Amplificador de instrumentación

Un amplificador de instrumentación (a veces abreviado como in-amp o InAmp ) es un amplificador diferencial de precisión equipado con amplificadores de búfer de entrada , lo que elimina la necesidad de adaptación de impedancia de entrada y, por lo tanto, lo hace especialmente adecuado para su uso en equipos de medición y prueba . Otras características incluyen un desplazamiento de CC muy bajo , baja deriva , bajo ruido , ganancia de lazo 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 representarse esquemáticamente como un amplificador operacional estándar (op-amp), el amplificador de instrumentación electrónico casi siempre se compone internamente de 3 op-amps. Estos se disponen de manera que uno de ellos actúa como búfer para cada entrada (+,  −) y otro produce la salida deseada con la adaptación de impedancia adecuada para la función. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Si bien el amplificador de instrumentación está optimizado para la tarea de amplificación precisa de señales de voltaje de alta impedancia, esta elección de diseño tiene un costo en flexibilidad: por lo tanto, el amplificador de instrumentación no está diseñado para realizar integración , diferenciación , rectificación ni ninguna otra función que no sea de ganancia de voltaje, las cuales se dejan mejor a los amplificadores operacionales. ^{[ 3 ]}

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${\displaystyle R_{2}}$y${\displaystyle R_{3}}$es simplemente el circuito amplificador diferencial estándar, con ganancia${\displaystyle R_{3}/R_{2}}$y resistencia de entrada diferencial${\displaystyle 2\cdot R_{2}}$Los dos amplificadores de la izquierda son los buffers. Con${\displaystyle R_{\text{ganancia}}}$Si se retiran (en circuito abierto), son simples búferes de ganancia unitaria; el circuito funcionará en ese estado, con una ganancia simplemente igual a${\displaystyle R_{3}/R_{2}}$y alta impedancia de entrada debido a los buffers. La ganancia del buffer podría incrementarse colocando resistencias entre las entradas inversoras del buffer y tierra para desviar parte de la retroalimentación negativa ; sin embargo, la resistencia única${\displaystyle R_{\text{ganancia}}}$La conexión entre las dos entradas inversoras es un método mucho más elegante: aumenta la ganancia en modo diferencial del par de buffers mientras mantiene 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 mayores sin recorte que si estuvieran separados y tuvieran la misma ganancia. Otra ventaja del método es que aumenta la ganancia usando una sola resistencia en lugar de un par, evitando así un problema de coincidencia de resistencias y permitiendo muy convenientemente cambiar la ganancia del circuito cambiando el valor de una sola resistencia. Se puede usar un conjunto de resistencias seleccionables por interruptor o incluso un potenciómetro para${\displaystyle R_{\text{ganancia}}}$, lo que permite realizar cambios sencillos en la ganancia del circuito, sin la complejidad de tener que intercambiar pares de resistencias emparejadas.

La ganancia ideal en modo común de un amplificador de instrumentación es cero. En el circuito mostrado, la ganancia en modo común se debe a un desajuste en las relaciones de resistencias.${\displaystyle R_{2}/R_{3}}$y por la discrepancia en las ganancias de modo común de los dos amplificadores operacionales de entrada. Obtener resistencias muy similares representa una dificultad significativa en la fabricación de estos circuitos, al igual que optimizar el rendimiento de modo común. ^{[ 4 ]}

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

Los amplificadores de instrumentación pueden construirse con amplificadores operacionales individuales y resistencias de precisión, pero también están disponibles en forma de circuito integrado de varios fabricantes (entre ellos Texas Instruments , Analog Devices y Renesas Electronics ). Un amplificador de instrumentación integrado suele contener resistencias ajustadas con láser y con una alta precisión, lo que proporciona una excelente supresión de modo común. Algunos ejemplos son INA128 , AD8221 , LT1167 y MAX4194 .

Los amplificadores de instrumentación también pueden diseñarse utilizando una "arquitectura de realimentación de corriente indirecta", que extiende el rango de operación de estos amplificadores al riel de alimentación negativo y, en algunos casos, al riel de alimentación positivo. Esto puede ser particularmente útil en sistemas de alimentación única, donde el riel de alimentación negativo es simplemente la tierra del circuito (GND). Ejemplos de componentes 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 red de retroalimentación externa. Esto permite reducir el número de amplificadores (uno en lugar de tres), disminuir el ruido (ya que las resistencias de retroalimentación no generan ruido térmico) y aumentar el ancho de banda (no se requiere compensación de frecuencia). Los amplificadores de instrumentación estabilizados por conmutación (o de deriva cero), como el LTC2053, utilizan una etapa de entrada conmutada para eliminar los errores de desplazamiento de CC y la deriva.

• Amplificador de aislamiento
• Aplicaciones de amplificadores operacionales

• Análisis interactivo del amplificador de instrumentación. Archivado el 12 de enero de 2019 en Wayback Machine.
• Amplificador de instrumentación Opamp. Archivado el 2 de marzo de 2011 en Wayback Machine.
• Lecciones de circuitos eléctricos — Volumen III — El amplificador de instrumentación
• Revisión práctica de amplificadores de modo común e 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 (criogénicos).