23 Fatos Sobre Amplificador de Instrumentação: O Guia Completo!

Introdução ao amplificador de instrumentação

Um amplificador de instrumentação é um tipo particular de amplificador derivado do cumprimento de alguns propósitos específicos. O amplificador de instrumentação oferece maior ganho, alto CMRR (taxa de rejeição de modo comum) e altas impedâncias de entrada. Portanto, podemos dizer que ele tenta possuir a maioria das características de um amplificador operacional ideal.

Um amplificador de instrumentação é freqüentemente chamado de In-Amp ou InAmp. Este artigo discutirá em detalhes sobre circuito, design, fórmulas e equações relacionadas ao amplificador de instrumentação.

3 Amplificador de Instrumentação Op-Amp

Um amplificador de instrumentação típico consiste em 3 amplificadores operacionais regulares. Dois deles são usados ​​em um único estágio, enquanto o outro é usado para separar um estágio. Todos os três amplificadores funcionam como um amplificador diferencial e todos eles são conectados com feedbacks negativos. Como os amplificadores de instrumentação consistem em 3 amplificadores, eles costumam ser chamados de amplificadores de três amplificadores operacionais.

Circuito amplificador de instrumentação

A imagem abaixo representa um diagrama de circuito típico de um amplificador de instrumentação. Observe a foto com atenção, pois faremos referência à foto no restante do artigo.

As tensões de entrada são Vi1 e Vi2.

As resistências são R1 (2), R2 (2), R3, R4 (2).

A tensão nos terminais A e B são VA e VB, respectivamente.

A corrente através do ramal R4, R3 e R4 é I.

A saída do amplificador -1 é Vo1 e a do amplificador -2 é Vo2.

A saída do 3^rd amplificador é Vout.

Projeto de amplificador de instrumentação

Um amplificador de instrumentação é uma combinação de 3 amplificadores típicos. Eles são conectados em uma ordem específica para construir um amplificador de instrumentação. Podemos separar o projeto do amplificador de instrumento em duas partes.

A primeira parte é “Duas entradas e duas saídas”. Dois amplificadores operacionais padrão são conectados, conforme mostrado na figura do circuito do amplificador. Ambos são fornecidos com feedback negativo, pois estabiliza mais o circuito. A saída de ambos os amplificadores é conectada com três resistores.

A segunda parte é um básico “Amplificador Diferencial”. A saída de ambos os amplificadores anteriores atua como entrada para o último amplificador. As saídas são conectadas com dois resistores de valor idêntico com o amplificador. A seção positiva é aterrada e o feedback negativo está associado ao terminal negativo e o o / p deste amplificador operacional é a saída final do amplificador do instrumento.

Derivação de amplificador instrumental

Vamos derivar as equações e fórmulas funcionais para o amplificador de instrumentação. Para derivar as equações, deixe-nos saber o que acontece dentro de todo o amplificador do instrumento. Como mencionamos anteriormente, a separação de duas etapas, então, vamos calculá-la parcialmente.

No primeiro estágio, a entrada é fornecida aos terminais não inversores de ambos os amplificadores. O amplificador é amplificadores diferenciais. Então, eles descobrem a diferença entre as tensões de entrada fornecidas. Agora, consulte o diagrama do circuito; as tensões de entrada são Vi1 e Vi2. O terminal inversor do circuito é conectado com feedback negativo da saída dos amplificadores. Digamos que os terminais inversores de ambos os amplificadores tenham potenciais VA e VB, respectivamente. Eles aparecem no nó que se conecta com as linhas de resistência e ramificação.

Considerando o funcionamento do curto-circuito virtual, os terminais A e B recebem a mesma tensão que as entradas. Então, podemos dizer, VA = Vi1, VB = Vi2. Todo o palco funciona como um amplificador diferencial. Isso significa que a diferença entre as duas entradas de tensão será amplificada na saída. A saída será novamente as diferenças entre as duas tensões de saída. Isso pode ser expresso da seguinte forma:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Aqui, k é o ganho do amplificador.

No estágio dois, a diferença dos amplificadores é alimentada como entrada para o amplificador. O amplificador neste estágio simplesmente funciona como um amplificador típico. As resistências conectadas com as informações têm os mesmos valores que os requisitos dos amplificadores diferenciais. O terminal inversor está associado ao terra, e o amplificador é pensado em ter aterramento virtual. Na próxima seção, iremos derivar os cálculos matemáticos para um amplificador de instrumento.

Equação do amplificador do instrumento

As tensões de entrada são Vi1 e Vi2.

Se o curto virtual funcionar, VA = Vi1 e VB = Vi2

Agora, não há fluxo de corrente de A e B para o ramo de resistência. Há apenas uma corrente típica através do ramal, e essa é a corrente I. 'I' é dado como:

I = (Vi1 - Vi2) / R3.

O 'I' atual também pode ser calculado usando a análise do nó. Vem da seguinte maneira.

I = (Vo1 - Vo2) / (R4 + R3 + R4)

Ou, (Vo1 - Vo2) = (Vi1 - Vi2) * (R3 + 2R4) / R3

A equação acima explica o funcionamento do primeiro estágio. Para o segundo estágio, a saída do amplificador operacional é a saída final do amplificador de instrumentação.

A partir da operação de um amplificador de diferença, podemos escrever que,

Vout = (R2 / R1) x (Vo2 - Vo1)

Ou, Vout = (R2 / R1) x (R3 + 2R4) x (Vi1 - Vi2) / R3

Esta é a equação do amplificador de instrumentação ou a equação de saída de um amplificador de instrumentação. Agora, olhe para a seção de derivação deste artigo. Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2). A equação obtida está no mesmo formato.

Ganho do amplificador de instrumentação

O ganho do amplificador é conhecido como o fator pelo qual o amplificador amplifica o sinal de entrada. Os valores de resistência representam o ganho de um amplificador de instrumentação. O ganho também depende do tipo de feedback que está sendo usado. O feedback positivo fornece maior ganho, enquanto o feedback negativo fornece melhores estabilidades do sistema.

A equação geral do amplificador de instrumentação é Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2), representando o ganho como: 'k'.

Fórmula de ganho de amplificador de instrumentação

Como mencionado anteriormente, o ganho do amplificador pode ser derivado da equação de saída do amplificador. A equação de saída é a seguinte:

Vout = (R2 / R1) x (R3 + 2R4) x (Vi1 - Vi2) / R3

Comparando esta equação com a seguinte equação:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Nós podemos escrever,

k = (R2 / R1) x (R3 + 2R4) / R3, esta é a fórmula de ganho do amplificador de instrumentação.

Amplificador de instrumentação IC

Amplificadores típicos são empacotados por meio de circuitos integrados ou ICs. Então, se quisermos construir um amplificador Instrumental usando amplificadores operacionais regulares, temos que usar ICs amplificadores operacionais. Há também um IC separado disponível para amplificadores de instrumentação. Não há necessidade de conectar um amplificador operacional a outro. Esses tipos de ICs são usados ​​comercialmente onde mais números de ICs são usados ​​ao mesmo tempo.

Módulo Amplificador de Instrumentação

Módulos amplificadores de instrumentação são uma combinação de alguns dispositivos eletrônicos, e o principal deles são os amplificadores de instrumentação. Dois dos excelentes amplificadores de instrumentação são AD623, AD620.

Os módulos são usados ​​explicitamente em dispositivos de engenharia médica de baixa potência, amplificador de sinal de baixa potência, termopares. Algumas das características são: a) Proporciona maior ganho, b) Melhor estabilidade, c) Baixa potência d) Alta precisão.

Lista de amplificadores instrumentais IC

Como um amplificador de instrumentação pode ser construído usando diferentes ICs, fizemos uma lista de todos os ICs que podem ser usados ​​para amplificadores instrumentais. Os números de IC são fornecidos na lista.

Célula de carga do amplificador de instrumentação

O desempenho do amplificador de instrumentação aumenta gradualmente ao conectar a célula de carga. O amplificador fornece CMRR mais alto, impedâncias de entrada mais altas e, portanto, melhora o desempenho. A conexão detalhada para o amplificador de instrumentação com célula de carga é mostrada na imagem abaixo.

Tensão de compensação do amplificador de instrumentação

Cada op-amp tem sua tensão compensada. A tensão de deslocamento é definida como a necessidade de uma tensão que deve ser aplicada entre duas entradas para anular a diferença entre elas e este valor de deslocamento de cada amp-op é especificado na folha de dados fornecida pelo fabricante. Para amplificadores de instrumentação, a tensão de deslocamento é significativamente menor, o que é desejável.

Forma de onda de saída do amplificador de instrumentação

Para observar a saída de um amplificador de instrumentação, temos que conectá-lo a um CRO (Cathode Ray Oscilloscope). Fornecemos entrada como ondas senoidais como dois sinais de entrada e o trabalho é medido a partir do último amplificador. As sondas coaxiais são conectadas aos pinos para observar a forma de onda de saída. A imagem abaixo mostra a saída. A saída é a diferença amplificada entre as tensões de entrada aplicadas.

Função de transferência de amplificador de instrumentação

A função de transferência de um sistema refere-se ao processo que descreve ou fornece saída para cada entrada. Como o amplificador pega duas entradas e as amplifica, a função de transferência refletirá a mesma. A função de transferência pode ser escrita como:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Aqui Vi1 e Vi2 são as duas entradas ek é o ganho.

Amplificador de instrumentação duplo

Um amplificador de instrumentação duplo é um tipo especial de amplificador de instrumentação com grande precisão. Ele é projetado de uma certa maneira para fornecer alto ganho e maior precisão a partir de um tamanho mínimo de IC. Ele também tem uma baixa tensão de deslocamento. Para uma largura de banda mais ampla e um resistor externo conectado, o amplificador duplo pode fornecer ganho de até 10,000.

O IC INA2128 é usado como um amplificador instrumental duplo. Algumas das aplicações significativas do amplificador de instrumentação dupla são amplificadores de sensores, equipamentos médicos dispositivos de engenharia, e equipamentos operados por bateria.

Amplificador de instrumentação vs amplificador operacional

Vantagens e desvantagens do amplificador de instrumentação

Os amplificadores de instrumentação são desenvolvidos para obter mais vantagens sobre os amplificadores diferenciais típicos. É por isso que os amplificadores de instrumentação são usados ​​na maioria das aplicações comerciais. Mas também tem algumas vantagens. Vamos discutir algumas das vantagens e desvantagens dos amplificadores de instrumentação.

Vantagens

1. Exatidão e Precisão em Medição: Amplificadores de instrumentação são usados ​​para fins de teste e medição. Amplificadores de instrumento não precisam corresponder às impedâncias de entrada. É por isso que eles são tão úteis para testes. Os melhores valores paramétricos como maior CMRR, alta impedância de entrada também ganham vantagens.

2. Ganho: Os amplificadores de instrumentação fornecem valores maiores para ganho de malha aberta. É uma vantagem mais clara que também é um requisito essencial para os amplificadores.

3. Estabilidade do sistema: dentro dos amplificadores de instrumentação, todos os amplificadores operacionais normais são conectados em feedback negativo. Como sabemos, o feedback negativo estabiliza o sistema; a estabilidade do amplificador de instrumentação também é alta.

4. Escalabilidade: os amplificadores de instrumentação são incrivelmente escaláveis. Ele fornece a opção de dimensionar o sinal no nível de entrada. É por isso que a amplificação geral é muito maior do que outros amplificadores. O intervalo de dimensionamento também é alto por esse motivo.

5. Acessibilidade: os amplificadores de instrumentação vêm em ICs. Existem ICs de oito pinos disponíveis. Portanto, é mais fácil de manusear e usar. Além disso, não há muitos fatores a serem considerados durante a amplificação. O usuário só precisa conhecer bem o sinal de entrada. Vamos encontrar as desvantagens dos amplificadores de instrumentação.

Desvantagens

1. O amplificador de instrumentação sofre com o problema de transmissão de longo alcance. O amplificador tende a misturar os sinais originais com os ruídos se o sinal de entrada for enviado para uma faixa estendida de comunicação. O problema pode ser resolvido se o tipo de cabo puder ser improvisado de forma que o ruído seja cancelado no estágio primário ou nenhum ruído entre na linha de transmissão.

Características do amplificador de instrumentação

Vamos dar uma olhada nas características dos amplificadores de instrumentação.

• Amplificadores de instrumentação são amplificadores diferenciais compostos de três amplificadores operacionais.
• Ele fornece um ganho de malha aberta mais alto do que os amplificadores operacionais típicos.
• Ele tem CMRR mais alto, impedância de entrada mais alta, tensões de deslocamento baixas, impedâncias de saída mais baixas, tornando-o próximo do amplificador operacional ideal.
• Os amplificadores de instrumentação fornecem maior exatidão e precisão quando usados ​​em testes e medições.
• Os amplificadores de instrumentação estão disponíveis em ICs para fins comerciais.

Amplificador de instrumentação de 2 amp op

Os amplificadores de instrumentação típicos são compostos por 3 amplificadores, mas também é possível fazer um amplificador de instrumentação usando dois amplificadores operacionais. A imagem abaixo mostra o a 2 amp op Circuito Amplificador de Instrumentação baseado.

análise de ruído do amplificador de instrumentação

Existem tipos específicos de amplificadores de instrumentação disponíveis para medir o sinal mais fraco em um ambiente barulhento. Eles são conhecidos como amplificadores de instrumentação de ruído. Esses tipos de amplificadores de instrumentação são usados ​​para análise de ruído.

Amplificador de instrumentação para detecção de corrente

Amplificadores de detecção de corrente separados estão disponíveis no mercado para detecção de corrente. Mas um amplificador de instrumentação também pode operar a detecção de corrente. A principal diferença entre os dois amplificadores está na topologia de entrada.

Perguntas Frequentes

1. Por que usar um amplificador de instrumentação?

Responda: Os amplificadores de instrumentação fornecem maior ganho, maior CMRR, maiores impedâncias de entrada e menores impedâncias de saída. Assim, podemos observar que possui propriedades muito próximas de um amplificador operacional ideal. É por isso que um amplificador de instrumentação é usado.

2. Quando usar um amplificador de instrumentação?

Responda: IAmplificadores de instrumentação são necessários toda vez que o usuário requer um ganho maior com melhor estabilidade do sistema para amplificar um sinal. Se o usuário precisava de resultados de teste e medições muito precisos, o amplificador de instrumentação é a solução.

3. O que é um amplificador de instrumentação para célula de carga?

Responda: O desempenho do amplificador de instrumentação aumenta gradualmente ao conectar a célula de carga. O amplificador fornece CMRR mais alto, impedâncias de entrada mais altas e, portanto, melhora o desempenho. A conexão detalhada para o amplificador de instrumentação com célula de carga é mostrada na imagem abaixo. (Ponto a ser observado - Conecte todo o aterramento.

4. O que é um diagrama de circuito de um amplificador de instrumentação para um biossinal com ganho de mil?

Responda: A conexão padrão do amplificador de instrumentação fornece um ganho específico. Mas adicionar um resistor externo lhe dará um aumento de mil.

5. Qual é o princípio de funcionamento de um amplificador de instrumentação?

Responda: O princípio de funcionamento do amplificador de instrumentação é o mesmo de um amplificador diferencial. Ele pega as tensões de entrada e amplifica a diferença para fornecer essa diferença amplificada como a saída.

Basicamente: Saída = Ganho * (Input1 - Input2)

6. Quais são as vantagens de usar um amplificador de instrumentação em relação a um amplificador diferencial comum na medição de baixos sinais e tensões?

Responda: As vantagens são -

• Exatidão e precisão em Medição: Amplificadores de instrumentação são usados ​​para fins de teste e medição. Amplificadores de instrumento não precisam corresponder às impedâncias de entrada. É por isso que eles são tão úteis para testes. Os melhores valores paramétricos como maior CMRR, alta impedância de entrada também ganham vantagens.
• Ganho: os amplificadores de instrumentação fornecem valores maiores para o crescimento de malha aberta. É uma vantagem mais clara que também é um requisito essencial para os amplificadores.
• Estabilidade do sistema: dentro dos amplificadores de instrumentação, todos os amplificadores operacionais normais são conectados em feedback negativo. Como sabemos, o feedback negativo estabiliza o sistema; a estabilidade do amplificador de instrumentação também é alta.
• Escalabilidade: amplificadores de instrumentação são incrivelmente escaláveis. Ele fornece a opção de dimensionar o sinal no nível de entrada. É por isso que a amplificação geral é muito maior do que outros amplificadores. O intervalo de dimensionamento também é alto por esse motivo.
• Acessibilidade: amplificadores de instrumentação vêm em ICs. Existem ICs de oito pinos disponíveis. Portanto, é mais fácil de manusear e usar. Além disso, não há muitos fatores a serem controlados durante a amplificação. O usuário deve conhecer bem o sinal de entrada.

7. Por que o CMRR é importante no amplificador de instrumentação?

Responda: CMRR é um parâmetro essencial para medir o desempenho de um amplificador operacional. O CMRR estima a quantidade de sinal de modo comum que aparecerá na medição de saída. O amplificador de instrução, sendo um amplificador operacional explicitamente usado para fins de medição e teste, deve ter o CMRR mais baixo. É uma necessidade básica para o op-amp; caso contrário, afetará a medição.

8. Qual é a diferença entre um amplificador de instrumentação e um somador inversor usando dois amplificadores operacionais?

Responda: A diferença estará no funcionamento e também nos valores paramétricos. As entradas para um amplificador de instrumentação nunca são fornecidas nos terminais de inversão. Portanto, haverá mudanças. Além disso, os amplificadores de instrumentação têm circuitos de buffer e os feedbacks deles são feedback negativo que aumenta a estabilidade do sistema. Portanto, existem grandes desvios dos resultados reais.

9. Qual é a finalidade de um buffer em um amplificador de instrumentação?

Responda: O buffer dentro do amplificador de instrumentação é útil de várias maneiras. O buffer aumenta a impedância de entrada, o que é muito necessário. Ele também elimina a diferença entre duas tensões de entrada; assim, o valor da tensão de deslocamento diminui. Também afeta o CMRR.

10. Quais são as boas regras básicas para a construção de amplificadores de instrumentação?

Responda: Não existem regras tão rígidas e rápidas para projetar ou construir amplificadores de instrumentação. Mas existem algumas práticas recomendadas. Alguns deles são - a) Projetar o circuito simetricamente, b) Implementar o ganho no primeiro estágio, c) Considerar os fatores de CMRR, efeitos do termopar e valores de resistência, d) Projetar o segundo estágio.

11. Como remover a tensão de compensação no amplificador de instrumentação?

Responda: A tensão de deslocamento de qualquer amplificador é removível alimentando uma corrente ajustável de uma fonte de tensão. Um resistor de alto valor deve ser colocado entre a corrente e o amplificador operacional.

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Sudipta Roy

Olá, meu nome é Sudipta Roy. Eu fiz B. Tecnologia em Eletrônica. Sou um entusiasta da eletrônica e atualmente me dedico à área de Eletrônica e Comunicações. Tenho grande interesse em explorar tecnologias modernas, como IA e aprendizado de máquina. Meus escritos são dedicados a fornecer dados precisos e atualizados a todos os alunos. Ajudar alguém a adquirir conhecimento me dá imenso prazer.
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