Circuito amplificador de instrumentação usando op

Quase todos os tipos de sensores e transdutores convertem parâmetros do mundo real como luz, temperatura, peso, etc. em valores de tensão para que nossos sistemas eletrônicos possam entendê-los. A variação neste nível de tensão nos ajudará a analisar / medir os parâmetros do mundo real, mas em algumas aplicações, como sensores biomédicos, essa variação é muito pequena (sinais de baixo nível) e é muito importante acompanhar até mesmo a variação de minuto para obter dados confiáveis. Nessas aplicações, um amplificador de instrumentação é usado.

Um amplificador de instrumentação, também conhecido como INO ou in-amps como o nome sugere, amplifica a variação de voltagem e fornece uma saída diferencial como qualquer outro op-amps. Mas, ao contrário de um amplificador normal, os amplificadores de instrumentação terão alta impedância de entrada com bom ganho, enquanto fornecem rejeição de ruído de modo comum com entradas totalmente diferenciais. Está tudo bem se você não entender agora, neste artigo vamos aprender sobre esses amplificadores de instrumentação e, uma vez que esses ICs são relativamente caros do que os op-amps, também aprenderemos como usar um op-amp normal como o LM385 ou LM324 para construir um Amplificador de instrumentação e usá-lo para nossas aplicações. Op-amps também podem ser usados ​​para construir o somador de tensão e o circuito subtrator de tensão.

O que é um amplificador de instrumentação IC?

Além dos amplificadores operacionais normais, temos alguns tipos especiais de amplificadores para amplificadores de instrumentação como INA114 IC. Não é nada mais do que alguns amplificadores operacionais normais combinados para certas aplicações específicas. Para entender mais sobre isso, vamos dar uma olhada na folha de dados do INA114 para seu diagrama de circuito interno.

Como você pode ver, o IC recebe duas tensões de sinal V _IN - e V _IN +, vamos considerá-las como V1 e V2 a partir de agora para facilitar o entendimento. A tensão de saída (V _O) pode ser calculada usando as fórmulas

V _O = G (V2 - V1)

Onde, G é o ganho do op-amp e pode ser definido usando o resistor externo R _G e calculado usando as fórmulas abaixo

G = 1+ (50k Ω / RG)

Nota: O valor 50k ohm é aplicável apenas para o INA114 IC, pois ele usa resistores de 25k (25 + 25 = 50). Você pode calcular o valor para outros circuitos, respectivamente.

Então, basicamente agora se você olhar para ele, um In-amp apenas fornece a diferença entre duas fontes de tensão com um ganho que pode ser definido por um resistor externo. Isso soa familiar? Se não, dê uma olhada no design do amplificador diferencial e volte.

Sim !, isso é exatamente o que um amplificador diferencial faz e se você der uma olhada mais de perto, poderá até descobrir que o amplificador operacional A3 na imagem acima nada mais é do que um circuito amplificador diferencial. Então, em termos leigos, um amplificador de instrumentação é outro tipo de amplificador diferencial, mas com mais vantagens, como alta impedância de entrada e controle de ganho fácil, etc. Essas vantagens são por causa dos outros dois amplificadores operacionais (A2 e A1) no design, aprenderemos mais sobre isso no próximo título.

Compreendendo o amplificador de instrumentação

Para entender completamente o amplificador de Instrumentação, vamos dividi-lo na imagem acima em blocos significativos, conforme mostrado abaixo.

Como você pode ver, o In-Amp é apenas uma combinação de dois circuitos de amplificador operacional de buffer e um circuito de amplificador operacional diferencial. Aprendemos sobre o design de ambos os amplificadores operacionais individualmente, agora veremos como eles são combinados para formar um amplificador operacional diferencial.

Diferença entre amplificador diferencial e amplificador de instrumentação

Já aprendemos como projetar e usar um amplificador diferencial em nosso artigo anterior. Poucas desvantagens consideráveis ​​do amplificador diferencial são que ele tem uma impedância de entrada muito baixa por causa dos resistores de entrada e CMRR muito baixo por causa do alto ganho do modo comum. Isso será superado em um amplificador de instrumentação por causa do circuito buffer.

Também em um amplificador diferencial, precisamos alterar muitos resistores para alterar o valor de ganho do amplificador, mas em um amplificador diferencial podemos controlar o ganho simplesmente ajustando o valor de um resistor.

Amplificador de instrumentação usando Op-amp (LM358)

Agora vamos construir um amplificador de instrumentação prático usando op-amp e verificar como está funcionando. O circuito amplificador de instrumentação do amplificador operacional que estou usando é fornecido abaixo.

O circuito requer três amplificadores operacionais todos juntos; Usei dois ICs LM358. O LM358 é um amplificador operacional de pacote duplo, ou seja, possui dois amplificadores operacionais em um único pacote, portanto precisamos de dois deles para o nosso circuito. Da mesma forma, você também pode usar três op-amp LM741 de pacote único ou um LM324 de pacote quádruplo.

No circuito acima, o op-amp U1: A e U1: B atua como um buffer de tensão, o que ajuda a alcançar uma alta impedância de entrada. O op-amp U2: A atua como um op-amp diferencial. Como todos os resistores do amplificador operacional diferencial são de 10k, ele atua como um amplificador diferencial de ganho unitário, o que significa que a tensão de saída será a diferença de tensão entre os pinos 3 e 2 de U2: A.

A tensão de saída do circuito amplificador de instrumentação pode ser calculada usando as fórmulas abaixo.

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

Onde, R = Resistor valoriza o circuito. Aqui R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 que é 10k

Rg = Resistor de ganho. Aqui Rg = R1 que é 22k.

Portanto, o valor de R e Rg decide o ganho do amplificador. O valor do ganho pode ser calculado por

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

Simulação de amplificador de instrumentação

O circuito acima, quando simulado, dá os seguintes resultados.

Como você pode ver, as tensões de entrada V1 são 2,8 V e V2 são 3,3 V. O valor de R é 10k e o valor de Rg é 22k. Colocando todos esses valores nas fórmulas acima

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3,3-2,8) (1+ (2x10 / 22)) = (0,5) * (1,9) = 0,95V

Obtemos o valor da tensão de saída em 0,95 V, o que corresponde à simulação acima. Portanto, o ganho do circuito acima é 1,9 e a diferença de tensão é 0,5V. Portanto, este circuito irá basicamente medir a diferença entre as tensões de entrada e multiplicá-la pelo ganho e produzi-la como a tensão de saída.

Você também pode notar que a tensão de entrada V1 e V2 aparece no resistor Rg, isso é devido ao feedback negativo do Op-amp U1: A e U1: B. Isso garante que a queda de tensão em Rg seja igual à diferença de tensão entre V1 e V2, o que faz com que uma quantidade igual de corrente flua pelos resistores R5 e R6, tornando a tensão no pino 3 e no pino 2 igual no amplificador operacional U2: A. Se você medir a tensão antes dos resistores, poderá ver a tensão de saída real do amplificador operacional U1: A e U1: B, cuja diferença será igual à tensão de saída conforme mostrado acima na simulação.

Testando o Circuito Amplificador de Instrumentação no Hardware

Enough Theory permite construir o mesmo circuito em uma placa de ensaio e medir os níveis de tensão. Minha configuração de conexão é mostrada abaixo.

Usei a fonte de alimentação da placa de ensaio que construímos anteriormente. Esta placa pode fornecer 5V e 3,3V. Estou usando o trilho de 5 V para alimentar meus dois amplificadores operacionais e o 3,3 V como a tensão de entrada do sinal V2. A outra tensão de entrada V2 está definida para 2,8 V usando meu RPS. Como também usei um resistor de 10k para R e um resistor de 22k para R1, o ganho do circuito será de 1,9. A diferença de tensão é de 0,5 V e o ganho é de 1,9 produto, o que nos dará 0,95 V como tensão de saída que é medida e exibida na imagem usando um multímetro. O funcionamento completo do circuito amplificador de instrumentação é mostrado no vídeo com link abaixo.

Da mesma forma, você pode alterar o valor de R1 para definir o ganho conforme necessário usando as fórmulas discutidas acima. Como o ganho deste amplificador pode ser controlado facilmente usando um único resistor, ele é frequentemente usado no controle de volume para circuitos de áudio.

Espero que você tenha entendido o circuito e gostado de aprender algo útil. Se você tiver alguma dúvida, deixe-a na seção de comentários abaixo ou use o fórum para uma resposta mais rápida.