- ¿Qué es un amplificador de instrumentación IC?
- Comprensión del amplificador de instrumentación
- Diferencia entre amplificador diferencial y amplificador de instrumentación
- Amplificador de instrumentación con amplificador operacional (LM358)
- Simulación de amplificador de instrumentación
- Prueba del circuito del amplificador de instrumentación en hardware
Casi todos los tipos de sensores y transductores convierten parámetros del mundo real como luz, temperatura, peso, etc. en valores de voltaje para que nuestros sistemas electrónicos los comprendan. La variación en este nivel de voltaje nos ayudará a analizar / medir los parámetros del mundo real, pero en algunas aplicaciones como los sensores biomédicos esta variación es muy pequeña (señales de bajo nivel) y es muy importante hacer un seguimiento de incluso la variación mínima para obtener datos fiables. En estas aplicaciones se utiliza un amplificador de instrumentación.
Un amplificador de instrumentación también conocido como INO o in-amps, como su nombre indica, amplifica la variación de voltaje y proporciona una salida diferencial como cualquier otro amplificador operacional. Pero a diferencia de un amplificador normal, los amplificadores de instrumentación tendrán una alta impedancia de entrada con una buena ganancia al tiempo que brindan rechazo de ruido en modo común con entradas totalmente diferenciales. Está bien si no lo obtiene ahora, en este artículo aprenderemos sobre estos amplificadores de instrumentación y, dado que estos circuitos integrados son relativamente caros que los amplificadores operacionales, también aprenderemos cómo usar amplificadores operacionales normales como LM385 o LM324 para construir un Amplificador de instrumentación y utilícelo para nuestras aplicaciones. Los amplificadores operacionales también se pueden usar para construir un sumador de voltaje y un circuito de restador de voltaje.
¿Qué es un amplificador de instrumentación IC?
Aparte de los amplificadores operacionales IC normales, tenemos algunos tipos especiales de amplificadores para amplificadores de instrumentación como INA114 IC. No es más que unos pocos amplificadores operacionales normales combinados para ciertas aplicaciones específicas. Para entender más sobre esto, miremos en la hoja de datos del INA114 su diagrama de circuito interno.
Como puede ver, el IC toma dos voltajes de señal V IN - y V IN +, considerámoslos como V1 y V2 a partir de ahora para facilitar la comprensión. El voltaje de salida (V O) se puede calcular usando las fórmulas
V O = G (V2 - V1)
Donde, G es la ganancia del amplificador operacional y se puede configurar usando la resistencia externa R G y calcularse usando las fórmulas siguientes
G = 1+ (50 k Ω / RG)
Nota: El valor de 50 k ohmios es aplicable solo para el IC INA114 ya que usa resistencias de 25 k (25 + 25 = 50). Puede calcular el valor para otros circuitos respectivamente.
Entonces, básicamente, si lo mira, un In-amp solo proporciona la diferencia entre dos fuentes de voltaje con una ganancia que puede establecerse mediante una resistencia externa. ¿Te suena familiar? Si no, eche un vistazo al diseño del amplificador diferencial y regrese.
¡Sí! Esto es exactamente lo que hace un amplificador diferencial y si lo miras más de cerca, incluso puedes encontrar que el amplificador operacional A3 en la imagen de arriba no es más que un circuito amplificador diferencial. Entonces, en términos simples, un amplificador de instrumentación es otro tipo de amplificador diferencial pero con más ventajas como alta impedancia de entrada y fácil control de ganancia, etc. Estas ventajas se deben a los otros dos amplificadores operacionales (A2 y A1) en el diseño, aprenderemos más sobre esto en el siguiente título.
Comprensión del amplificador de instrumentación
Para comprender completamente el amplificador de instrumentación, descompongamos la imagen de arriba en bloques significativos como se muestra a continuación.
Como puede ver, el In-Amp es solo una combinación de dos circuitos de amplificador operacional Buffer y un circuito de amplificador operacional diferencial. Hemos aprendido sobre el diseño de ambos amplificadores operacionales individualmente, ahora veremos cómo se combinan para formar un amplificador operacional diferencial.
Diferencia entre amplificador diferencial y amplificador de instrumentación
Ya hemos aprendido a diseñar y utilizar un amplificador diferencial en nuestro artículo anterior. Una desventaja considerable del amplificador diferencial es que tiene una impedancia de entrada muy baja debido a las resistencias de entrada y tiene un CMRR muy bajo debido a la alta ganancia de modo común. Estos se superarán en un amplificador de instrumentación debido al circuito de búfer.
También en un amplificador diferencial necesitamos cambiar muchas resistencias para cambiar el valor de ganancia del amplificador, pero en un amplificador diferencial podemos controlar la ganancia simplemente ajustando un valor de resistencia.
Amplificador de instrumentación con amplificador operacional (LM358)
Ahora construyamos un amplificador de instrumentación práctico usando amplificador operacional y verifiquemos cómo funciona. El circuito amplificador de instrumentación del amplificador operacional que estoy usando se muestra a continuación.
El circuito requiere tres amplificadores operacionales en total; He utilizado dos circuitos integrados LM358. El LM358 es un amplificador operacional de paquete doble, es decir, tiene dos amplificadores operacionales en un solo paquete, por lo que necesitamos dos de ellos para nuestro circuito. De manera similar, también puede usar tres amplificadores operacionales LM741 de paquete único o un amplificador operacional LM324 de paquete cuádruple.
En el circuito anterior, el amplificador operacional U1: A y U1: B actúa como un búfer de voltaje, lo que ayuda a lograr una alta impedancia de entrada. El amplificador operacional U2: A actúa como un amplificador operacional diferencial. Dado que todas las resistencias del amplificador operacional diferencial son 10k, actúa como un amplificador diferencial de ganancia unitaria, lo que significa que el voltaje de salida será la diferencia de voltaje entre el pin 3 y el pin 2 de U2: A.
El voltaje de salida del circuito amplificador de instrumentación se puede calcular utilizando las fórmulas siguientes.
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))
Donde, R = Valor de resistencia del circuito. Aquí R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 que es 10k
Rg = Resistencia de ganancia. Aquí Rg = R1 que es 22k.
Entonces, el valor de R y Rg decide la ganancia del amplificador. El valor de la ganancia se puede calcular mediante
Ganancia = (1+ (2R / Rg))
Simulación de amplificador de instrumentación
El circuito anterior cuando se simula da los siguientes resultados.
Como puede ver, los voltajes de entrada V1 son 2.8V y V2 son 3.3V. El valor de R es 10k y el valor de Rg es 22k. Poner todos estos valores en las fórmulas anteriores
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3.3-2.8) (1+ (2x10 / 22)) = (0.5) * (1.9) = 0.95V
Obtenemos que el valor del voltaje de salida sea 0,95 V, lo que coincide con la simulación anterior. Entonces, la ganancia del circuito anterior es 1.9 y la diferencia de voltaje es 0.5V. Entonces, este circuito básicamente medirá la diferencia entre los voltajes de entrada y la multiplicará por la ganancia y la producirá como voltaje de salida.
También puede notar que el voltaje de entrada V1 y V2 aparece a través de la resistencia Rg, esto se debe a la retroalimentación negativa del amplificador operacional U1: A y U1: B. Esto asegura que la caída de voltaje en Rg sea igual a la diferencia de voltaje entre V1 y V2, lo que hace que fluya una cantidad igual de corriente a través de las resistencias R5 y R6, lo que hace que el voltaje en el pin 3 y el pin 2 sea igual en el amplificador operacional U2: A. Si mide el voltaje antes que las resistencias, puede ver el voltaje de salida real del amplificador operacional U1: A y U1: B, cuya diferencia será igual al voltaje de salida como se muestra arriba en la simulación.
Prueba del circuito del amplificador de instrumentación en hardware
Suficiente teoría permite construir el mismo circuito en una placa de pruebas y medir los niveles de voltaje. Mi configuración de conexión se muestra a continuación.
He usado la fuente de alimentación de la placa de pruebas que construimos anteriormente. Esta placa podría entregar tanto 5V como 3.3V. Estoy usando el riel de 5V para alimentar mis dos amplificadores operacionales y el 3.3V como voltaje de entrada de señal V2. El otro voltaje de entrada V2 se establece en 2.8V usando mi RPS. Como también he usado una resistencia de 10k para R y una resistencia de 22k para R1, la ganancia del circuito será 1.9. La diferencia de voltaje es 0.5V y la ganancia es 1.9, producto de lo cual nos dará 0.95V como voltaje de salida que se mide y se muestra en la imagen usando un multímetro. El funcionamiento completo del circuito amplificador de instrumentación se muestra en el video vinculado a continuación.
De manera similar, puede cambiar el valor de R1 para establecer la ganancia según sea necesario utilizando las fórmulas mencionadas anteriormente. Dado que la ganancia de este amplificador se puede controlar muy fácilmente con una sola resistencia, a menudo se usa en el control de volumen para circuitos de audio.
Espero que hayas entendido el circuito y hayas disfrutado aprendiendo algo útil. Si tiene alguna pregunta, déjela en la sección de comentarios a continuación o use el foro para una respuesta más rápida.