informe1

LABORATORIO DE DISEÑO DE CIRCUITOS ANALOGICOSPráctica No. 1. AMPLIFICADOR DE INTRUMETACION

Grupo O2

Sandra Carolina Celis Ovalle

Andrés Felipe Pinto Becerra

Fabián Ariza Ariza

INTRODUCCION

Los amplificadores de instrumentación surgen ante la necesidad de medir tensiones de un nivel muy bajo en presencia de señales indeseadas (ruidos).

Normalmente estas tensiones diferenciales de bajo nivel se encuentran superpuestas a tensiones de modo común elevadas, como pueden ser las interferencias debidas a la frecuencia de la red, o a la tensión de polarización; con lo cual se debe recurrir al empleo de algún dispositivo que presente un rechazo del modo común (CMRR) muy elevado, para eliminar sus efectos en la salida.

De este modo, el amplificador de instrumentación responde a las siguientes características:

Ganancia: seleccionable, estable, lineal. Entrada diferencial: con CMRR alto. Error despreciable debido a las corrientes y

tensiones de offset. Impedancia de entrada alta. Impedancia de salida baja.

El amplificador de instrumentación sujeto a la práctica de laboratorio tiene como criterios de diseño: A= 1000 [V/V]; F= 10 [kHz]. La selección de amplificadores se liga a ciertos parámetros que cumplan los criterios de diseño.

DISEÑO

Para realizar el amplificador de instrumentación se utilizan amplificadores operacionales y diferentes resistencias, donde es importante resaltar que para un OPAM su comportamiento en frecuencia es la de un filtro pasa bajas, cuya frecuencia de corte depende en gran medida de la ganancia que desarrolle el amplificador, es decir a mayor ganancia menor ancho de banda.

Según las especificaciones del diseño es necesario utilizar más de una etapa de amplificación, por dos motivos, primero la distribución de la ganancia entre diferentes etapas es necesaria para no reducir el ancho de banda del amplificador de instrumentación, segundo se debe usar una topología especifica que elimine las variaciones de la fuente en la entrada, esto se lleva a cabo con una etapa de amplificación diferencial. Dado lo anterior se propone la siguiente topología.

Figura 1. Topología del amplificador de Instrumentación

Etapa pre-amplificadora

Se buscan las tensión en los nodos A y B (Va, Vb) en términos de la entrada diferencial V1 y V2. Al aplicar c.c. virtual y Kirschoff de corrientes en el nodo A se obtiene lo siguiente:

De igual forma en el nodo B se obtiene:

Restando (2) y (1):

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDEREscuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T

“Perfecta combinación entre energía e intelecto”


Entonces, la ganancia diferencial de la etapa pre-amplificadora es:

Etapa Diferencial

Con Ref (Referencia) conectada a masa, la tensión de salida de un amplificador diferencial está dada por la siguiente expresión:

Total

Al sustituir (1) y (2) en la anterior ecuación y teniendo en cuenta que Vd=Vb-Va y Vcm=(Va+Vb)/2, se obtiene:

De donde se deduce que:

La ganancia en modo común será cero si

. Esto se logra si se asume

que: (R2/R1=R4/R3).

Para facilitar el diseño, si ,

entonces: Ra=Rb.

De este modo

Para nuestro diseño elegimos el valor de las resistencias de la siguiente forma:

Ra=Rb=20k

R2=R4=50

R1=R3=2k

Rg=1k

Con estos valores se desarrolla una ganancia por cada etapa de:

Etapa pre-amplificadora Ganancia de 41V/VEtapa diferencial Ganancia de 25 V/VGanancia Total de 1025 V/V

Cada etapa de amplificación representa un filtro pasa bajas cuya frecuencia de corte disminuye con la ganancia, entonces la respuesta en frecuencia del amplificador de instrumentación es regida por la etapa que usa un OPAM para desarrollar mayor ganancia la cual es la etapa diferencial. En la etapa de pre-amplificación se utilizan 2 OPAM cada uno tiene una ganancia de 20.5 V/V y la etapa diferencial tiene una ganancia de 25 V/V.

Ancho de banda: La frecuencia de corte es inversamente proporcional a la ganancia de lazo cerrado y directamente proporcional al ancho de banda de ganancia unitaria.

=120

SELECCIÓN DE COMPONENTES

OPAM LM358 TL084 OPA37 AD843

Ancho de banda de ganancia

unitaria [MHz]0.7 3 8 34

Tensión de desnivel [mV]

3 3 0.025 1

Corriente de polarización [nA]

2 0.03 15 0.05




Corriente de desnivel [nA]

-20 0.005 10 0.03

Rango tensión de suministro [V]

[0 32][-18 18]

[-11 11]

[-18 18]

Es importante el ancho de banda de ganancia unitaria puesto que ese valor junto con la ganancia de lazo cerrado del amplificador determina la frecuencia de corte del filtro pasa bajos.

Puesto que cada etapa de amplificación desarrolla una ganancia menor a mil, la frecuencia de tres decibeles del filtro no se reduce significativamente (para este diseño) y no es necesario utilizar el amplificador operacional AD843, que tiene un mejor desempeño en frecuencia y velocidad comparado con los otros tres amplificadores pero es difícil de conseguir en el mercado.

La tensión y corriente de desnivel, junto con la corriente de polarización dan un nivel de DC a la salida del amplificador de instrumentación. Según la topología se puede afirmar que el efecto de estos niveles de corriente y tensión en los OPAM’s solo son amplificados en la etapa diferencial, puesto que el nivel de DC que se genera en la etapa de pre-amplificación es eliminada por la etapa diferencial.

El rango de tensión de suministro, es fundamental para poder definir la saturación de la señal a la salida del amplificador de instrumentación, es conveniente que ese rango abarque tensiones negativas como positivas, puesto que de no ser así las señales de entrada diferencial negativas no serian amplificadas y se perdería información. Con esto se descarta el amplificador LM358. Entonces se desea un rango de excursión a la salida amplio y por eso se descarta en la implementación el amplificador operacional OPA37 aun que tenga mejor ancho de banda.

Para la simulación se eligen los amplificadores operacionales TL084 y OPA37. Y para la implementación en el laboratorio el amplificador

operacional TL084 ya que cumple con los requerimientos anteriormente mencionados.

SIMULACION

El circuito a simular es el ya presentado con anterioridad, solo que las resistencias utilizadas no son exactamente las calculadas por el método analítico, así que primero se miden los valores de las diferentes resistencias a usar. Ahora se tiene el siguiente circuito:

Figura 2. Circuito a simular con entrada diferencial.

Figura 3. Circuito a simular con entrada modo común.

Simulación que se realizo con el amplificador operacional TL084.

La respuesta en frecuencia a la entrada diferencial es:




Frequency

1.0Hz 3.0Hz 10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz 300KHz 1.0MHz 3.0MHz 10MHzV(U2A:OUT) 721.036784

0

0.4K

0.8K

1.2K

Figura 4. Ganancia diferencial del amplificador de instrumentación, con TL084.

Los valores que muestra el cursor del simulador es:

La ganancia diferencial es de:

EL ancho de banda es de 116.999KHz.

La respuesta en frecuencia de la ganancia en modo común es:

Frequency

1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHzV(R2:2) 0.009180367

0

5m

10m

15m

Figura 5. Ganancia en modo común del amplificador de instrumentación, con TL084.


Simulación que se realizo con el amplificador operacional OPA37.

La respuesta en frecuencia a la entrada diferencial es:

Frequency

1.0Hz 3.0Hz 10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz 300KHz 1.0MHz 3.0MHz 10MHzV(U3A:OUT) 721.1782

0

0.4K

0.8K

1.2K

Figura 6. Ganancia diferencia del amplificador de instrumentación, con OPA37.


La ganancia diferencial es:

El ancho de banda es de 865.96 KHz.

La respuesta en frecuencia de la ganancia en modo común es:

Frequency

1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHzV(R2:2) 0.009613116

0

5m

10m

15m

Figura 7. Ganancia en modo común del amplificador de instrumentación, con OPA37.





MONTAJE

Se procede a realizar el montaje con el OPAM TL084. Se realizan dos tipos de mediciones, la primera para observar la ganancia diferencial y la segunda para la ganancia en modo común.

La señal de entrada y salida es medida por medio del canal uno y dos del osciloscopio respectivamente.

Ganancia diferencial: Dado que la señal diferencial no se puede obtener de un solo generador de funciones, se conecta su salida positiva a una entrada del amplificador de instrumentación y la negativa a la otra, es bueno mencionar que la señal de entrada del amplificador de instrumentación está referenciada a tierra (se conecto a tierra la salida negativa del generador de funciones).

Figura 8. Medición de la amplificación a una entrada diferencial.

Se observa que la señal es amplificada dada por la siguiente ecuación:

Avdiff = 22V/(20mV) = 1100 V/V

Ganancia en modo común: Para esta medición se conectan las dos entradas del amplificador de instrumentación a un solo nodo, la parte positiva del generador va al nodo en común de las entradas y la parte negativa se conecta a la tensión de referencia (tierra).

Figura 9. Medición de la amplificación a una entrada en modo común.

Se observa que la ganancia en modo común es pequeña, su valor es:

Acm = (92mV)/(1.96V) = 0.047 V/V

CONCLUCIONES

El modelo usado para la simulación del amplificador TL084 difiere del OPAM usado en el montaje, esto se observa en gran medida en la ganancia de modo común, donde en la simulación se obtiene la ganancia esperada menor a 0.1%, mientras en el montaje se midió una de 4.7% .

Los resultados medidos presenta un error del 7.87% en la ganancia diferencial y un 26.43% en la ganancia de modo común tomando como dato teórico el hallado en la simulación y el experimental observado en la práctica del laboratorio, debido a imperfecciones y baja precisión de los elementos utilizados en el montaje, es decir existe asimetría en el circuito montado, ya que las resistencias no tienen el mismo




valor (según el diseño) y los amplificadores no son completamente iguales.

Para implementar un amplificador de instrumentación cuyo comportamiento sea mejor, es necesario usar resistencias de precisión y amplificadores de mayor calidad.



informe1

Documents