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Tecnologia em Automação Industrial

ELETRÔNICA IIAula 14

Amplificadores Operacionais~:

Amplificador de Instrumentação

Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino

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Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO

• In-amp ou amplificador diferencial de instrumentação

• O amplificador de instrumentação é um amplificador diferencial otimizado em seu desempenho CC, que permite obter algumas características muito especiais, como:

a) Resistência de entrada extremamente alta;

b) Resistência de saída menor que a dos amp-ops comuns;

c) CMRR superior a 100dB;

d) Ganho de tensão em malha aberta muito superior ao dos amp-ops comuns;

e) Tensão de offset de entrada muito baixa;

f) Deriva de temperatura (drift) extremamente baixo;

• Em resumo, o amp-op de instrumentação agrega a maior quantidade possível das características mais desejadas pelos projetistas.

(PERTENCE JR,2015)


AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO (in-amp)

• Os amp-ops de instrumentação são normalmente utilizados em controle de processos industriais.

• Os amp-op de instrumentação possuem aplicações mais restritas, entretanto, possuem a capacidade de desempenhar sua função com resultados superiores se com comparado a um amp-op tradicional.

• obs.: nem todo amplificador presente em um instrumento de medição necessariamente é um amplificador de instrumentação.

(PERTENCE JR,2015)


AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO (in-amp)• As aplicações industriais dos amp-ops de instrumentação são inúmeras.

• Normalmente um dos sinais (V1 ou V2) é proveniente de sensores ou transdutores colocados nas malhas de controle do sistema, e o outro sinal é fixado num determinado valor, denominado referência ou set-point, o qual informa ao sistema a condição na qual o mesmo está estabilizado ou, em outras palavras, fornece a condição padrão desejada do sistema. Aplicações desse tipo exigem alta precisão.

• Existem aplicações em que há a necessidade de medir sinais muito pequenos (da ordem de microvolts ou poucos milivolts) na presença de comparativamente grandes sinais de ruído provenientes de diferentes fontes, como podem ser motores e dutos de iluminação. Para realizar tais medições, os aparelhos deverão utilizar em sua entrada amplificadores de instrumentação com um adequado CMRR (razão de rejeição de modo-comum).

• Amp-op comum versus In-amp:• O amplificador diferencial com um amp-op comum tem uma grande limitação: a sua baixa

impedância de entrada, se comparada com o amplificador não-inversor, por exemplo. • Isto ocorre devido à presença de resistores nas entradas do circuitos. • Uma maneira de resolver esse problema é adicionando um amplificador não-inversor atuando

como buffer em cada entrada.• Com essa configuração obtém-se um amplificador diferencial com altíssima impedância de entrada

que amplificam a diferença entre dois sinais e recusam sinais que entram em modo comum.

(PERTENCE JR,2015)


AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO (in-amp)

• É desenvolvido através de um arranjo com outros amplificadores operacionais• São utilizados resistores de

precisão, geralmente casados dentr de ±0,1%

• Nesta configuração:• o primeiro estágio é

responsável pelo ganho • e o segundo estágio é

responsável pelo CMRR, • e para que este valor seja

elevado o amplificador de instrumentação é comercializado em um único integrado.

• O centro do potenciômetro RG, atua como um terra virtual para um sinal de entrada diferencial e como um ponto flutuante para o sinal em modo comum, dessa forma, o sinal diferencial é amplificado, mas o sinal em modo comum não.

(PERTENCE JR,2015)


𝑉𝑜 = 1 +𝑅𝑓

𝑅1𝑉1

Caso: 𝑅2 = 𝑅1 e 𝑅3 = 𝑅𝑓, temos:

𝑉𝑜 =𝑅𝑓

𝑅1𝑉2 − 𝑉1

(PERTENCE JR,2015)


𝑉𝑜 = 1 +2𝑅2𝑅𝑔

(𝑉2 − 𝑉1)

O ganho do circuito pode ser controlado por Rg

𝑉𝑥 − 𝑉1𝑅2

+𝑉2 − 𝑉1𝑅𝑔

= 0 ⇒

𝑉𝑦 − 𝑉2

𝑅2+𝑉1 − 𝑉2𝑅𝑔

= 0 ⇒

𝑉𝑥 =𝑉1. 𝑅𝑔 + 𝑉1. 𝑅2 − 𝑉2. 𝑅2

𝑅𝑔

𝑉𝑦 =𝑉2. 𝑅2 + 𝑉2. 𝑅𝑔 − 𝑉1. 𝑅2

𝑅𝑔

𝑉𝑜 = (𝑉𝑦 − 𝑉𝑥)

(PERTENCE JR,2015)


Cis IN-AMP• Amplificadores de instrumentação monolíticos (CIs) normalmente têm ganho de tensão entre 1

e 1000, que pode ser definido com um resistor externo, uma CMRR maior que 100dB, uma impedância de entrada superior a 100MΩ, uma tensão de offset inferior a 0,1mV, uma deriva menor que 0,5μV/0C e outros parâmetros excelentes.• Circuito integrador com amplificadores de instrumentação alcançam CMRR maiores do que 100 dB (CMRR >

105), mas este valor costuma decair com a frequência.

• É muito difícil, do ponto de vista tecnológico, construir um amp-op que atenda simultaneamente a todas as características citadas.• O projetista deve verificar qual o fator crítico para o desenvolvimento do projeto.

• Alguns amp-ops de instrumentação possuem pinos especiais para ajuste da tensão de offset (p.e., μA725). Entretanto, outros não apresentam este recurso (LH0036) e o ajuste deve ser feito externamente, através de uma rede resistiva.

• Existem amp-ops de instrumentação que possuem aplicações específicas. P.e., o LH 0036 é projetado para ser utilizado exclusivamente como um amplificador diferencial de alta precisão.

• Exemplos de amp-ops de instrumentação integrados:• AD620, AD8221 da Analog Devices, INA118, INA333 e INA103 da Texas Instruments.

(PERTENCE JR,2015)


AD620

• A resistência externa RG é usada para controlar o ganho de tensão do amplificador de instrumentação monolítico.

• A folha de dados fornece a equação para o seu ganho de tensão: 𝐴𝑣 =49,4𝑘Ω

𝑅𝐺+ 1

• O fabricante de CIs usa corte a laser para obter umvalor preciso de 49,4kΩ

• Caso seja utilizado um resistor RG de 499Ω, o ganhos de tensão será:𝐴𝑣 =49,4𝑘Ω

499+ 1 = 100

(FRENZEL JR,2015)

O pino 5 pode ser aterrado. Se for necessário fazer a interface com outro circuituo, podemos compensar o sinal de saída por meio da aplicação de uma tensão CC ao pino 5.


Exemplo

(FRENZEL JR,2015)


BIBLIOGRAFIA• BOYLESTAD, Robert L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11ª ed. São Paulo:

Pearson Prentice-Hall do Brasil, 2005.

• PERTENCE JR, A. Amplificadores operacionais e filtros ativos. 8ª ed. Porto Alegre: Bookman, 2015.

• SEDRA, A.S.; SMITH, K.C. Microeletrônica. 4ª ed. São Paulo: Pearson Makron Books, 2000.

• MALVINO, A,. BATES, D.J. Eletrônica. V. 1. São Paulo: Mcgraw Hill, 2008.

• MALVINO, A,. BATES, D.J. Eletrônica. V. 2. São Paulo: Mcgraw Hill, 2008.

• FRENZEL JR., L.E. Eletrônica moderna: fundamentos, dispositivos, circuitos e sistemas. Porto Alegre: AMGH,2016.

http://www.peb.ufrj.br/cursos/eel710/EEL710_Modulo04.pdf

http://www.embarcados.com.br/amplificador-operacional-amplificador-de-instrumentacao/

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