Amplificador de instrumentación

Un amplificador de instrumentación (a veces abreviado como in-amp o InAmp ) es un tipo de amplificador diferencial que ha sido equipado con amplificadores de búfer de entrada , que eliminan la necesidad de adaptación de impedancia de entrada y, por lo tanto, hacen que el amplificador sea particularmente adecuado para su uso en equipos de medición y prueba . Las características adicionales incluyen una compensación de CC muy baja, baja deriva , bajo ruido , ganancia de bucle abierto muy alta , relación de rechazo de modo común muy alta e impedancias de entrada muy altas . Los amplificadores de instrumentación se utilizan donde se requiere una gran precisión y estabilidad del circuito tanto a corto como a largo plazo.

Aunque el amplificador de instrumentación suele mostrarse esquemáticamente idéntico a un amplificador operacional estándar (op-amp), el amplificador de instrumentación electrónico casi siempre está compuesto internamente por 3 op-amps. Estos están dispuestos de manera que haya un op-amp para amortiguar cada entrada (+, −) y otro para producir la salida deseada con la impedancia adecuada para la función. ^{[1] [2]}

El circuito amplificador de instrumentación más utilizado se muestra en la figura. La ganancia del circuito es

${\displaystyle A_{v}={\frac {V_{\text{salida}}}{V_{2}-V_{1}}}=\left(1+{\frac {2R_{1}}{R_{\text{ganancia}}}}\right){\frac {R_{3}}{R_{2}}}.}$

El amplificador situado más a la derecha, junto con las resistencias etiquetadas como y es simplemente el circuito amplificador diferencial estándar, con ganancia y resistencia de entrada diferencial . Los dos amplificadores de la izquierda son los buffers. Si se eliminan (en circuito abierto), son simples buffers de ganancia unitaria; el circuito funcionará en ese estado, con una ganancia simplemente igual a y una alta impedancia de entrada debido a los buffers. La ganancia del buffer se podría aumentar colocando resistencias entre las entradas inversoras del buffer y la tierra para desviar parte de la retroalimentación negativa ; sin embargo, la resistencia única entre las dos entradas inversoras es un método mucho más elegante: aumenta la ganancia en modo diferencial del par de buffers mientras deja la ganancia en modo común igual a 1. Esto aumenta la relación de rechazo en modo común (CMRR) del circuito y también permite que los buffers manejen señales en modo común mucho más grandes sin saturación de lo que sería el caso si estuvieran separados y tuvieran la misma ganancia. Otro beneficio del método es que aumenta la ganancia utilizando una sola resistencia en lugar de un par, evitando así un problema de adaptación de resistencias y permitiendo de manera muy conveniente cambiar la ganancia del circuito modificando el valor de una sola resistencia. Se puede utilizar un conjunto de resistencias seleccionables por interruptor o incluso un potenciómetro para , lo que proporciona cambios fáciles en la ganancia del circuito, sin la complejidad de tener que cambiar pares de resistencias adaptadas.$Estilo de visualización R_{2}$$Estilo de visualización R_{3}$$Estilo de visualización R_{3}/R_{2}$${\displaystyle 2\cdot R_{2}}$${\displaystyle R_{\text{ganancia}}}$$Estilo de visualización R_{3}/R_{2}$${\displaystyle R_{\text{ganancia}}}$${\displaystyle R_{\text{ganancia}}}$

La ganancia ideal en modo común de un amplificador de instrumentación es cero. En el circuito mostrado, la ganancia en modo común es causada por la falta de coincidencia en las relaciones de resistencias y por la falta de coincidencia en las ganancias en modo común de los dos amplificadores operacionales de entrada. Obtener resistencias muy coincidentes es una dificultad significativa en la fabricación de estos circuitos, como lo es la optimización del rendimiento en modo común. ^[3]$Estilo de visualización R_{2}/R_{3}$

También se puede construir un amplificador de instrumentación con dos amplificadores operacionales para ahorrar costos, pero la ganancia debe ser mayor que dos (+6 dB). ^{[4] [5]}

Los amplificadores de instrumentación se pueden construir con amplificadores operacionales individuales y resistencias de precisión, pero también están disponibles en circuitos integrados de varios fabricantes (incluidos Texas Instruments , Analog Devices y Renesas Electronics ). Un amplificador de instrumentación de circuito integrado normalmente contiene resistencias ajustadas por láser estrechamente emparejadas y, por lo tanto, ofrece un excelente rechazo de modo común. Algunos ejemplos incluyen INA128, AD8221, LT1167 y MAX4194.

Los amplificadores de instrumentación también pueden diseñarse utilizando una "arquitectura de retroalimentación de corriente indirecta", que extiende el rango operativo de estos amplificadores al riel de alimentación de energía negativo y, en algunos casos, al riel de alimentación de energía positivo. Esto puede ser particularmente útil en sistemas de una sola fuente de alimentación, donde el riel de alimentación negativo es simplemente la tierra del circuito (GND). Ejemplos de piezas que utilizan esta arquitectura son MAX4208/MAX4209 y AD8129/AD8130 Archivado el 11 de noviembre de 2014 en Wayback Machine .

El amplificador de instrumentación sin retroalimentación es un amplificador diferencial de alta impedancia de entrada diseñado sin la red de retroalimentación externa. Esto permite reducir la cantidad de amplificadores (uno en lugar de tres), reducir el ruido (las resistencias de retroalimentación no generan ruido térmico) y aumentar el ancho de banda (no se necesita compensación de frecuencia). Los amplificadores de instrumentación estabilizados por chopper (o de deriva cero) como el LTC2053 utilizan un frontend de entrada conmutada para eliminar los errores de compensación de CC y la deriva.

• Amplificador de aislamiento
• Aplicaciones del amplificador operacional

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Amplificadores de instrumentación .

• Análisis interactivo del Amplificador de Instrumentación
• Amplificador de instrumentación Opamp Archivado el 2 de marzo de 2011 en Wayback Machine
• Lecciones de circuitos eléctricos — Volumen III — El amplificador de instrumentación
• Una revisión práctica de los amplificadores de modo común y de instrumentación Archivado el 16 de mayo de 2011 en Wayback Machine
• Soluciones, circuitos y aplicaciones de amplificadores de instrumentación
• Amplificadores diferenciales CMOS de ganancia fija sin retroalimentación externa para un amplio rango de temperaturas (criogenia)