Amplificador de Instrumentación en modo diferencial HETPRO TUTORIAL

El amplificador de instrumentación, es un amplificador operacional en modo diferencial con ganancia controlada. La ventaja de este arreglo se resume en un alta impedancia de entrada y un control de ganancia simplificado. La desventaja del otras configuraciones, como la del amplificador diferencial, es que la impedancia depende de una de las resistencias de la entrada. La impedancia es la del amplificador operacional, que en un caso ideal tienda a ser infinita. En la etapa de ganancia, en el modo diferencial se tiene que mantener la relación entre R4/R3 igual a la de R2/R1 para mantener la ganancia ajustada. En el de instrumentación solo depende de una resistencia.

A continuación podemos ver el arreglo de una configuración con amplificadores operacionales, de el amplificador de instrumentación.

Amplificador de instrumentacion — Figura 1: Amplificador de instrumentación.

Análisis de el amplificador de instrumentación

En primer lugar, tenemos que recordar que los voltajes en las entradas de un amplificador operacional se igualan. Esto es que el voltaje en las entradas inversoras (para este caso) es el mismo que el voltaje en las entradas no inversoras. Es por esto, que podemos determinar que la corriente que fluye en la resistencia R1 es la diferencia de estos voltajes sobre el valor de la resistencia.

$i_1=\frac{v_1-v_2}{R_1}$

Cabe señalar que, la corriente depende de que potencial sea mayor en este caso. Para la corriente en las resistencias marcadas como R2, en este caso como siguen en la misma linea, son iguales a la corriente que esta en R1. Por lo tanto el voltaje de salida de los primeros dos amplificadores operacionales se puede tomar como el voltaje de entrada de un amplificador diferencial convencional. Realizando los calculos algebraicos tenemos que el voltaje de salida es:

$v_O=\frac{R_4}{R_3}\left(1+\frac{2R_2}{R_1}\right)(v_2-v_1)$

Una ecuación comúnmente utilizada y simplificada, asume que todas las resistencias tienen exactamente el mismo valor menos R1. R1 es la encargada de realizar la amplificación o ganancia. Si tomamos esta condición y tenemos la siguiente expresión:

$a=\frac{R_1}{R_x}=\frac{aR}{R}$

En donde:

$R=R_x=R_2=R_3=R_4=R_5=R_6=R_7$

Por lo tanto podemos reescribir la relación de voltaje de salida como sigue:

$v_O=\left(1+\frac{2}{a}\right)(v_2-v_1)$

En algunos casos, R1 se le conoce también como Rg.

Ejemplo de amplificador de instrumentación

Ejemplo 1: determinar la ganancia de voltaje para un amplificador que tiene una R1 o Rg de 10K Ohms y R de 2.7K Ohms.

Para este ejemplo requerimos de la formula siguiente:

$a=\frac{R_1}{R_x}=\frac{10 K\Omega}{2.7 K\Omega}=3.7$

Con esto podemos determinar la ganancia de voltaje como la relación de la salida respecto a la entrada, por lo tando tenemos que:

$\frac{V_O}{v_2-v_1}=1+\frac{2}{a}= 1+\frac{2}{3.7}=1.54$

Ejemplo 2: Suponga que la entrada en el canal v1 es de GND y el v2 es de 1.2 V. ¿Cual seria el voltaje de salida?

Para este caso como ya tenemos la ganancia de 1.54 solo es aplicarla en la ecuación del voltaje de salida, lo que nos quedaría:

$v_O=1.54(1.2V-0V)=1.84V$

Ejemplo 3: Simule un sistema con una a de 4.

Etapas de un amplificador de instrumentación

Primero tenemos que para querer incrementar la impedancia de entrada, necesitamos dos seguidores de voltaje. Estos se conectan a los voltajes de entrada y su salida se conecta a una carga. El voltaje a la salida es diferencial en función de la siguiente expresión.

$v_O=v_2-v_1$

Seguidor no inversor amplificador — Figura 3: Ajuste de incremento de impedancias con un seguidor no inversor en cada entrada.

Posteriormente, se ponen 3 resistencias para controlar la etapa de ganancia. Nótese que el nodo que conecta las entradas inversoras tiene el mismo valor de voltaje que las entradas no inversoras. Por lo que el R funge como retroalimentación y aR como la que va a la referencia. La dirección de la corriente que fluye a través de aR depende de que voltaje sea mayor. El voltaje a la salida, sigue siendo diferencial, solo que ya con un valor de ganancia.

$v_O=\left(1+\frac{2}{a}\right)(v_2-v_1)$

Por último lo único que se necesita es pasar de un voltaje flotante, en este caso la salida a un voltaje con referencia a GND. para esto ponemos un amplificador diferencial convencional y terminamos con la configuración clásica de un amplificador de instrumentación.

Figura 5: Construcción de un amplificador de instrumentación.

ATENCIÓN

Te recordamos visitar nuestros tutoriales relacionados con los amplificadores operaciones y otros de temas de electrónica, como: LM35, LM317, Transistor BJT corte y saturación en emisor común, RFID RC522, Sensor de Luz, Puente de Wheatstone y más.

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Autor: Dr: Hector Hugo Torres Ortega

3 comentarios en «Amplificador de Instrumentación»

MOISES CID dice:
julio 16, 2019 a las 3:37 am
para el caso del puente de wheatstone como debo conectar VG en la placa del arduino , entendiendo que el puente esta alimentado con vcc y gnd.
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1. Dr Hector Torres dice:
  febrero 6, 2020 a las 9:31 pm
  Vg que es el voltaje intermedio del puente corresponde a las terminales V1 y V2 en el de instrumentación.
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Gregorio José Añez Vargas dice:
agosto 26, 2020 a las 1:14 pm
Buenos días, Muy buena presentación, es un explicación puntual y precisa
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