1

1

Amplificadores utilizados en instrumentación.

2

Amplificador diferencial.

• Señales unipolares: Se miden entre un terminal y otro de referencia.

• Señales bipolares o diferenciales: Aparecen entre dos terminales que son independientes del terminal de referencia.

Las señales unipolares se pueden amplificar mediante un amplificador operacional en un montaje básico.

Cuando la señal es diferencial, el amplificador también debe serlo.

2

3

2

2

1

21

R

VV

R

VE s

43

422 RR

REV

1

21

1

2

43

42 1

R

RE

R

R

RR

REVs

R4

R1

R2

R3

E1

E2 V2

Vs

Considerando ideal el amplificador operacional:

4

E2 E1

E2

E1

+

-

+

-

Ed/2

Ed/2

E2

E1

Emc +

-

12

21

2EEEd

EEEmc

2

2

1

2

EdEmcE

EdEmcE

3

5

Dos tensiones se pueden expresar en dos componentes:

• Tensión o componente diferencial: diferencia entre las dos tensiones.

• Tensión o componente de modo común: se define como la tensión sobre común de cada entrada cuando ambas entradas están al mismo potencial.

+

-

+

-

Ed/2

Ed/2

E2

E1

Emc +

-

6

A V

Ro

Ro Ro

Ro(1+x)

B

VxVV

x

xV

V

x

xV

xRoRo

xRoVV

VV

AB

B

A

)2(22)2(

)1(

)1(

)1(2

ΔVx

VA

B

A

4

7

1

21

1

2

43

42 1

R

RE

R

R

RR

REVs

2

2

1

2

EdEmcE

EdEmcE

ddmcmcs GEGEV

)( 431

3241

0RRR

RRRR

E

VG

Edmc

smc

1

2

1

2

43

4

0

12

1

R

R

R

R

RR

R

E

VG

Emcd

sd

kR

R

R

RSi

1

2

3

4

kG

G

d

mc

0

ds EkV

Si el ajuste no es perfecto → CMRR (Common-mode rejection ratio)

mc

d

G

GCMRR

Normalmente se expresa en dB.

8

El ajuste de ganancia y el comportamiento de modo común dependen de las mismas resistencias.

Si consideramos que el amplificador operacional no es ideal tendrá su propio CMRR. Si tenemos en cuenta ambos CMRR se obtiene la siguiente expresión para el conjunto:

AoRTOTAL CMRRCMRRCMRR

111

El CMRRR representa el CMRR debido a las resistencias (A. operacional ideal) y CMRRAo el correspondiente al amplificador sólo.

5

9

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION:

Se denomina así a todo circuito que reúna simultáneamente:

• Alta impedancia de entrada.

• Alto rechazo al modo común.

• Ganancia estable sin que se contrapongan directamente ganancia y ancho de banda (como sucede en un A. operacional).

• Tensiones y corrientes de offset reducidas y con pequeñas derivas.

• Impedancia de salida baja.

10

Amplificador de instrumentación basado en dos A. operacionales:

R2 R4 R3

Vs

R1

Rg

E1 E2

VA VS1 VB

gS R

EE

RRERV 12

43131

11

2

2

1

2

EdEmcE

EdEmcE

ddmcmcs GEGEV

41

3241

RR

RRRRGmc

41

3

211

312 22

111

RR

R

RRR

RR

RRG

gd

6

11

kR

R

R

RSi

1

2

3

4

gd

mc

R

RRkG

G

421

0

2 41s d

g

R RV k E

R

El ajuste de ganancia y el comportamiento de modo común son ahora independientes.

gS R

EE

RRERV 12

43131

11

2

2

1

2

EdEmcE

EdEmcE

d

gmcS E

R

R

R

RE

R

RV

4

33

4

31 1

2

11

El primer amplificador amplifica la componente de modo común, pudiendo llevarlo a saturación y esto limita el rango de tensiones en modo común que pueden aplicarse al conjunto, que puede ser, en ocasiones, pobre.

12

Amplificador de instrumentación basado en tres A. operacionales:

Igualando corrientes en R1 y R2:2

12

2

11 1

R

RE

R

REVA

Igualando corrientes en R2 y R3:2

31

2

32 1

R

RE

R

REVB

R4

Vs

E1

E2 VB

R1

R2

R3

VA

R5

R7 R6

VC

7

13

Igualando corrientes en R4 y R5:

4

5

4

5 1R

RV

R

RVV CAs

Como:76

7

RR

RVV BC

Sustituyendo y operando:

2

2

1

2

EdEmcE

EdEmcE

ddmcmcs GEGEV

7

6

74

65

1

1

RRRRRR

Gmc

2

1

1

1

2

1

2

3

76

45

2

1

4

5

R

R

RR

RR

R

R

R

RGd

14

kR

R

R

RSi

6

7

4

5

1

0

2

3

2

1

R

R

R

RkG

G

d

mc

Designando:

2

2

1

2

EdEmcE

EdEmcE

12

12

GE

EV

GE

EV

dmcB

dmcA

2

3

2

1 22

R

R

R

RG 1 GkGd

2

12

2

11 1

R

RE

R

REVA

2

31

2

32 1

R

RE

R

REVB

8

15

El ajuste de ganancia y el comportamiento de modo común son nuevamente independientes.

Los amplificadores de la primera etapa no amplifican la componente de modo común, por lo que el rango de tensiones en modo común que pueden aplicarse al conjunto es más amplio.

12

12

GE

EV

GE

EV

dmcB

dmcA

1 GkGd

Normalmente k=1 y toda la ganancia se concentra en la primera etapa mejorando el CMRR

16

Características de los amplificadores de instrumentación:

Similares a las que caracterizan a los amplificadores operacionales.

• Tensión de offset: Concepto similar a los A. operacionales. Pude expresarse como RTI (Referred to input) o RTO (Referred to output). En el segundo caso el valor es directamente la desviación de la tensión de salida mientras que, en el primero, su valor multiplicado por la ganancia nos dará el efecto en la salida.

Como la mayoría de los amplificadores de instrumentación constan de dos etapas, la de entrada con ganancia variable y la de salida con ganancia fija (normalmente unitaria), la tensión de offset tiene dos componentes, introducidas por cada etapa:

Si denominamos V1 y Vo a las tensiones de offset de cada una de las dos etapas y G a laganancia del amplificador:

0( ) 1 ( ) 1 0;OS RTI OS RTO

VE V E VG V

G

• Deriva térmica de la tensión de offset (Offset voltage drift): Derivando y considerando G constante,

dT

dV

GdT

dV

dT

dE RTIOS 01)( 1

9

17

Amplificador de aislamiento:

Necesidad y/o conveniencia del aislamiento:

1. Elementos del sistema que están conectados con cableados largos:

• Posibilidad de acoplamientos por impedancia común.

• Posibilidad de acoplamiento capacitivo o inductivo en ambientesindustriales.

Fuente de alimentación

Amplificador Sensor

Otros circuitos

Otros acoplamientos

18

Vd

Vm Vi

Vi : Señal de interferencia en modo común.

2. Derivaciones, sobretensiones, fluctuaciones que pueden dañar a usuarios, pacientes (electromedicina) o equipos.

Conviene introducir una barrera de aislamiento que consiste en la interrupción de la continuidad óhmica en algún punto de la cadena de medida.

10

19

El aislamiento debe aplicarse no sólo a la señal que se desea proteger de las interferencias sino también a la alimentación.

Alimentación aislada

Circuito 1

Alimentación no aislada

Circuito 2

Red

20

Amplificadores de aislamiento con acoplamiento magnético:

11

21

Oscilador

MOD A1

T2

DEMOD.FILTRO

A2

Alimentación:

Señal:

22

+ V MOD A1

T2

DEMOD. FILTRO

A2

- V

T1

OSC.

Vcc ent RECT. + FILTRO

+ Vo

COM. - Vo

12

23

En los amplificadores de aislamiento los terminales de referencia de la entrada y la salida son diferentes. Hay amplificadores en los que, además, el terminal de referencia de la alimentación es también independiente de los terminales de referencia de la entrada y de la salida.

Se denominan amplificadores de aislamiento de dos y tres puertos respectivamente.

24

+ V MOD A1

T2

DEMOD. FILTRO

A2

- V

T1

OSC.

Vcc ent RECT. + FILTRO

+ Vo

COM. - Vo

Amplificadores de aislamiento de dos puertos:

13

25

+ V MOD A1

T2

DEMOD. FILTRO

A2

- V

T1 OSC.

Vcc ent

RECT. + FILTRO

+ Vo

COM. - Vo

COM.

Amplificadores de aislamiento de tres puertos:

26

MOD A1

T2

DEMOD. FILTRO

A2

T1

OSC.

Vcc ent

RECT. + FILTRO

+ Vo

COM. - Vo

COM. RECT. + FILTRO

Amplificadores de aislamiento de tres puertos:

14

27

Amplificadores de aislamiento con acoplamiento óptico:

28

IF IP

IF IP η (IF, T, t) K R

• η: Eficiencia cuántica del emisor, definida como fotones emitidos por electrón de la corriente de entrada, depende de IF, de la temperatura y el tiempo.• K: Factor de transmisión de la vía óptica, generalmente considerado como constante.• R: Respuesta del foto receptor, definida como electrones de salida por fotón. También prácticamente constante.

15

29

30

La relación entre las corrientes de salida y entrada es CTR (Current transfer ratio):

Relación no lineal.

RKtTII

ICTR F

F

p ),,(

F

DF I

ItTICTR 1

1 ),,(

22 ( , , ) D

FF

ICTR I T t

I

ctetTICTR

tTICTR

I

I

I

I

F

F

D

D

i

o ),,(

),,(

1

2

1

2

Ii Io +

- ID1 ID2 IF

16

31

ISO 100:

32

Funcionamiento unipolar:

in

FinFDo

F

F

D

D

in

out

R

RVRIV

tTICTR

tTICTR

I

I

I

I 2

1

2

1

2 1),,(

),,(F

DF I

ItTICTR 1

1 ),,(

22 ( , , ) D

FF

ICTR I T t

I

17

33

Funcionamiento bipolar:

FOutoDREFoutDREFin RIVIIIIII ;; 2211

00;0 1222211 oREFREFDREFoutDREFDin VIIIIIIIII

in

FinoininREFREFDREFoutDREFinDin R

RVVIIIIIIIIIIII 1222211 ;0

34

Amplificadores de aislamiento de acoplamiento capacitivo:

La señal de salida de un oscilador interno se modula mediante la señal de entrada y se transfiere a través del condensador, que establece la barrera de aislamiento, al circuito de salida donde se demodula y se filtra.

18

35

Características de los amplificadores de aislamiento:

Similares a las que caracterizan a los amplificadores de instrumentación y operacionales.

• IMRR (Isolation mode rejection ratio): Concepto similar a CMRR pero para el modo de aislamiento.

VD

Vmc Viso

Vo

IMRR

V

CMRR

VVGV isomcDo

VD

Vmc/CMRR

Viso/IMRR Vo