Amplificadores de Instrumentación

Transcripción

1 Universidad Nacional de osario Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura Escuela de Ingeniería Electrónica A-5 - Dispositivos y Circuitos Electrónicos II A-5 Dispositivos y Circuitos Electrónicos II Ingeniería Electrónica Amplificadores de Instrumentación Autores: Ing. Sergio Eberlein (Profesor Asociado) Ing. Osvaldo Vázquez (Profesor Adjunto) Edición 07.

2 Índice Índice. Amplificador de Instrumentación Ideal El Amplificador Diferencial Dónde falla esta configuración típica Amplificador de instrumentación Configuración Básica Amplificador de instrumentación con variación de ganancia lineal Amplificadores de instrumentación integrados -INA Amplificadores de instrumentación de ganancia programable - PGA Amplificadores diferenciales integrados - INA Anexo : Bibliografía:...

3 . Amplificador de Instrumentación Ideal Los AMPLIFICADOES DE INSTUMENTACION son amplificadores diferenciales con las siguientes características: a) Z y Z 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) Av exacta y estable ( 000) y controlable d) F e) Bajo offset y deriva para trabajar con entradas de continua y pequeñas. USO: Amplificador de señal de bajo valor, con alta componente en modo común. Por ejemplo, la salida de un transductor. Veamos la configuración más simple:. El Amplificador Diferencial Veamos un amplificador básico: El Amplificador Diferencial. V V V O Fig. 3

4 . Dónde falla esta configuración típica. Analicemos 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 id V O V O V ic id ic Fig. Fig. 3 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 AO. c) La ganancia y su ajuste: Planteemos un amplificador diferencial genérico: 4

5 V V 3 V O 4 Fig. 4 esolviendo el circuito resulta: V V V Descomponiendo V y V diferencial. Es decir: en sus componentes a modo común y a modo V V c Vd y V V c Vd eemplazando V y V en la ecuación de la V0 y trabajando resulta: Donde: V0 Vd V c V V V y V d c V V Entonces resulta: A d

6 Si, A c entonces: A 0 y A c d esultando así un amplificador diferencial. 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 A A 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 Ac 0 El factor de rechazo (CM) propio de los AO. El CM total del circuito resulta: 6

7 CM CM CM TOTAL AO ESISTENCIAS CM CM // CM TOTAL AO ESISTENCIAS Donde: CM AO : Es el factor de rechazo del circuito considerando el AO real ( F ) y las resistencias perfectamente apareadas. Cabe aclarar que el CM AO del circuito en este caso particular coincide con el factor de rechazo del AO utilizado, ver Anexo. CM ESISTENCIAS : Es el factor de rechazo del circuito considerando el AO ideal ( F ) y las resistencias desapareadas. Utilizando las expresiones de la página anterior puedo obtener el valor de CM ESISTENCIAS CM ESISTENCIAS Ad A c Vemos entonces que menor que el menor de los dos. e) Offset y su deriva: CM TOTAL es como un paralelo. El CM TOTAL será Estos parámetros dependen solo de la calidad AO utilizado. Conclusión: El AD básico tiene bajas prestaciones pensado como amplificador de instrumentación. Una solución seria el circuito que veremos a continuación. 7

8 . Amplificador de instrumentación Configuración Básica PIMEA ETAPA SEGUNDA ETAPA V AO I 3 V G I G V O AO3 V O 3 V O V AO I 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: V V V G I V V G V V V V G 3 G 3 G V0 V0 V V G Veamos que ocurre para una señal a modo común en la entrada: Aparece en la salida de la primera etapa ya que Avc = para la primera etapa (observar que son circuitos seguidores). 8

9 Transferencia de la segunda etapa: V V V La transferencia total resulta del producto de las ganancias: V V V 3 0 G V V V 0 3 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: V AO 3 V O V G G AO3 V O 3 V O V AO Fig. 6 9

10 Si Pero realmente: CMESISTENCIAS Igual que en la configuración anterior existe un factor de rechazo debido al desapareamiento de las resistencias: Es fácil demostrar que: CM ESISTENCIAS A d Ac G G 3 3 Vemos como el factor de rechazo de la segunda etapa se ve amplificado por la ganancia de la primera etapa. Nota: 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 ). Aunque en la práctica lo usual es utilizar toda la configuración integrada. Utilizando integrados del tipo del INA4 de Burr-Brown como veremos en el punto 6. Además, los amplificadores operacionales tienen un factor de rechazo distinto de infinito. Se demuestra que: CM CM CM CM Total AO AO 3 3 CM esistencias AO3 G G Donde utilizando AO iguales para el y el se pueden anular los dos primeros términos de la ecuación. 0

11 Y puede verse que el factor de rechazo del AO3 aparece multiplicado por el factor 3 3 G G amplificado. esultando entonces: (ganancia de la primera etapa), con lo cual resulta CM TOTAL CM SEGUNDA ETAPA Esto se puede ver también conceptualmente de la siguiente forma: CM A A Vd Vc Analicemos AVC 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 AVc PIMEA ETAPA luego resulta A Vc TOTAL A Vc SEGUNDA ETAPA Analicemos AVd del conjunto: Aquí si, la primera etapa tiene ganancia a modo diferencial, resultando entonces: AVd TOTAL AVd PIMEA ETAPA AVd SEGUNDA ETAPA Entonces vemos que A Vc TOTAL se mantiene igual a una etapa diferencial A Vd TOTAL simple (como la segunda etapa) y la ganancia de la primera etapa, luego resulta: aumento, en un factor igual a la CM TOTAL CM SEGUNDA ETAPA

12 3. Amplificador de instrumentación con variación de ganancia lineal Una posible solución a la variación no lineal del circuito anterior con G es el siguiente circuito: V AO 3 V O V G G AO3 V O 3 V O F 4 V AO AO4 Fig. 7 Se demuestra que: F V V V

13 4. Amplificadores de instrumentación integrados - INA4 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 INA4 de Burr- Brown. Circuito esquemático: esumen de Características: 3

14 Especificaciones: 4

15 5. Amplificadores de instrumentación de ganancia programable - PGA04 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 PGA04/05 de Burr-Brown. Circuito esquemático: V 0 V+ V IN - Feedback A A O Digital Gound V + IN V O ef V os Adj V 0 V- esumen de Características: DIGITALLY POGAMMABLE GAIN: PGA04: G=, 0, 00, 000V/V PGA05: G=,, 4, 8V/V LOW OFFSET VOLTAGE: 50µV max LOW OFFSET VOLTAGE DIFT: 0.5µV/ C LOW INPUT BIAS CUENT: na max LOW QUIESCENT CUENT: 5.mA typ NO LOGIC SUPPLY EQUIED 6-PIN PLASTIC DIP, SOL-6 PACKAGES 5

16 Especificaciones: 6

17 6. Amplificadores diferenciales integrados - INA7 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 INA4 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 INA7. 7

18 Circuito esquemático: esumen de Características: COMMON-MODE INPUT ANGE: ±00V (VS = ±5V) POTECTED INPUTS: ±500V Common-Mode ±500V Differential UNITY GAIN: 0.0% Gain Error max NONLINEAITY: 0.00% max CM: 86dB min 8

19 Especificaciones: 9

20 7. Anexo : Calculemos el factor rechazo en un circuito diferencial como el de la figura. V e c /F V O V Podemos ver que ya modelamos el error por factor de rechazo con su fuente correspondiente. V Donde V Fig. 8 Amplificador diferencial con la fuente de error debida al factor de rechazo e c V del circuito diferencial (AO realimentado)., no confundir con la entrada a modo común Para resolver el circuito puedo plantear: e V e e F V V0 c 0

21 Igualando e e tenemos V F V V V0 Luego simplificando y despejando resulta: V V V V V V V 0 F F Descomponiendo las entradas V y V como es usual, considerando una fuente simétrica y otra anti simétrica: e d V ec ed V ec eemplazando resulta: d V0 ed ec F e resulta: Despreciando ed respecto de e c ya que normalmente ed e c V0 ed ec F Donde: A Vd

22 A Vc F Planteando el factor de rechazo del circuito obtenemos: CM AO AVd A Vc F F Donde resulta que el factor de rechazo del circuito diferencial es igual al factor de rechazo del amplificador operacional utilizado. 8. Bibliografía: Diseño con Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Analógicos, Sergio Franco Mc Graw Hill 3ª Edición. Instrumentación Electrónica de Comunicaciones, Apunte de 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 INA4, PGA04/05, INA7 de Burr-Brown (Texas Instruments).