Analisis Del Amplificador de Instrumentaciã N

 

UNAM

Amplificador de Amplificador Instrumentación Descripción de operación y aplicaciones Ing. Jesús María Francisco Hernández Morales 05/04/2010

Este artículo nos explica en forma breve el funcionamiento funcionamiento de un amplificador de instrumentación, instrumentación, desde su concepción de manera discreta, sus características que lo hace una gran opción ante perturbaciones perturbac iones de ruido, además se exponen algunas aplicaciones útiles con este amplificador.

 

Amplificador de Instrumentación

 Amplificador de InstrumentaciónInstrumentaciónEl amplificador de instrumentación es un circuito electrónico, que se ha diseñado para aplicaciones tanto científicas, biomédicas, biomédicas, así como industriales, en las cuales se requiere una alta amplificación y una alta inmunidad al ruido. Las características deseables para este circuit circuito o son: a)  Alta impedancia de entrada b)  Un RRMC alto (típicamente de 100dB o más) Los amplificadores de instrumentación siempre funcionarán de modo diferencial, para lograr esto existen dos configuraciones configuraciones principales: i.  ii. 

Amplificador de Instrumentación Instrumentación de 3 amplificadores operacionales. Amplificador de instrumentación de 2 amplificadores operacionales.

 Amplificador de instrument instrumentación ación de 3 Amplificadores Operacionales

En el caso del amplificador de instrumentación de 3 amplificadores operacionales, el circuito se basa en 2 etapas, la principal es un amplificador operacional en configuración diferencial, la cual nos da una salida proporcional a una diferencia en los voltajes de entrada a dicha configuración, y la segunda es una etapa de entrada de alta impedancia, la cual nos corrige la asimetría de las impedancias de entrada del diferenciador:

Amplificador Diferenciador De la configuración anterior tenemos que su voltaje de salida, será:

      

 

Antes de seguir con el análisis, debemos mencionar que esta configuración presenta el problema de que sus impedancias de entrada no son simétricas, mientras que para Va, la impedancia de Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación entrada es la impedancia misma del Amplificador operacional (10 6    mínimo), Vb tendrá una impedancia de entrada igual a R1. Por lo cual, no podemos decir que un diferenciador es un candidato para un amplificador de instrumentación, ya que a pesar de que trabaja en modo diferencial no posee alta impedancia de entrada, más adelante vemos una solución para este problema. Regresando a la ecuación del amplificador diferencial, suponemos R1 = R3 y R2 = R4, con lo cual nuestra ecuación se reduce a:

  

 

Con lo cual nuestra ganancia en esta etapa, se da por la relación por 2 valores de resistencia, sin embargo, aún tenemos el problema de las impedancias de entrada, que por un lado son asimétricas y por otro lado la impedancia de entrada de Vb es el valor de R1. Dado que muchas de las aplicaciones de los amplificadores de instrumentación van encaminadas a fuentes de baja potencia, los valores de R1 pueden cargarnos nuestra fuente y perder la señal. Una primera solución es agregar acopladores de impedancia a cada entrada con el fin de aumentar la impedancia de entrada del circuito, lo cual es una característica deseable de un amplificador operacional y de esta forma se compensa la asimetría de impedancias de entradas en un amplificador diferenciador, diferenciador, el circuito se muestra a continuación:

Amplificador de Instrumentación Instrumentación

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación Para este circuito la ganancia será:

  

 

Que es la misma ganancia del amplificador diferencial, sin embargo, para este circuito ya hemos resuelto el problema de las impedancias de entrada asimétricas, ahora el circuito posee, impedancia de entrada alta en ambas entradas. Para este caso, la ganancia total del circuito estará definida por la relación entre R2 y R1. Si deseamos variar esta ganancia, encontraremos el problema de que, cada valor de resistencia (R1 y R2), en si implica a dos resistencias cada uno, y por lo cual cada par de resistencias deberá variar exactamente igual. Por lo general, se desean altas ganancias en este tipo de circuitos, lo deseable es que también esta sea variable, por lo cual, siempre se trata de emparejar las resistencias R1 y las resistencias R2, dejando la relación entre R1 y R2 fija, lo cual nos permite una ganancia predeterminada; con el fin de aumentar la ganancia total del circuito se agrega otra etapa de ganancia a la entrada del circuito como se muestra a continuación:

Amplificador de instrumentación de ganancia variable. En el circuito anterior, el voltaje de salida será:

     

 

Si en la ecuación anterior, fijamos la relación entre R2 y R1, y a su vez variamos RG, la ganancia estará en función de RG, lo cual nos da dos límites de ganancia, cuando RG es un valor muy grande (circuito abierto), la ganancia tenderá a la relación R2 y R1, mientras que cuando RG es un valor muy pequeño (circuito cerrado), la ganancia del circuito, será muy grande y saturará la salida. Para este caso es recomendable poner una resistencia en serie que limite la ganancia total, tomando en Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación cuenta el valor de la excursión máxima de salida del amplificador operacional y la señal de entrada, por lo cual lo recomendab recomendable le para RG será el siguiente arreglo de resistencias:

Arreglo de resistencias para RG

Instrumentación de 2 Amplificadores Operacionales  Amplificador de Instrumentación En el caso del amplificador de instrumentación de 2 amplificadores, su diseño está enfocado para soluciones de menor costo, su operación tiene una ganancia limitada, sin embargo cumple con dos características caracte rísticas del amplificador de instrumentación, un alto RRMC y altas impedancias de entrada que para este caso son simétricas dada su construcción que se muestra a continuación: continuación:

Amplificador de instrumentación de 2 amplificadores operacionales. Para este circuito la ganancia total está dada por la siguiente ecuac ecuación: ión:

        

 

Desarrollando la fórmula tenemos:

 

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación Con el fin de simplificar la fórmula asumiremos que R2 = R3 y R1 = R4, lo cual nos dará como resultado:

   

 

De la fórmula anterior, podemos analizar que las ganancias de este circuito está limitado por la relación entre R1 y R2, y lo cual nos da una ganancia unitaria para cuando R2>>R1 y por el otro lado una ganancia elevada para cuando R1 >> R2, sin embargo, como se analizó en el circuito pasado, para realizar estos ajustes de ganancias, deberemos variar de manera exacta la relación R1 y R2, tomando en cuenta que tanto R1 y R2, representan cada una un par de resistencias. Con el fin de ofrecer un ajuste de ganancia, primero deberemos fijar las resistencias R1 y R2, se agregará una resistencia variable RG como se muestra en el siguiente circuito:

Amplificador de instrumentación instrumentación de 2 amplificadores operacionales con ganancia variable Ajustando la relación entre R1 y R2, podemos variar la ganancia del amplificador de instrumentación simplemente variando la resistencia RG, la fórmula para determinar la ganancia de este arreglo es la siguiente:

     

 

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación

RRMC (Razón de Rechazo en Modo Común) La razón de rechazo en modo común (RRMC), nos indica la propiedad del amplificador en general, de atenuar una señal que se encuentra presente en ambas entradas (modo común), en beneficio de una señal que encuentra en modo diferencial. Al operar un amplificador en modo diferencial, se pretende alcanzar un alto RRMC, con el fin de limpiar la señal de interés de señales aleatorias indeseables, como como lo puede ser el ruido. Matemáticamente, Matemátic amente, la RRMC se expresa:

   

Dónde:

 

RRMC: Razón de Rechazo en Modo Común Ad: Es la amplificación en modo diferencial Amc: Es la amplificación en modo común Por lo general, al diseñar un amplificador de instrumentación instrumentación se desea que lla a RRMC sea de 100dB o mayor. En el caso del amplificador de instrumentación instrumentación de 3 amplificadore a mplificadoress operacionales, tenemos que la ganancia del amplificador diferencial es:

      

 

Reacomodando la ecuación tenemos:

                          

Por otra parte, la etapa de entrada en trada tiene la siguiente ecuación:

 

Para hacer el análisis en modo común asumimos que: Va = Vb = Vmc. Con lo cual, la última ecuación se deduce que:

                   

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

 

Amplificador de Instrumentación Simplificando la ecuación anterior tenemos:

                       

 

 

Con lo anterior podemos afirmar que la razón de rechazo en modo común no depende de la

sección de entrada, las posibles variaciones de R3 y R3’, no tienen efecto en el mismo. Por otro

lado, el amplificador diferencial tenemos que:

                   

En modo común asumimos que Va = Vb = Vmc, con lo cual:

 

 

                                 

Con lo cual, la ganancia en modo común será:

 

Para el modo diferencial, tenemos que:

 

De lo anterior tenemos que la RRMC para este amplificador será:

        

 

En el caso del amplificador de instrument instrumentación ación de dos amplificadores amplificadores operacionales, tenemos que:

    

 

Para hacer el análisis en modo común, hacemos que Va = Vb = Vmc, con lo cual la ecuación anterior se redefine como:

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación

                                                 

 

 

 

Para el modo diferencial tenemos que:

 

Con lo anterior, la RRMC de esta configuración será:

 

Para este caso, observamos que si se emparejan las resistencias R1 =R4 y R2 = R3, el denominador tenderá a cero, por lo cual la RRMC, será un valor muy grande.

Simulaciones con PSPICE Aprovechando el programa de simulación PSPICE, analizaremos el comportamiento del amplificador de instrumentación de 3 en modo diferencial, para lo cual, se utilizara el siguiente circuito:

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación Para nuestro caso este amplificador de instrumentación, tiene una ganancia de 2090, haciendo un análisis en frecuencia tenemos la siguiente gráfica:

Podemos observar que el amplificador de instrumentación tiene una ganancia de 66.397 dB para el modo diferencial y tiene un ancho de banda de 10 KHz. Ahora analizaremos el amplificador en modo común, obtenemos la siguiente gráfica: -6 0

(30.420,-62.958)

-6 5

-7 0 10H z

3 0Hz

100 Hz

3 00 Hz

1. 0KH z

3 .0 KHz

1 0KH z

30 KHz

1 00K Hz

DB(V(out)/V(a)) Frequency

Para esta configuración, la ganancia es de -62.958 dB, de lo anterior podemos afirmar que la RRMC para este circuito apoyándonos en la simulación será:

   

 

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación Ahora tomaremos un amplificador de instrumentación con 2 amplificadores operacionales, como se muestra a continuación: continuación:

Esta configuración tiene una ganancia de 211: Nuestro primer análisis es para el amplificador de instrumentación instrument ación en modo diferencial y tenemos la siguiente gráfica en el análisis de frecuencia:

Observamos que la ganancia a 1KHz la ganancia en modo diferencial es de 46.27 dB. Ahora tomando el mismo circuito en modo común tenemos la siguiente respuesta en frecuencia:

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación Como podemos observar, la simulación nos presenta la respuesta de este circuito como la respuesta de un filtro paso-altas, lo cual nos hace relacionar la RRMC en función de la frecuencia, si nos basamos en la respuesta de la simulación tenemos, que la atenuación a 1KHz es de -12.781 dB, por lo cual la RRMC es la siguiente:

           

 

Basándonos en la simulación tenemos que la configuración de 2 amplificadores operacionales posee una RRMC que está por debajo del deseado de 100dB, el mismo análisis en la configuración de 3 amplificadores operacionales, observamos que tiene una mejor RRMC de 129.35 dB, muy por encima del 100 dB deseables.

Variaciones de los elementos empleando SPICE.  Análisis de un amplificador de instrumentación de 3 amplificadores amplificadores operacionales. La siguiente simulación nos muestra la variación de ganancia cuando variamos un elemento en estudio, emplearemos el siguiente circuito:

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación En nuestra primera simulación variaremos R2 en un ± 20%. Podemos observar la ganancia en modo diferencial con las siguientes respuestas respuestas en frecuencia:

Una variación del ± 20% en el valor de R2 nos da una variación de 1.75 dB, en la ganancia del amplificador de instrumentación. instrumentación. Esto representa una variación del 2.63% de la ganancia nominal. Ahora variaremos el valor de la resistencia R5 de la etapa de entrada en un ± 20%.Y observamos la siguiente respuesta respuesta en el análisis de frecuencia.

Resulta interesante observar que, aunque las variaciones fueron de un ± 20%, la salida de nuestro amplificador no se ve afectado por las variaciones en este elemento. Nuestro siguiente elemento es R1 con una variación similar del ± 20%, y lo cual nos arroja la siguiente gráfica:

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación

A una variación del ± 20% de R1, corresponde una variación de ± 1.72 dB de la ganancia nominal lo cual nos representa una variación a la salida de 2.59%. El siguiente turno será para R3, al igual que los casos anteriores variaremos un ±20% el valor de la resistencia y obtenemos la siguiente si guiente gráfica:

Observamos que si existen variaciones de ± 20% de R3, este no afectará el desempeño del amplificador de instrumentación. instrumentación.

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación Ahora procederemos a analizar nuestro último elemento: R4 con la misma variación y obtenemos la siguiente gráfica.

Obtenemos el mismo resultado, lo cual nos indica que variaciones en R3 y R4 del orden del 20%, no afecta el desempeño del amplificador de instrumentación. En el caso de R1 y R2, las variaciones afectan el desempeño del circuito por lo cual es recomendable tener valores más precisos de resistencia para estos valores.

instrumentación de 2  Análisis para un amplificador de instrumentación amplificadores operacionales. Para el análisis de este circuito emplearemos emplearemos el siguiente arreglo:

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación Nuestro primer caso de análisis variaremos a R1 en un 20% y obtenemos la siguiente gráfica de respuesta:

Observamos que la variación del 20% en R1, no afecta el desempeño del amplificador de instrumentación. En el caso de una variación del 20% en R2 obtenemos la siguiente gráfica de respuesta en frecuencia:

Para este caso tenemos una variación de ±0.78 dB (medido en 1KHz), lo cual representa una variación porcentual porcentual del 1.695%. Ahora variamos R3 en un ± 20% 2 0% y obtenemos lo siguiente:

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación Observamos una variación de ganancia a 1KHz de ±0.883dB, lo cual nos representa una variación porcentual del 1.9%. Finalmente variamos R4, también también en un ±20% y obtenemos esta gráfica de respuesta.

Ahora obtenemos una variación a la salida de ± 1.67 dB medidos a1KHz, lo cual representa una variación de 3.6% a la salida. Para esta configuración, observamos que las resistencias que están más cercanas a la salida de están más propensas a variaciones.

El Amplificador de Instrumentación Monolítico. El amplificador de instrumentación monolítico, se basa en el modelo de 3 amplificadores operacionales, dado que se puede controlar la calidad de los componentes internos del chip, podemos alcanzar altos valores de RRMC, altas impedancias de entrada, el único componente externo que se necesita es RG, la cual controla la ganancia en los amplificadores de instrumentación en chip de bajo costo, en el caso de amplificadores de más alto costo se puede controlar la ganancia mediante una selección vía pin.

El Amplificador de instrumentación AD8223 El AD8223 de Analog Devices, es un circuito integrado con un costo de USD $0.99 por millar, cuyas principales aplicaciones recomendadas son: Instrumentación biomédica de baja potencia, interface de transducción, amplificadores para termocoples, control de procesos entre algunos otros. La ganacia de operación se ajusta con una resistencia externa la cual debe tener un rango entre 5 y 1000, la operación se puede realizar tanto en fuente bipolar (±2 a ±12V) como en fuente única (3 a 24V), su arquitectura arquitectura simplificada es la siguient siguiente: e: Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación

La resistencia de ganancia del amplificador se calcula como:

Donde G es la ganancia deseada. Cuando no hay una resistencia de ganancia externada conec conectada tada al chip, la ganancia mínima es de 5, debido al amplificador diferencial interno, dada la construcción interna los errores por corrimiento cuando no haya resistencia externa conectada serán mínimos. Adicionalmente el fabricante nos ofrece la siguiente tabla para guiarnos en la selección de una resistencia de ganancia:

De la tabla anterior podemos observar que para obtener una ganancia de 1000 es necesaria una RG = 80.6  como vimos con anterioridad en este documento esta sería una resistencia en serie

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación con un potenciómetro, para evitar saturación la señal en cuestión, con esto aseguramos una ganancia máxima de 1000. Otro dato que nos interesa es el RRMC de este amplificador, la siguiente gráfica nos muestra el comportamiento comport amiento del RRMC vs frecuencia:

Esta gráfica se obtuvo de la operación del amplificador de instrumentación con una fuente simétrica de 12V. Curiosamente, a mayor ganancia existe un mejor RRMC, y como se puede observar el RRMC, está por encima de los 100dB en algunas secciones de la gráfica. Otro dato de interés es el ancho de banda BW, el cual se obtiene de esta gráfica:

Obviamente a mayor ganancia menor ancho de banda, como se muestra en la siguiente tabla: Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación

Por su parte otro factor importante en los amplificadores de instrumentación instrumentación es la impedancia de entrada, la cual en el caso del AD8223 es de 2G , en paralelo con una capacitancia de entrada de 2pF como se muestra en la siguiente tabla:

De lo anterior podemos afirmar que por un dólar, podemos obtener un amplificador de instrumentación con una RRMC por encima de 100dB a ganancias altas, una impedancia de entrada de 2G, el único inconveniente que podíamos observar es su bajo ancho de banda para ganancias altas, sin embargo, es algo que se tiene que tomar en cuenta cuando se quieren aplicaciones de bajo costo.

El amplificador de instrumentación AD624 El otro extremo del rango de precios para Analog Devices es el AD624, cuyo costo de unidad por millar es de USD $15.87, es un integrado pensado para un alto desempeño, ya que posee un ancho de banda amplio, un RRMC por encima de los 130 dB, su ganancia es programable mediante pin,su diagrama es el siguiente:

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Amplificador de Instrumentación El primer dato en cuestión que buscaremos es su Impedancia de entrada el cual viene especificado en la siguiente tabla:

Observamos que la impedancia de entrada es de 1G y la capacitancia capacitancia de entrada es de 10pF. La ganancia en este amplificador de instrumentación se puede logra conectando las resistencias internas del monolito mediante conexión vía pin, o bien mediante el uso de una resistencia RG externa, su arquitectura interna se muestra a continuación:

La siguiente tabla nos muestra la forma de lograr algunas ganancias, así como su variación en temperatura:

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Amplificador de Instrumentación Así por ejemplo, para una ganancia de 200 debemos realizar la siguiente conexión:

En caso de usar una resistencia externa RG, conectada entre los pines 3 y 16, la ganancia en este caso se calcula como:

Por ejemplo si deseamos realizar un arreglo para una ganancia de 20 en nuestro amplificador, debemos realizar la siguiente conexión:

Cabe mencionar que toda resistencia externa deberá ser de precisión y con capa de metal, con el fin de evitar corrimientos por temperatura. temperatura. En este integrado el comportamiento comportamiento de la RRMC se muestra en la siguiente gráfica:

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Amplificador de Instrumentación Podemos observar que para ganancias de 500, la RRMC es de 130dB. Mientras que los comportamientos del ancho de banda se muestran en la siguiente gráfica:

Y de tablas obtenemos los siguientes si guientes datos:

De lo anterior podemos observar que el AD624 ofrece una mejor RRMC, un ancho de banda mayor, también ofrece la opción de ser usado como amplificador con ganancia programable, solo empleando una conexión entre dos pines del integrado, o bien, usar una resistencia externa para determinar la ganancia, la impedancia de entrada es de 1G , la mitad del AD8223, sin embargo, tiene mejores prestaciones, aunque su precio es más de 15 veces superior. Obviamente, no es recomendable recomendab le para aplicaciones de bajo costo.

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Amplificador de Instrumentación

 Aplicaciones Como hemos visto con anterioridad el amplificador de instrumentación es ideal para situaciones de censado de fuentes de baja potencia ya que por su impedancia de entrada, el amplificador no cargará a la fuente, además posee un alto RRMC, lo cual lo hace ideal para atenuar señales no deseadas como el ruido, en algunos la RRMC supera los 130dB, sin embargo, muchas veces esta RRMC va asociada a altas ganancias (G ≥ 100), los cual implica una reducción en el ancho de banda, muchos amplificadores tienen ganancias programables, pero la gran mayoría, son controlados mediante un resistencia de control de ganancia (RG). Para cuestiones prácticas de operación, debemos tomar en cuenta otros aspectos importantes que muchos fabricantes hacen énfasis en tenerlos en cuenta cuando se realiza un circuito con un amplificador de instrumentación.

Terminal de referencia

Muchos circuitos integrados tienen una terminal llamada referencia (REF), en este pin se referencia al voltaje de salida y nos es útil cuando tenemos una operación con una sola fuente de alimentación. Para este caso, el voltaje de referencia será igual a la mitad del voltaje de polarización (Vcc/2), lo que se recomienda es que la impedancia de la fuente hacia el pin REF sea menor a 5, ya que esta terminal va conectada a una resistencia, por ejemplo ejemplo en el AD8223 va en serie con una resistencia de 50k, para un AD624 esta resistencia es de 10k , en el caso de un INA129 será de 40k, con lo cual cualquier resistencia agregada afecta el desempeño del circuito, por lo cual se recomiendan las siguientes conexiones: conexiones:

Podemos observar que agregando un acoplador de impedancia garantizamos una baja impedancia i mpedancia de salida, con lo cual no se afecta la resistencia en serie presente en el pin de REF, también tenemos que recalcar que si variamos la relación R4/R3 R4/R3 tendremos una reducción en RRMC. Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación

Interferencias por RF La rectificación de señales RF es un problema que se presenta muy seguido cuando los amplificadores amplificador es de instrument i nstrumentación ación se emplean en aplicaciones aplicaciones que tienen señales señal es RF de amplitud considerable. La perturbación perturbación de RF se puede manifestar como un pequeño voltaje de offset. Para evitar esto, se tienen que filtrar las señales de alta frecuencia empleando un arreglo R-C paso bajas, el cual se tiene que poner en la entrada del amplificador de instrumentación, este filtro limitará el ancho de banda de la señal de entrada con la siguiente fórmula:

        

 

 

Donde CD ≥ 10CC

El arreglo de la entrada se muestra a continuación:

Para este caso, la frecuencia en modo diferencial es de aproximadamente 400Hz y para el modo común es de aproximadamente 40 KHz. Cabe notar que las resistencias tienen que ser lo suficientemente grandes para aislar la entrada del circuito de los capacitores, pero también no deben ser muy grandes para incrementar el ruido en el circuito. Una disparidad entre R x Cc de la entrada positiva y R x Cc de la entrada negativa degradará a la RRMC.

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Amplificador de Instrumentación

Rutas de retorno de tierra para corrientes de polarización de la entrada Las corrientes de polarización de la entrada son aquellas corrientes de CD que se emplean para polarizar los transistores de entrada de un amplificador. Por lo general, son corrientes de base en el transistor. Cuando se amplifican fuentes de entrada flotantes como es el caso de transformadores transformad ores o fuentes con acoplamiento de CA, se debe tener una ruta directa de DC en cada entrada de tal forma que la corriente de polarización pueda fluir. En el caso de puentes resistivos acoplados en CD, esta ruta por lo general no es necesaria, ya que la corriente simplemente fluye de la alimentación del puente, a través del puente y entra al amplificador. Sin embargo, si las impedancias que las dos entradas ven son grandes y difieren en un gran monto (>10 kΩ),  la corriente de offset de la etapa de entrada causará errores de CD proporcionales al voltaje de offset de entrada del amplificador. A continuación se presentan como se debe conectar una ruta de retorno a tierra para los casos de transformadores, acoplamiento capacitivo en CA y acoplamiento térmico:

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Amplificador de Instrumentación

 Aplicaciones Ganancia controlada empleando el AD624

Nuestra primera aplicación basada en el AD624 nos presenta una ganancia controlada por par de bits, con los cuales tenemos 4 ganancias disponibles: 1, 100, 200 y 500.

De esta forma mediante 2 bits de selección, activamos los relevadores, cuyos contactores hacen la conexión entre el pin 3 y los pines de selección de ganancia programada, el caso de la selección 1,1, podemos observar que no tenemos habilitada Y3, lo cual produce que nuestra selección de ganancia se quede abierta, como vimos en el documento anterior, para este caso la ganancia del AD624 es de 1.

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación

Manejo de cables Una aplicación del amplificador de instrumentación es el manejo de datos transmitido mediante cables blindados, cuya principal función es minimizar el ruido, esto nos mejora la RRMC con respecto a la frecuencia. El blindaje debe ser manejado apropiadamente, mediante un circuito llamado “Guardia Activo”, el cual está configurado para mejorar la RRMC  en CA, manteniendo las

capacitancias de los blindajes del cable de entrada en un nivel bajo y así evitar desajustes de las capacitancias capacitan cias de las entradas. El circuito propuesto se muestra a continuación.

ECG (Electro Cardiógrafo) Una de las aplicaciones más empleadas del amplificador de instrumentación es la rama biomédica, siendo el electrocardiograma una de sus aplicaciones más comunes como se muestra a continuación:

La figura anterior se basa en el amplificador de Texas Instruments INA129, con una ganancia de 10, también se tiene un guardia activo, y un circuito para el manejo de la conexión a la pierna derecha. Este último circuito amplifica la señal en modo común (en nuestro caso G = 39), la invierte y la manda de regreso al cuerpo, a través de la pierna derecha, la resistencia de 390k , limita la corriente que se manda de regreso al cuerpo, protegiendo al paciente. Un diseño más completo de un ECG se muestra a continuación:

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación

Podemos observar similitud, entre ambos ECG, aquí tenemos agregados los siguientes elementos: elementos: Un filtro RFI en la entrada del amplificador de instrumentación, diodos de protección de entrada conectados a ±5V, un filtro paso altas (capacitor de 4.7 F y la resistencia de 1M), con una frecuencia de corte de 0.033Hz, lo cual nos asegura que se elimina el voltaje de offset entre los electrodos. electrodo s. Posterior al filtro fil tro RC tenemos un amplificador con ganancia de 50, el cual nos asegura Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación un rango de salida entre 0 y 5V, para el uso del ADC. En seguida se tiene un filtro paso bajas de quinto orden tipo Bessel con una frecuencia de corte de d e 160 Hz.

Convertidor de Voltaje a Corriente Un amplificador de instrumentación puede funcionar como un convertidor de voltaje a corriente empleándolas terminales terminales de REF y SENSE como se muestra a continuación.

Conectando la terminal REF al lado de menor potencial de la resistencia de ajuste de corriente (R1), podemos definir la corriente en función del voltaje de entrada, la ganancia y el valor de R1, dado que la impedancia de entrada del amplificador A2 es alta, la gran mayoría de IL fluirá a través de la carga.

Jesús María Francisco Hernández Morales

 

Amplificador de Instrumentación

Referencias   Kitchin Charles, Counts Lew. A Designer’s Guide to Instrumentation Amplifiers 3rd Edition,

Analog Devices Inc. 2006.   Instrumentation Amplifier Application Note, AN1298.2, Intersil 2009.   Kitchin Charles. Designing Amplifier Circuits: How to Avoid Common Problems, AN937, Analog Devices Inc. 2007.   Riskin Jeffrey R. A User’s Guide To IC Instrumentation Amplifier, AN244, Analog Devices

Inc.   Wurcer Scott, Jung Walt. Instrumentation Amplifiers Solve Unusual Design Problems,

AN245, Analog Devices Inc.   Moghimi Reza. Ways to Optimize the Performance of a Difference Amplifier, AN589,

Analog Devices Inc.   AD624 Datasheet, Analog Devices Inc. 2008.   AD8223 Datasheet, Analog Devices Inc. 2008.   INA129 HT Datasheet, Texas Instruments. 2010.   INA332 Datasheet, Texas Instruments. 2009.

Jesús María Francisco Hernández Morales