¿Qué es un amplificador de instrumentación y cómo funciona el AD524?

Question

¿Qué es un amplificador de instrumentación y cómo funciona el AD524?

Física
amplificador operacional
amplificador instrumental

stefano fedele

Estoy luchando con amplificadores de instrumentación. En particular, me gustaría saber

lo que define a un amplificador de instrumentación
qué tipo de configuración de circuito podría clasificarse como un amplificador de instrumentación
¿Cómo funciona un AD524?

De hecho, en primer lugar he visto el llamado INA111, cuyo circuito, disponible en su hoja de datos, se reporta en la siguiente imagen

Dónde $R_{\text{gain}}$ es una resistencia externa que se conecta a dos conductores adecuados del circuito integrado y se utiliza para ajustar la ganancia.

Más tarde me di cuenta de que incluso Wikipedia proporciona una página llamada "amplificador de instrumentación" que también muestra cierta ganancia y alguna configuración de circuito del INA111.

Así que pensé "este circuito es un amplificador de instrumentación". Pero luego me di cuenta de que algo anda mal con esto...

Por cierto, también descubrí cómo calcular su ganancia, calculando por separado cada una de sus partes, como se informa aquí.

ganancia de la "parte azul"

V_{o 1} = (1 + \frac{2 R_{1}}{R_{ganar}}) V_{1} - V_{metro} \frac{2 R_{1}}{{GRAMO}_{gramo a i norte}}

$\qquad V_{o1} = \left( 1 + \frac{2R_1}{R_{\text{gain}}} \right)V_1 - V_{m}\frac{2R_1}{G_{gain}}\\$

ganancia de "parte verde"

V_{o 2} = (1 + \frac{2 R_{1}}{R_{ganar}}) V_{2} - V_{metro} \frac{2 R_{1}}{{GRAMO}_{ganar}}

$\qquad V_{o2} = \left( 1 + \frac{2R_1}{R_{\text{gain}}} \right)V_2 - V_{m}\frac{2R_1}{G_{\text{gain}}}$

ganancia de "parte roja"

V_{+} = \frac{R_{3}}{R_{2}} V_{o 2}

$\qquad V_+ = \frac{R_3}{R_2}V_{o2}$

ganancia de "parte naranja"

V_{afuera} = (1 + \frac{R_{3}}{R_{2}}) V_{+} - V_{o 1} \frac{R_{3}}{{GRAMO}_{2}}

$\qquad V_{\text{out}} = \left( 1 + \frac{R_3}{R_2} \right)V_+ - V_{o1}\frac{R_3}{G_2}$

restando la "parte azul" con la "parte verde" y usando las otras dos ecuaciones para eliminar $V_{o1}$ y $V_{o2}$ la ganancia total que obtengo es

GRAMO = (1 + \frac{2 R_{1}}{R_{ganar}}) \frac{R_{3}}{R_{2}}

$G = \left(1 + \frac{2R_1}{R_{\text{gain}}}\right)\frac{R_3}{R_2}$

que está de acuerdo tanto con Wikipedia como con la hoja de datos INA111.

Pero luego me enfrenté al AD524, que todavía está catalogado como amplificador de instrumentación, pero su estructura interna es

No solo ya no es la configuración del circuito anterior, sino que tampoco reconozco configuraciones inversoras, no inversoras o diferenciales. No sé cómo calcular su ganancia ni tampoco sé cómo funciona. Además, no entiendo correctamente cómo conectar muchos de sus cables.

Entonces, ¿cómo entiendo su comportamiento? ¿Cómo calculo su ganancia?

keith

El primer párrafo de la entrada de wikipedia parece proporcionar una definición decente de lo que es un amplificador de instrumentos. ¿Tienes algún punto específico que te gustaría aclarar?

Pedro W.

por lo que entiendo, las características principales de un INA son: amplificador diferencial diseñado para uso cuantitativo con señales de entrada que son de bajo voltaje y alta impedancia, generalmente a frecuencias modestas . Los atributos imprescindibles: ganancia estable y controlada con precisión, el diseño permite la posibilidad de alta ganancia (a menudo 100x o más), baja compensación, buen CMRR, alta impedancia de entrada y características de ruido. Esto se puede lograr con diferentes circuitos, es decir, 2,3,4 amplificadores operacionales

stefano fedele

Según Wikipedia, un amplificador de instrumentación tiene dos amplificadores de búfer como entrada. Ahora, no me queda claro cómo ese par de opamps para cada entrada proporciona un amplificador de búfer. Además, ya se proporciona una solución para la coincidencia de impedancia mediante amplificadores operacionales simples que no invierten. Entonces, ¿por qué debería preferir un amplificador de instrumentación tan complicado que un amplificador no inversor mucho más fácil?

Pedro W.

la configuración básica del amplificador operacional no inversor no es diferencial. La configuración diferencial básica (con alta ganancia) no es de alta impedancia de entrada.

Respuestas (3)

¿Qué es un amplificador de instrumentación y cómo funciona el AD524?

El primer párrafo de la entrada de wikipedia parece proporcionar una definición decente de lo que es un amplificador de instrumentos. ¿Tienes algún punto específico que te gustaría aclarar?
por lo que entiendo, las características principales de un INA son: amplificador diferencial diseñado para uso cuantitativo con señales de entrada que son de bajo voltaje y alta impedancia, generalmente a frecuencias modestas . Los atributos imprescindibles: ganancia estable y controlada con precisión, el diseño permite la posibilidad de alta ganancia (a menudo 100x o más), baja compensación, buen CMRR, alta impedancia de entrada y características de ruido. Esto se puede lograr con diferentes circuitos, es decir, 2,3,4 amplificadores operacionales
Según Wikipedia, un amplificador de instrumentación tiene dos amplificadores de búfer como entrada. Ahora, no me queda claro cómo ese par de opamps para cada entrada proporciona un amplificador de búfer. Además, ya se proporciona una solución para la coincidencia de impedancia mediante amplificadores operacionales simples que no invierten. Entonces, ¿por qué debería preferir un amplificador de instrumentación tan complicado que un amplificador no inversor mucho más fácil?
la configuración básica del amplificador operacional no inversor no es diferencial. La configuración diferencial básica (con alta ganancia) no es de alta impedancia de entrada.

Nulo · Answer 1

Un amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial (su caja naranja) con entradas amortiguadas (sus cajas azul y verde) para lograr una mayor impedancia de entrada que un simple amplificador diferencial de amplificador operacional ¹ . Hay dos arquitecturas básicas: la de tres amplificadores operacionales que muestra y una versión de dos amplificadores operacionales (ver, por ejemplo, aquí ). Puede construir uno a partir de amplificadores operacionales discretos o usar un IC de amplificador (este último suele ser mejor). Los circuitos integrados de amplificador suelen tener una variedad de características para que sean más fáciles de usar, más precisos, etc., y el AD524 tiene varias de esas características.

El AD524 se basa en la arquitectura de tres amplificadores operacionales, pero sus entradas usan dos amplificadores operacionales cada una para lograr una doble inversión. Su hoja de datos explica por qué el "preamplificador" está diseñado de esta manera en la sección "Teoría de funcionamiento" en la página 15.

La hoja de datos también explica cómo se determina la ganancia en la sección "Ganancia" que comienza en la página 16. Puede conectar una resistencia externa a los pines RG1 y RG2 para configurar $R_{\text{gain}}$ (la hoja de datos proporciona la fórmula), o puede acortar RG2 al pin 11, 12 o 13 para establecer la ganancia en 1000, 100 o 10, respectivamente (o dejar RG2 abierto para una ganancia de 1). El último método ofrece solo opciones de ganancia limitadas, pero elimina la necesidad de una resistencia externa y es más preciso porque usa solo las resistencias internas recortadas.

Otro aspecto inusual del AD524 es el pin SENSE, que normalmente está en cortocircuito con el pin OUTPUT (la mayoría de los amplificadores lo hacen internamente), pero se puede conectar directamente a la carga para una mayor precisión. Esto se explica en la sección "Sense Terminal" en la página 18.

En resumen, es mejor leer la hoja de datos para comprender cómo funciona el amplificador de entrada.

¹ Este es un amplificador de diferencia de amplificador operacional simple, que no tiene entradas con búfer:

Las impedancias de entrada de este circuito están determinadas por las resistencias y, por lo tanto, son más bajas que la impedancia de entrada directamente en la entrada de un amplificador operacional (esta última es lo que obtienes con un amplificador de entrada).

Spehro Pefhany · Answer 2

Su disección está un poco 'apagada', las cuatro resistencias (cuadro naranja + cuadro rojo) y el amplificador operacional forman el amplificador diferencial. Cuando SENSE está conectado a la salida y REFERENCE está conectado a tierra, esa parte del AD524 es idéntica a la sección de salida del amplificador típico de 3 amplificadores, y la salida es Vin (+) - Vin (-) donde Vin (+) ) y Vin(-) son los nodos internos conectados al amplificador diferencial de salida.

Los amplificadores compuestos y el voltaje Vb que se muestra en la parte frontal están ahí para informar a las personas que entienden que los nodos internos generalmente no pueden exceder los rieles de suministro que este amplificador es un poco diferente y no se saturará bajo ciertas condiciones. En el funcionamiento normal, puede ignorar los amplificadores Vb y segundo y pensar en cada uno como un solo amplificador si observa que la señal está invertida.

La ganancia diferencial de los 2 amplificadores compuestos es similar a la del extremo frontal del amplificador de instrumentación de 3 amplificadores. La ganancia diferencial es (40K+Rg)/Rg = 40K/Rg + 1. Dado que la sección de salida es una ganancia de 1 amplificador diferencial, esa también es la ganancia de la salida.

La tolerancia de 40K es floja, +/-20%, por lo que AD proporciona algunas resistencias internas combinadas que puede usar. Están emparejados en el sentido de que la relación con las resistencias de 20K es relativamente precisa (consulte la hoja de datos para conocer las precisiones de ganancia exactas). Entonces, si tenemos 404 ohmios, la ganancia será 40404/404 ~= 100.0. Ata la resistencia deseada para ganancias de 1, 10, 100, 1000 (para una ganancia de 1 Rg se deja abierta).

Tony Estuardo EE75 · Answer 3

El AD524 conecta en cascada dos amplificadores diferenciales inversores pero con retroalimentación negativa a través de RG2 con puentes opcionales.

Por lo tanto, esto invierte las entradas -ve a entradas +ve. El segundo par está sesgado en Vin+ para que coincida con la salida Vcm del primer par.

Por lo tanto, la ganancia se define como (20k+20k)/Rg +1, por lo que la apertura es una ganancia unitaria y Rg=40 es una ganancia de 1001. Pero probablemente esté recortada con láser a ~39,99 ohmios.

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stefano fedele

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Pedro W.

stefano fedele

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Nulo

Spehro Pefhany

Tony Estuardo EE75

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