Amplificador de instrumentacion

Subtema
Compensación de unión fría

El siguiente proyecto es un amplificador de instrumentación. Permite amplificar señales de muy baja potencia con gran exactitud. Está compuesto por tres amplificadores operacionales, dos configurados como amplificador no inversor, y uno configurado como amplificador sumador restador. El circuito es el siguiente:

Circuito amplificador de instrumentacion

La primera etapa son los amplificadores no inversores que tienen las siguientes ecuaciones de salida:

Luego estas señales de salida ingresan al amplificador sumador restador juntamente con la señal vref, las señales vo2 y la señal vref por el pin no inversor, y la señal vo1 por el pin inversor, dando como resultado la siguiente ecuación de salida:

Donde A es la ganancia que se obtiene de la primera etapa (amplificadores no inversores), y β es la ganancia que se obtiene en el amplificador sumador restador. Finalmente las ecuaciones de diseño son las siguientes:

Tenga en cuenta

- En el diseño de este amplificador se debe asumir los valores de R1 y R2. Los valores típicos de R1 están entre 25k y 50k, y los valores típicos de R2 están entre 5k y 10k.
- El valor normal de β debe estar entre 1 a 5.
- Las resistencias usadas en el circuito deben ser de precisión para minimizar errores en la señal de salida.

- Normalmente entre la señal vref y el pin vref del amplificador de instrumentación se conecta un amplificador seguidor de voltaje para que la señal vref no se distorsione.

- En caso de que la señal de entrada sea una fuente flotante, el polo positivo se debe conectar al pin v2 (+IN), y el polo negativo se debe conectar al pin v1 (-IN). Además para eliminar corriente de bias el pin v2 (+IN) se conecta a tierra.

Para entender mejor se realizarán 2 ejemplos.

Ejemplo 1. Diseñe un amplificador de instrumentación que tenga la siguiente señal de salida:

Los valores de las ganancias A y β son libres. Además suponga que v1 es una señal dc de 2mv y que v2 es una señal dc de 4mv. Realice el diseño.

Solución. La ganancia de 300 es la ganancia A multiplicada por la ganancia β. Entonces se escoge que la ganancia A sea de 60, y que la ganancia β sea de 5. Se escoge R1 de un valor de 25k y R2 de un valor de 5k. Entonces de la ecuación A se despeja Rg, tenemos entonces:

Ahora de la ecuación de β se despeja R3:

Para obtener 1 voltio de la señal de referencia vref se usara un divisor de voltaje, y se usara un amplificador seguidor de voltaje para proteger la señal. Como amplificador operacional se usara el lm324, también una fuente dual de 5 voltios. El circuito queda de la siguiente manera:

Y la simulación es la siguiente:

La linea de color amarilla es la señal v1 (2mVdc), la linea de color azul es la señal v2 (4mVdc), la linea de color rojo es la señal vref (1Vdc), y la linea de color verde es la señal de salida vout que debe ser de 1.6 voltios.

Ejemplo 2. Diseñe un amplificador de instrumentación que tenga la siguiente señal de salida:

Donde vi es una fuente flotante seno de 10mVp @ 1kHz. Se quiere además que el valor de la ganancia β sea 1 y que la ganancia A sea de 100. Realice el diseño.

Solución. Ya se conocen los valores de A y β. Se escoge R1 de un valor de 50k y R2 de un valor de 10k. Entonces de la ecuación A se despeja Rg, tenemos entonces:

Ahora de la ecuación de β se despeja R3:

Se usara el amplificador lm324. Además de una fuente dual de 5 voltios. El pin vref se conecta a tierra. Al ser una señal flotante el polo positivo se conecta a v2 (+IN), y el polo negativo se conecta a v1 (-IN), ademas el pin v2 se conecta a tierra. El circuito queda de la siguiente manera: