Amplificadores de Instrumentación

Transcripción

1 Universidad Nacional de osario Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y grimensura Escuela de Ingeniería Electrónica ELECTÓNIC II NOTS DE CLSE mplificadores de Instrumentación utores: Ing. Sergio Eberlein (Profesor sociado) Ing. Osvaldo Vázquez (Profesor djunto) Edición 0.

2 Índice. mplificador de Instrumentación Ideal El mplificador Diferencial Dónde falla esta configuración típica mplificador de instrumentación Configuración Básica mplificador de instrumentación con variación de ganancia lineal mplificadores de instrumentación integrados - IN mplificadores de instrumentación de ganancia programable - PG mplificadores diferenciales integrados - IN nexo : Bibliografía:... 0

3 . mplificador de Instrumentación Ideal Los MPLIFICDOES DE INSTUMENTCION son amplificadores diferenciales con las siguientes características: a) Z yz ic id (para no afectar la fuente de señal a medir) b) Z 0 (para que no afecte la entrada de la etapa siguiente) 0 c) v exacta y estable ( 000) y controlable d) F e) Bajo offset y deriva para trabajar con entradas de continua y pequeñas. USO: mplificador de señal de bajo valor, con alta componente en modo común. Por ejemplo la salida de un transductor. Veamos la configuración más simple:. El mplificador Diferencial Veamos un amplificador básico: El mplificador Diferencial. Fig. 3

4 . Dónde falla esta configuración típica. nalicemos las características básicas que debe cumplir: a) Impedancia de Entrada: Este es uno de los principales problemas de esta configuración. Las impedancias de entrada no son infinitas. Como consecuencia esta configuración carga a las etapas previas. V O ic Fig. id + Fig. 3 ic b) Impedancia de Salida: La impedancia de salida de esta configuración resulta adecuada. Esta es muy baja ya que es aproximadamente la impedancia de salida del O. c) La ganancia y su ajuste: Planteemos un amplificador diferencial genérico:: Fig. 4 4

5 esolviendo el circuito resulta: V V V Descomponiendo V y V en sus componentes a modo común y a modo diferencial. Es decir: V V + c Vd y V V c Vd eemplazando V y V en la ecuación de la V0 y trabajando resulta: V0 + + Vd + V ( ) c Donde: V V V y V d c V + V Entonces resulta: d c 4 3 ( + ) 3 4 Si, 3 4 entonces: esultando así un amplificador diferencial. 0 y c d 5

6 Vemos entonces que para ajustar la ganancia debo variar dos resistencias simultáneamente y con mucha precisión. Este es un serio inconveniente de esta configuración. d) Factor de rechazo: ecordemos que el Factor de echazo F o CM se define como: CM d c En esta configuración el Factor de echazo se degrada por dos causas, por lo que resulta difícil conseguir factores de rechazo (CM) altos. Estas causas son: El factor de rechazo (CM) debido a la dispersión o desapareamiento de las resistencias. Observemos que aparece una c 0 El factor de rechazo (CM) propio de los O. El CM total del circuito resulta: + CMTOTL CM O CM ESISTENCIS Donde : CM CM // CM TOTL O ESISTENCIS CM O : Es el factor de rechazo del circuito considerando el O real ( F ) y las resistencias perfectamente apareadas. Cabe aclarar que el CM O del circuito en este caso particular coincide con el factor de rechazo del O utilizado, ver nexo. CM ESISTENCIS : Es el factor de rechazo del circuito considerando el O ideal ( F ) y las resistencias desapareadas. Utilizando las expresiones de la página anterior puedo obtener el valor de CM ESISTENCIS CM ESISTENCIS d + + c Vemos entonces que de los dos. CM TOTL es como un paralelo. El CM TOTL será menor que el menor 6

7 d) Offset y su deriva: Estos parámetros dependen solo de la calidad O utilizado. Conclusión: El D básico tiene bajas prestaciones pensado como amplificador de instrumentación. Una solución seria el circuito que veremos a continuación. 3. mplificador de instrumentación Configuración Básica Fig. 5 Vemos que esta configuración resuelve satisfactoriamente el tema de la impedancia de entrada, ya que esta seria idealmente infinito. Veamos que ocurre con el tema de la Ganancia y el Factor de echazo. Planteemos la función transferencia de la etapa de entrada: 7

8 V V V G I V V G V V V V + + ( ) G 3 G 0 0 ( + ) 3 G V V V V G Veamos que ocurre para una señal a modo común en la entrada: parece en la salida de la primera etapa ya que vc para la primera etapa (observar que son circuitos seguidores). Transferencia de la segunda etapa: ( ) V V V La transferencia total resulta del producto de las ganancias: ( ) G V V V V V V G Este circuito cumple con los requisitos en cuanto a la facilidad del ajuste de la ganancia. Ya que con un solo componente G puedo ajustar la ganancia, evitando el ajuste de dos resistencias simultáneamente como en el circuito anterior. Pero aparece otra consideración: aquí el ajuste es no lineal, ya que G esta en el denominador. Veremos en el punto 4 una variante a este circuito para solucionar este problema. Que ocurre con el factor de rechazo en esta configuración: Para ello planteemos un circuito genérico como el siguiente: 8

9 Fig. 6 Si CMESISTENCIS Pero realmente: Igual que en la configuración anterior existe un factor de rechazo debido al desapareamiento de las resistencias: Es facil demostrar que: CM ESISTENCIS d c G G 3 3 NOT: Si este amplificador se arma en forma discreta la está constituida por una resistencia fija y un preset de la siguiente manera: (0,9 fija + 0, un preset variable) unque en la práctica lo usual es utilizar toda la configuración integrada. Utilizando integrados del tipo del IN4 de Burr-Brown como veremos en el punto 6. demás los amplificadores operacionales tienen un factor de rechazo distinto de infinito. 9

10 Se demuestra que: CM CM CM CM Total O O CM esistencias O3 G G Donde utilizando O iguales para el y el se pueden anular los dos primeros términos de la ecuación. Y puede verse que el factor de rechazo del O3 aparece multiplicado por el 3 3 factor + +, con lo cual resulta amplificado. G G esultando entonces: CM TOTL > CM SEGUND ETP Esto se puede ver también conceptualmente de la siguiente forma: CM O Vd Vc nalicemos Vc del conjunto: Para las señales a modo común la primera etapa se comporta como seguidora, luego resulta: V V 0 C C 0 C V V C Es decir la primera etapa tiene una Vc PIME ETP luego resulta Vc TOTL Vc SEGUND ETP nalicemos Vd del conjunto: quí si, la primera etapa tiene ganancia a modo diferencial, resultando entonces: 0

11 Vd TOTL Vd PIME ETP Vd SEGUND ETP Entonces vemos que Vc TOTL se mantiene igual a una etapa diferencial simple (como la segunda etapa) y la Vd TOTL aumento, luego resulta: CM TOTL > CM SEGUND ETP 4. mplificador de instrumentación con variación de ganancia lineal Una posible solución a la variación no lineal del circuito anterior con G es el siguiente circuito: Fig. 7 Se demuestra que: F V V V ( )

12 5. mplificadores de instrumentación integrados - IN4 Las características de los amplificadores de instrumentación pueden optimizarse si se diseñan como circuitos integrados, ya que el fabricante puede garantizar la precisión de los elementos críticos y lograr el apareamiento de componentes con gran exactitud. Como ejemplo de estos circuitos integrados veremos el IN4 de Burr-Brown. Circuito esquemático: esumen de Características:

13 Especificaciones: 3

14 6. mplificadores de instrumentación de ganancia programable - PG04 Estos circuitos integrados son amplificadores de instrumentación en los cuales es posible variar la ganancia mediante una red de resistencias integradas en el circuito y cuya topología puede seleccionarse digitalmente accionando llaves analógicas también integradas. Como ejemplo de estos circuitos integrados veremos el PG04/05 de Burr-Brown. Circuito esquemático: esumen de Características: DIGITLLY POGMMBLE GIN: PG04: G, 0, 00, 000V/V PG05: G,, 4, 8V/V LOW OFFSET VOLTGE: 50µV max LOW OFFSET VOLTGE DIFT: 0.5µV/ C LOW INPUT BIS CUENT: n max LOW QUIESCENT CUENT: 5.m typ NO LOGIC SUPPLY EQUIED 6-PIN PLSTIC DIP, SOL-6 PCKGES 4

15 Especificaciones: 5

16 7. mplificadores diferenciales integrados - IN7 Quizás por la manera de desarrollar el tema presentando primero las limitaciones del amplificador diferencial como amplificador de instrumentación puede quedarnos la idea que el amplificador diferencial no sirve y que siempre hay que usar los circuitos mas elaborados. Es cierto que el amplificador diferencial tiene grandes limitaciones pero para ciertas aplicaciones donde se requiera altas tensiones de entrada me puede resultar sumamente útil. El hecho de ingresar con la señal sobre redes de resistencias de entrada me permite lograr este objetivo. Esto no lo puedo lograr con el circuito del amplificador de instrumentación típico como el IN4 ya que en este se ingresa con la señal a amplificadores operacionales en configuración seguidora donde las máximas tensiones de entrada para funcionamiento lineal son ±V (si las fuentes de alimentación son de ±5V). Por otro lado si utilizamos versiones integradas de amplificador diferencial me permite solucionar el problema del apareamiento de las resistencias muy bien. Como ejemplo veremos el IN7. Circuito esquemático: esumen de Características: COMMON-MODE INPUT NGE: ±00V (V S ±5V) POTECTED INPUTS: ±500V Common-Mode ±500V Differential UNITY GIN: 0.0% Gain Error max NONLINEITY: 0.00% max CM: 86dB min 6

17 Especificaciones: 7

18 8. nexo : Calculemos el factor rechazo en un circuito diferencial como el de la figura. Fig. 8 mplificador diferencial con la fuente de error debida al factor de rechazo Podemos ver que ya modelamos el error por factor de rechazo con su fuente correspondiente. Donde e c + V diferencial (O realimentado)., no confundir con la entrada a modo común V + V del circuito Para resolver el circuito puedo plantear: e+ + V e e + F Igualando e V V e tenemos V F V V + V Luego simplificando ( ) + y despejando resulta: c 8

19 V V V V ( V V ) V F F Descomponiendo las entradas V y V como es usual, considerando una fuente simétrica y otra anti simétrica: ed V + ec ed V + ec eemplazando resulta: d V0 ed + ec + F e ed Despreciando respecto de e c ya que normalmente ed ec V0 ed + ec F Donde: resulta: Vd Vc F Planteando el factor de rechazo del circuito obtenemos: CM O Vd Vc F F Donde resulta que el factor de rechazo del circuito diferencial es igual al factor de rechazo del amplificador operacional utilizado. 9

20 9. Bibliografía: -) Diseño con mplificadores Operacionales y Circuitos Integrados nalógicos Sergio Franco Mc Graw Hill 3ª Edición - ISBN ) punte: Instrumentación Electrónica de Comunicaciones (5º Curso Ingeniería de Telecomunicación) Tema III: El amplificador de instrumentación. José María Drake Moyano, Dpto. de Electrónica y Computadores, Santander, 005. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación - Universidad de Cantabria. -) Hojas de datos del IN4, PG04/05, IN7 de Burr-Brown (Texas Instruments). 0