Circuit amplificador d’instrumentació mitjançant op

Gairebé tot tipus de sensors i transductors converteixen paràmetres del món real com la llum, la temperatura, el pes, etc. en valors de tensió perquè els nostres sistemes electrònics entenguin. La variació d’aquest nivell de tensió ens ajudarà a analitzar / mesurar els paràmetres del món real, però en algunes aplicacions com els sensors biomèdics aquesta variació és molt petita (senyals de baix nivell) i és molt important fer un seguiment fins i tot obtenir dades fiables. En aquestes aplicacions s’utilitza un amplificador d’instrumentació.

Un amplificador d’instrumentació també conegut com INO o in-amps, tal com el seu nom indica, amplifica la variació de la tensió i proporciona una sortida diferencial com qualsevol altre amplificador operatiu. Però, a diferència d’un amplificador normal, els amplificadors d’instrumentació tindran una impedància d’entrada elevada amb un bon guany mentre proporcionen un rebuig de soroll en mode comú amb entrades totalment diferencials. Està bé si no l’obtingueu ara, en aquest article coneixerem aquests amplificadors d’instrumentació i, atès que aquests IC són relativament cars que els amplificadors d’Op, també aprendrem a utilitzar amplificadors d’Op normals com LM385 o LM324 per construir un Amplificador d’instrumentació i utilitzeu-lo per a les nostres aplicacions. Els amplificadors opcionals també es poden utilitzar per construir circuits de sumador de tensió i de subtraïdor de tensió.

Què és un CI d'amplificador d'instrumentació?

A part dels IC d'amplificadors operatius normals, disposem d'algun tipus especial d'amplificadors per a amplificadors d'instrumentació com INA114 IC. No són res més que pocs amplificadors operatius normals combinats per a determinades aplicacions específiques. Per obtenir més informació sobre això, consulteu el full de dades de l'INA114 per al seu diagrama de circuits interns.

Com podeu veure, l'IC pren dos voltatges de senyal V _IN - i V _IN +, considerem-los com a V1 i V2 a partir d'ara per facilitar la comprensió. El voltatge de sortida (V _O) es pot calcular mitjançant les fórmules

V _O = G (V2 - V1)

On, G és el guany de l'amplificador operacional i es pot configurar utilitzant la resistència externa R _G i calcular-lo mitjançant les fórmules següents

G = 1+ (50k Ω / RG)

Nota: el valor de 50 k ohm només s’aplica a l’INA114 IC ja que utilitza resistències de 25 k (25 + 25 = 50). Podeu calcular el valor d'altres circuits respectivament.

Per tant, bàsicament ara, si ho mireu, un amplificador només proporciona la diferència entre dues fonts de voltatge amb un guany que pot configurar una resistència externa. Us sona familiar? Si no, mireu el disseny de l’amplificador diferencial i torneu-hi.

Sí !, això és exactament el que fa un amplificador diferencial i, si ens fixem amb més atenció, fins i tot es pot trobar que l’ampli operatiu A3 de la imatge anterior no és més que un circuit d’amplificador diferencial. Així, en termes simples, un amplificador d’instrumentació és un altre tipus d’amplificador diferencial, però amb més avantatges, com ara una alta impedància d’entrada i un control de guany fàcil, etc. en coneixerem més a la propera capçalera.

Comprensió de l'amplificador d'instrumentació

Per entendre completament l'amplificador d'instrumentació, desglossem la imatge anterior en blocs significatius com es mostra a continuació.

Com podeu veure, l'In-Amp és només una combinació de dos circuits d'amplificador operatiu Buffer i un circuit diferencial d'ampli operatiu. Hem conegut aquests dos dissenys d'amplificador operatiu de manera individual, ara veurem com es combinen per formar un amplificador operatiu diferencial.

Diferència entre l'amplificador diferencial i l'amplificador d'instrumentació

Ja hem après a dissenyar i utilitzar un amplificador diferencial al nostre article anterior. Pocs desavantatges considerables de l'amplificador diferencial és que té una impedància d'entrada molt baixa a causa de les resistències d'entrada i que té un CMRR molt baix a causa de l'alt guany de mode comú. Aquests es superaran en un amplificador d'instrumentació a causa del circuit de memòria intermèdia.

També en un amplificador diferencial hem de canviar moltes resistències per canviar el valor de guany de l'amplificador, però en un amplificador diferencial podem controlar el guany simplement ajustant un valor de resistència.

Amplificador d'instrumentació amb amplificador Op (LM358)

Ara creem un pràctic amplificador d'instrumentació amb amplificador operatiu i comprovem el seu funcionament. A continuació es mostra el circuit amplificador d’instrumentació d’amplificador operatiu que estic fent servir.

El circuit requereix tres amplificadors operatius junts; He utilitzat dos circuits integrats LM358. El LM358 és un amplificador operatiu de doble paquet, és a dir, que té dos amplificadors operatius en un paquet, de manera que en necessitem dos per al nostre circuit. De la mateixa manera, també podeu utilitzar tres amplificadors operatius LM741 amb un paquet únic o un amplificador operatiu LM324 amb quatre paquets.

En el circuit anterior, l’ampli operatiu U1: A i U1: B actua com a memòria intermèdia de tensió, cosa que ajuda a aconseguir una impedància d’entrada elevada. L’amplificador opcional U2: A actua com un amplificador opcional diferencial. Com que totes les resistències de l'ampli operatiu diferencial són 10k, actua com un amplificador diferencial de guany d'unitat, la qual cosa significa que la tensió de sortida serà la diferència de voltatge entre el pin 3 i el pin 2 d'U2: A.

El voltatge de sortida del circuit amplificador d’instrumentació es pot calcular mitjançant les fórmules següents.

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))

On, R = valor de la resistència del circuit. Aquí R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 que és 10k

Rg = Resistència de guany. Aquí Rg = R1, que és 22k.

Per tant, el valor de R i Rg decideix el guany de l'amplificador. El valor del guany es pot calcular mitjançant

Guany = (1+ (2R / Rg))

Simulació d'amplificadors d'instrumentació

Quan es simula el circuit anterior, es donen els següents resultats.

Com podeu veure, les tensions d’entrada V1 són 2,8V i V2 són 3,3V. El valor de R és 10k i el valor de Rg és 22k. Posant tots aquests valors a les fórmules anteriors

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3.3-2.8) (1+ (2x10 / 22)) = (0.5) * (1.9) = 0.95V

Aconseguim que el valor del voltatge de sortida sigui de 0,95 V, que coincideix amb la simulació anterior. Per tant, el guany del circuit anterior és d’1,9 i la diferència de tensió és de 0,5 V. Per tant, aquest circuit bàsicament mesurarà la diferència entre les tensions d’entrada i el multiplicarà amb el guany i el produirà com a tensió de sortida.

També podeu notar que la tensió d’entrada V1 i V2 apareix a través de la resistència Rg, això es deu a la retroalimentació negativa de l’amplificador O1: A i U1: B. Això garanteix que la caiguda de tensió a través de Rg sigui igual a la diferència de tensió entre V1 i V2, la qual cosa fa que la mateixa quantitat de corrent flueixi a través de les resistències R5 i R6, fent que la tensió del pin 3 i el pin 2 sigui igual a l’ampli operatiu U2: A. Si mesureu la tensió abans que les resistències, podreu veure la tensió de sortida real de l’ampli operatiu U1: A i U1: B, la diferència de la qual serà igual a la tensió de sortida tal com es mostra a la simulació.

Prova del circuit d'amplificació d'instrumentació al maquinari

Enough Theory permet construir el mateix circuit en una placa de mesura i mesurar els nivells de voltatge. La configuració de la meva connexió es mostra a continuació.

He utilitzat la font d'alimentació de la placa de configuració que vam construir anteriorment. Aquesta placa podria proporcionar tant 5V com 3,3V. Estic fent servir el carril de 5 V per alimentar els meus amplificadors operatius i el 3,3 V com a tensió d’entrada de senyal V2. L’altre voltatge d’entrada V2 s’estableix a 2,8 V mitjançant el meu RPS. Com que també he utilitzat una resistència de 10k per a R i una resistència de 22k per a R1, el guany del circuit serà d’1,9. La diferència de voltatge és de 0,5 V i el guany és d’1,9, dels quals ens donarà 0,95 V com a tensió de sortida que es mesura i es mostra a la imatge mitjançant un multímetre. El funcionament complet del circuit amplificador d'instrumentació es mostra al vídeo enllaçat a continuació.

De la mateixa manera, podeu canviar el valor de R1 per establir el guany segons sigui necessari mitjançant les fórmules comentades anteriorment. Atès que el guany d'aquest amplificador es pot controlar molt fàcilment mitjançant una sola resistència, s'utilitza sovint en el control de volum per a circuits d'àudio.

Espero que hagueu entès el circuit i us hagi agradat aprendre alguna cosa útil. Si teniu alguna pregunta, deixeu-los a la secció de comentaris o utilitzeu el fòrum per obtenir una resposta més ràpida.