para amplificar seales diferenciales muy pequeas en muchos procesos industriales, medicin, adquisicin de datos y aplicaciones mdicas.Ante las exigencias de medida que imponen los sensores, estos circuitos deben cumplir unos requisitos generales:Ganancia: seleccionable, estable y lineal.Entrada diferencial: con CMMR alto.Error despreciable debido a las corrientes y tensiones de offset.Impedancia de entrada alta.Impedancia de salida baja.

Figura 2 etapas amplificador instrumentalLa configuracin ms utilizada como amplificador de instrumentacin, est constituida por tres amplificadores operacionales y se suele dividir en dos etapas principales: Etapa pre-amplificacin y Etapa diferencial.PROCEDIMIENTODisear, simular e implementar un amplificador de instrumentacin. Se debe verificar su funcionamiento e identificar que variables involucran el diseo. Elegir R=10K y mR=10k al 1%. Todos los voltajes se deben obtener por divisores de voltaje y acoplarse mediante seguidores de voltaje, el generador de funciones debe tener una impedancia de 50 y mantener una frecuencia mxima de 1KHz.DISEOAmplificador instrumentalLas fuetes de alimentacin para el amplificador inversor sern de 15V. Para determinar el voltaje de saturacin se tiene que:Se sabe que el voltaje de saturacin se encuentra entre el 80% y el 90% por lo tanto.

Conociendo el voltaje de saturacin se sabe cul es voltaje mximo de amplificacin que sera de 12.75V. Como se desea una ganancia de -25 se puede determinar el voltaje mximo de entrada, de la siguiente forma:

Ha este voltaje se le debe restar el voltaje offset de entrada que para este caso temperatura de 25 varia de 1mV a 6mV por lo tanto.

Etapa Pre-AmplificacinAumenta la impedancia de entrada del conjunto. Gracias a su configuracin no-inversora, iguala la impedancia del circuito a la del A.O.Suelen utilizarse operacionales con entradas basadas en FET, para conseguir bajas corrientes de polarizacin.A continuacin, se va a proceder al anlisis de esta parte del circuito.Suponiendo que los amplificadores operacionales son ideales, se obtienen las siguientes expresiones:

Teniendo eso en cuenta, se obtienen las ecuaciones de las siguientes corrientes:

Puesto que el amplificador operacional no extrae ninguna corriente y aplicando las leyes de Kirchhoff para las corrientes:

De manera que:

Se resuelve esa ecuacin para conseguir VA y VB en funcin de V1 y V2:

Dicho de otra manera:

Restando ambas expresiones, se obtiene:

Observar que el parntesis representa la ganancia diferencial de la etapa pre-amplificadora, y que, variando RG, se puede variar la ganancia.Etapa DiferencialEsta parte del circuito es un circuito diferencial.A continuacin, se va a proceder al anlisis de esta parte del circuito.Aplicando las leyes de Kirchhoff, se obtienen las expresiones de las siguientes corrientes:

Suponiendo que el amplificador operacional es ideal, se obtiene la siguiente expresin:

Sustituyendo V3- por V3+ en las ecuaciones anteriores:

Puesto que el amplificador operacional no extrae ninguna corriente y aplicando las leyes de Kirchhoff para las corrientes:

De manera que dichas ecuaciones se pueden escribir de la siguiente forma:

Se despeja Vout de la primera expresin y V3+ de la segunda

Sustituyendo V3+ en la expresin de Vout:

Por ltimo, se sustituye la expresin (VB-VA) conseguida en la etapa pre-amplificadora en la ecuacin anterior:

Al realizar la simulacin con software aplicado y realizan do una variacin de Rg dentro del rango de 0 a 10k el valor de la tensin en la salida del sistema es:

Rg kVo V

013,01

113

211,09

37,72

46,1

55,03

64,4

73,89

83,54

93,26

103,04

Con estos datos obtenidos se realiz la siguiente grfica:

Podemos ver que a medida de que el valor de resistencia disminuye, el valor de la tensin de salida aumenta.En la siguiente imagen se puede observar las tensiones de entrada y de salida con V1=1Vpp, V2= 1Vpp y obteniendo Vo=13.01Vp con una frecuencia de 1KHz y una resistencia Rg=0 para obtener la tensin mxima.

Salida mxima: 1 Vpp a 1KHZ Rg=0La siguiente imagen se puede observar las tensiones de entrada y de salida con V1=1Vpp, V2= 1Vpp y obteniendo Vo=3.04Vp con una frecuencia de 1KHz y una resistencia Rg=10K para obtener la tensin mnima.

Salida mnima: 1 Vpp a 1KHZ Rg=10kCon los valores obtenidos calculamos la ganancia del sistema:

El valor de la ganancia en modo comn, para el valor de tensin de salida mximo, se aplicar el teorema de superposicin haciendo en este caso cero las seales de V1 y V2.

La siguiente imagen se puede observar las tensiones de entrada y de salida con V1=100mV y obteniendo Vo = 20.42v con una resistencia Rg=0 para obtener la tensin mxima.

Salida mxima con 100mVpp y Rg=0 V1=100mv, Vo = 20.42vCon los valores obtenidos calculamos la ganancia del sistema:

Con los valores de las ganancias obtenidos se determina la razn de rechazo en modo comn.

Figura 3 simulacin amplificador instrumentalLa corriente de corto circuito del integrado es de 25mA esta corriente si la corriente de salida que el amplificador suple o absorbe alcanza este valor el voltaje de salida dejara de aumentar para limitar a la corriente a este valor.

Con la corriente Icc pequea garantiza un comportamiento ptimo en trminos de la corriente, este parmetro est definido en la hoja tcnica del amplificador operacional con un valor de 1.7mA, este parmetro nos permite establecer el factor de potencia del inversor, que para un amplificador operacional est definida como:P = (VCC + VEE)IQ + (VEE VO)IccP = (VEE VO)IccP = 33mW