Los amplificadores de instrumentación (en amperios) son amplificadores de propósito especial diseñados para extraer pequeñas señales diferenciales mientras rechazan grandes señales de modo común. En este artículo, examinaremos un sistema de medición de puente para mostrar por qué un amplificador de entrada debe tener un alto rechazo de modo común para extraer con éxito una pequeña señal diferencial.
También veremos un tipo especial de amplificadores diferenciales llamados amplificadores diferenciales. Estos amplificadores ofrecen un rechazo de modo común muy alto y se emplean en muchos de los circuitos integrados de amplificador actuales. En el próximo artículo, veremos que además de tener un alto rechazo de modo común, los amplificadores de entrada deben proporcionar impedancias de entrada altas e iguales.
Sistema de medición de puentes: una aplicación típica en amplificador
Índice
Considere el sistema de medición de puentes que se muestra a continuación.
Figura 1. Un circuito de sistema de medición de puente
En este caso, dependiendo del parámetro físico que se esté midiendo, la resistencia R4 cambia y provoca una diferencia de voltaje entre los nodos A y B.
La etapa de amplificación debe convertir la diferencia de voltaje del puente (comúnmente en el rango de 0-20 mV) en un voltaje en el rango de entrada del convertidor A / D (a menudo 0-5 V). Se deben tener en cuenta varios parámetros diferentes del amplificador, como ruido, ancho de banda, linealidad, potencia y oscilación de entrada / salida. Sin embargo, hay dos parámetros del amplificador que son de suma importancia en esta aplicación en particular: rechazo en modo común e impedancia de entrada.
A continuación, analizaremos por qué el amplificador debe tener un alto rechazo de modo común para extraer con éxito una pequeña señal diferencial. El efecto de la impedancia de entrada del amplificador se discutirá en el próximo artículo.
La salida del puente consta de señales diferenciales y de modo común
La señal que aparece en las entradas del amplificador se puede descomponer en señales diferenciales y de modo común. Por ejemplo, suponga que los valores de la resistencia del puente son los que se muestran en la Figura 2.
Figura 2. Ajuste de los valores de nuestra resistencia de puente
En este caso, el voltaje en los nodos A y B será:
(v_A = frac {120} {120 + 3900} times 8 = 238,8 , textit {mV} )
(v_B = frac {100} {100 + 3900} times 8 = 200 , textit {mV} )
Esto se puede descomponer en las siguientes señales diferenciales (vd) y de modo común (vc):
(v_C = frac {v_A + v_B} {2} = frac {238,8 + 200} {2} = 219,4 , textit {mV} )
(v_d = v_A – v_B = 238,8 – 200 = 38,8 , textit {mV} )
Por lo tanto, el puente de Thevenin equivalente será como se muestra en la Figura 3.
Figura 3. El puente Thevenin equivalente
Aquí, Rth1 y Rth2 son las resistencias equivalentes de las dos ramas del puente y son 116,4 Ω y 97,5 Ω, respectivamente. Idealmente, esperamos que la salida sea una versión amplificada de la señal diferencial (que está relacionada con el parámetro físico que se mide). Por lo tanto, esperamos tener:
(v_ {out} = A_dv_d )
donde Ad especifica la ganancia diferencial del amplificador. Sin embargo, en realidad, la señal de entrada en modo común también puede contribuir al voltaje de salida y tenemos:
(v_ {fuera} = A_d v_d + A_ {cm} v_c )
Ecuación 1.
donde Acm denota la ganancia en modo común del amplificador.
¿Por qué el amplificador debería rechazar la señal de modo común?
Con vc y Acm constantes en la Ecuación 1, el error en la salida también será constante. Sin embargo, la ganancia de modo común, Acm, puede cambiar con la frecuencia en el ancho de banda de interés. Además, cualquier ruido de modo común que aparezca en los nodos A y B cambiará vc. Por ejemplo, el ruido de la fuente de CC que alimenta el puente puede afectar a vc.
Además, el voltaje en modo común puede ser una función de las resistencias del puente. Por ejemplo, cuando el puente de la Figura 2 está equilibrado (R4 = 100Ω), vc será 200 mV en lugar de 219,4 mV que se obtuvo en el ejemplo anterior. Por lo tanto, la tensión de modo común puede provocar una tensión de error variable en la salida. Necesitamos un amplificador que pueda amplificar vd mientras suprime la señal de modo común.
Rechazo en modo común de un amplificador
La capacidad de un amplificador para rechazar señales en modo común se cuantifica mediante la relación de rechazo en modo común (CMRR), definida como la ganancia diferencial dividida por la ganancia en modo común.
Echemos un vistazo a algunos valores típicos. Suponga que la oscilación de escala completa en la salida del amplificador puente es de 5 V y queremos mantener el error máximo del voltaje de modo común a menos del 0.02% del valor de escala completa (5 V). Con vc = 200 mV, la ganancia del amplificador en modo común será:
(A_ {cm} = frac {0.0002 times 5 , V} {200 , mV} = 0.005 )
Con una ganancia diferencial típica de 100, Acm = 0.005 da un CMRR de
( textbf {CMRR} = frac {A_d} {A_ {cm}} = frac {100} {0.005} = 20000 = 86 , dB )
¿Puede un amplificador operacional simple proporcionar suficiente CMRR?
Sabemos que los amplificadores operacionales están diseñados para amplificar señales diferenciales mientras rechazan el componente de modo común de la entrada.
Quizás se pregunte si podemos usar un amplificador de amplificador operacional inversor o no inversor simple para extraer la señal diferencial débil del circuito puente.
Examinemos la ganancia de modo común del amplificador op-amp que se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Ejemplo de circuito amplificador de amplificador operacional
La retroalimentación negativa junto con la alta ganancia del amplificador operacional obligará a las entradas inversoras y no inversoras del amplificador operacional a tener el mismo voltaje. Con el voltaje de modo común vc aplicado a ambos nodos A y B, tendremos
(v_ {en -} = v_ {en +} = v_A = v_c )
Dado que vc también se aplica al nodo B, la corriente que fluye a través de R1 y, en consecuencia, la corriente que fluye a través de RF será cero. Por lo tanto, tendremos
(v_ {out} = v_ {in -} = v_c )
Esto significa que cualquier voltaje de modo común que aparezca en los nodos A y B se transferirá a la salida con una ganancia de 1. Con una ganancia diferencial de 100, el CMRR será:
(CMRR = frac {A_d} {A_ {cm}} = frac {100} {1} = 40 , dB )
que no es aceptable para muchas aplicaciones.
¿Qué pasa con un amplificador diferencial?
El amplificador diferencial que se muestra en la Figura 5 puede lograr un CMRR más alto.
Figura 5. Amplificador de diferencia
Se puede demostrar que la ecuación de salida es la siguiente:
(v_ {out} = frac {R_4} {R_1} times frac {R_1 + R_2} {R_3 + R_4} times v_A – frac {R_2} {R_1} times v_B )
Con ( frac {R_2} {R_1} = frac {R_4} {R_3} ), tenemos:
(v_ {out} = frac {R_2} {R_1} left (v_A-v_B right) )
Esta ecuación muestra que cualquier voltaje en modo común será completamente suprimido por el amplificador, es decir, con vA = vB, tenemos vout = 0. Sin embargo, en la práctica, el rechazo en modo común de un amplificador diferencial será limitado. Esto se debe al hecho de que la proporción ( frac {R_2} {R_1} ) no será exactamente igual a ( frac {R_4} {R_3} ).
Por ejemplo, suponga que elegimos R1 = R2 = R3 = R4 para tener una ganancia diferencial de 1. Idealmente, la ganancia en modo común debería ser cero. Sin embargo, con un desajuste de 0.1% en solo una de las resistencias, Acm será de aproximadamente 0.005 y tendremos una CMRR de aproximadamente 66 dB. Debido a esta limitación, no podemos lograr un CMRR alto usando amplificadores operacionales y resistencias discretas.
En su lugar, tendremos que emplear soluciones integradas en las que se utilicen resistencias de película delgada recortadas con láser depositadas en el sustrato de CI para lograr una alta coincidencia entre las resistencias. Estas soluciones integradas pueden obtener un CMRR superior a 100 dB.
Aunque un amplificador diferencial puede ofrecer un rechazo de modo común muy alto, todavía tiene algunas limitaciones. Por ejemplo, con un amplificador diferencial, las impedancias de los terminales de entrada son relativamente bajas y desiguales. Esto conduce a un efecto de carga desequilibrado en el circuito puente y permite que el voltaje de modo común produzca una señal de error en la salida.
En el próximo artículo, continuaremos esta discusión y veremos cómo los amplificadores internos de hoy abordan estos problemas.
Conclusión
Con muchos sistemas de prueba y medición, la señal diferencial deseada funciona con un voltaje de modo común. En estos casos, necesitamos un amplificador diferencial con un alto rechazo de modo común, así como una alta impedancia de entrada.
Teóricamente, un amplificador diferencial puede tener una CMRR infinita. Sin embargo, en la práctica, el CMRR alcanzable podría estar limitado por el desajuste entre los valores de la resistencia.
