AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial tensión-tensión cuya   ganancia puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que  opere de acuerdo a su propia especificación aún en un entorno hostil. Es un elemento  esencial de los sistemas de medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que  ofrece características funcionales propias e independientes de los restantes elementos con 

los que interacciona. Para ello, se le requiere: 

a) Tengan unas características funcionales que sean precisas y estables. 

b) Sus características no se modifiquen cuando se ensambla con otros elementos. 

A los amplificadores de instrumentación se les requieren las siguientes características: 

1) Son amplificadores diferenciales con una ganancia diferencial precisa y estable, generalmente en el rango de 1 a 1000. 

2) Su ganancia diferencial se controlada mediante un único elemento analógicos  (potenciómetro resistivo) o digital (conmutadores) lo que facilita su ajuste.

3) Su ganancia en modo común debe ser muy baja respecto de la ganancia diferencial, esto es, debe ofrecer un CMRR muy alto en todo el rango de frecuencia en que opera.

4) Una impedancia muy alta para que su ganancia no se vea afectada por la impedancia de la fuente de entrada. 

5) Una impedancia de salida muy baja para que su ganancia no se vea afectada por la carga que se conecta a su salida. 

6) Bajo nivel de las tensión de offset del amplificador y baja deriva en el tiempo y con la  temperatura, a fin de poder trabajar con señales de continua muy pequeñas. 

7) Una anchura de banda ajustada a la que se necesita en el diseño. 

8) Un factor de ruido muy próximo a la unidad, Esto es, que no incremente el ruido.

9) Una razón de rechazo al rizado a la fuente de alimentación muy alto.

El amplificador diferencial básico construido con un único amplificador operacional,  satisface algunas de las características del amplificador de instrumentación, pero no todas. No obstante, como es la base de los amplificadores de instrumentación es interesante  analizar algunas de sus características.

Para que el amplificador se comporte como amplificador diferencial debe verificarse: 

(R2/R1)= (R4/R3)   ===>   Ad= -(R2/R1) ; Ac = 0

El amplificador diferencial básico es un amplificador de instrumentación de muy bajas  prestaciones, porque: 

a) Requiere modificar dos componentes para modificar su ganancia diferencial,  manteniendo la ganancia en modo común nula. 

b) Es muy difícil conseguir CMRR muy altos. El CMRRTOTAL del circuito se degrada  por dos causas: 

- El amplificador operacional tiene un CMRRAO finito. 

- Las resistencias difícilmente se pueden ajustar para que exactamente satisfagan  la relación R1R4=R2R3,y en consecuencia se genera un CMRRR.

resultando como combinacion de ambos.

c) La impedancia de entrada es muy baja 

Zid = R1+ R3

Esta característica podría mejorarse poniendo sendos amplificadores en configuración seguidor en la entrada. 

d) La anchura de banda es baja si la ganancia diferencial es alta BW= α  fT= fT/(Ad+1).

CONFIGURACIÓN BÁSICA DE AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN. 

La configuración mas utilizada como amplificador de instrumentación está constituido por tres amplificadores operacionales utilizados de acuerdo con el esquema de la figura. 

El análisis de este circuito es mas instructivo si se analiza considerando propiedades de simetría. 

a) Cuando es excitado con una entrada en modo diferencial -v1=v2=vd/2, el punto medio de la  resistencia RG permanece a 0 voltios (por simetría).

                              

b) Cuando es excitado con una entrada en modo común v1=v2=vc, las señales va y vb deben ser igual a vc, sean cual sean los valores de las resistencias RG, R1 y R’1.

El circuito funciona como amplificador diferencial si las resistencias satisface la relación.

(R3/R´3) = (R2/R´2) ====> Ad= -(R3/R2) ( 1+ R1/RG + R´1/RG) ; Ac = 0

En el caso de que el circuito sea simétrico 

                    R1= R´1 ===> Ad =-( R3/R2 ) ( 1+ 2R1/R2 ) ; Ac = 0

El CMRR de este amplificador de instrumentación depende de los dos factores: 

a) Las resistencias no satisfacen exactamente la relación entre resistencias R2R’3=R3R’2. El CMRR debido a las resistencias es: 

b) Los amplificadores operacionales tienen CMRR finito.  El CMRR total del amplificador de instrumentación debido a ambas causas integradas  es:

A la vista de esta expresión, se observa que los dos primeros términos se cancelan si se utilizan amplificadores operacionales duales integrados (CMRR1 = CMRR2) y CMRRTOTAL aumenta.

Dado que las resistencias no se  pueden fabricar con una precisión excesiva, para conseguir 

que el último termino no degrade  el CMRR, se suele hacer la  resistencia R’3,y experimentalmente se ajusta su valor de  forma que se minimice la ganancia en modo común y con ello se  haga maximiza el CMRR.

La anchura de banda de la ganancia diferencial de un amplificador de instrumentación  depende de la anchura de banda de cada una de sus etapas. Estas son:

 La anchura de banda del amplificador de instrumentación compuesto se puede calcular,  de forma aproximada, aplicando la formula composición de la anchura de banda en  etapas en cascada.

En la figura se muestra el símbolo que suele utilizarse para representar este tipo de 

amplificador de instrumentación.

Obsérvese que el símbolo representa que la resistencia RG es externa al amplificador y es el elemento con el que el diseñador fija la ganancia diferencial del amplificador.  El terminal Output_Reference y Output_Sense permiten introducir dos resistencia (una  de ellas ajustable) para maximizar el CMRR en el caso que se requiera. Así mismo,  estos terminales pueden utilizarse para compensar los errores que podrían introducir los  cables hasta la carga cuando estos son largos. 

Así mismo, la presencia de los terminales de salida introduce la capacidad de incluir  etapas de salidas especiales dentro del bucle de realimentación, y con ello desensibilizar ,la características del amplificador del comportamiento de la etapa de salida.


Es posible controlar la ganancia de un amplificador de instrumentación mediante una red de resistencias cuya topología se puede seleccionar digitalmente. Este tipo de  amplificador se denomina Amplificador de Instrumentación de Ganancia Programable. La red de resistencias tiene una topología “ladder” simétrica y accionando los  conmutadores complementarios se puede controlar la ganancia del amplificador.

Acontinuacion se encuentra un enlace para ver un ejemplo detallado de las especificaciones de un amplificador de instrumentacion

Especificiaciones amplificadoreS de isntrumentacion INA128 Y INA 129

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PUENTES DE  MEDICIÓN 

Las mediciones de precisión de los valores de los componentes se realizan mediante uso de los puentes. Dependiendo del tipo de componente y de las características del mismo las mediciones se efectúan con el uso de un puente en particular.

PUENTES DE CONTINUA 

PUENTE DE WHEATSTONE

El puente tiene 4 ramas resistivas, una fuente de alimentación y un detector de  cero. Generalmente un galvanómetro u otro medidor sensible a la corriente. La corriente a través del galvanómetro depende de las diferencia de potenciales  entre los puntos c y d. Se dice que el puente estaba balanceado (o en equilibrio) cuando  la diferencia de potenciales a través del galvanómetro es de cero volts, de forma que no  hay paso de corriente a través de él.

Por lo tanto el equilibrio se logra cuando:

Uca = Uda   o    Ucb = Udb.

Puente de wheatstone

En consecuencia:

I1.R1= I2.R2

Si la corriente del galvanómetro es cero:

I1=I3=E / (R1+R3)

I2=Ix=E / (R2+Rx) 

Al combinar estas dos últimas ecuaciones, simplificando y despejando Rx se obtiene:

Rx=R3.(R2/R1)

La resistencia R3 se denomina resistencia patrón del puente, y las resistencias R1y R2 se las nombra ramas de relación. La resistencia Rx es la resistencia a determinar. El puente Wheatstone se emplea en mediciones de precisión de resistencia  desde 1 [Ω] hasta varios [MΩ], la fuente principal de errores de medición se encuentra en los errores límites de  las 3 resistencias conocidas.

Para medir resistencias bajas se usa el puente de kelvin que a continuación desarrollamos.

En la siguiente imagen podemos observar un entrenador diseñado explicitamente para estudiar el funcionamiento del puente de wheatstone

En el siguiente link se encuentra disponible una calculadora que nos permite encontrar el voltaje de salida con solo ingresar los valores de las resistencias y el voltaje de entrada en los espacios indicados.

CALCULADORA DE PUENTE DE WHEATSTONE

PUENTE DE KELVIN

 El puente de Kelvin es una modificación del puente de Wheatstone y  proporciona un gran incremento de la exactitud de las mediciones de resistencias de  valor bajo, por lo general inferiores a 1 [Ω]. 

En donde RY representa la resistencia del alambre de conexión de R3 a Rx.  El Galvanómetro se puede conectar al punto m o al punto n.

Cuando se conecta al punto m: RY se suma a Rx.
Cuando se conecta al punto n: RY se suma a R3.

Si se conecta el galvanómetro a p, la razón de la resistencia de n a p y de m a p iguala la razón de las resistencias de R1 y R2.

Rnp / Rmp= R2 / R1

La ecuación de equilibrio para el puente da:

Rx + Rnp= (R2 / R1)(R3 + Rmp)

A partir de las dos últimas ecuaciones Rx nos da:

Rx =R3R1/R2

En la siguiente imagen podremos observar un entrenador diseñado para estudiar los valores principales de trabajo de resistencias desconocidas.

PUENTE DOBLE DE KELVIN O THOMPSON

El término doble se debe a que el circuito tiene un segundo juego de ramas de  relación. Se utiliza para medir resistencias menores a 1[Ω].

Las resistencias Rx y Rp (resistencias desconocido y patrón respectivamente), son resistencias de 4 terminales, construcción que se emplea para Shunt y patrones de resistencias.

La resistencia de 4 terminales tiene 2 pares de bornes, es decir dos bornes 
de tensión (bornes superiores) y dos bornes de corriente (bornes inferiores).
El equilibrio se cumple:

I1 = I2 ; I3 = I4 ; Ix = Ip

I1.R1 = IxRx + I3R3

2R2 = IpRp + I4R4

Resolviendo estas ecuaciones obtenemos:

RX = (R1 / R2)RP + (I3 / IX)R1[(R1 / R2) - (R3 / R4)]

Haciendo: (R1 / R2) = (R3 / R4), la expresión para Rx nos queda:

Rx=Rp(R1 / R2)

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INTERPRETACIÓN DE ESPECIFICACIONES

La especificación de un instrumento de medida es la descripción escrita de su comportamiento que objetivamente cuantifica sus posibilidades. Sin embargo, no todos los fabricantes especifican con los mismos criterios o, tan siquiera, con los mismos parámetros. Además, hay fabricantes agresivos que presentan unas especificaciones aparentemente superiores a las reales, mientras que otros más conservadores, prefieren especificar el comportamiento del peor de sus equipos. Las especificaciones definen el comportamiento no de un equipo en particular, sino de todos los equipos del mismo lote o del mismo modelo. Por ello, es habitual que las especificaciones de un modelo se presenten de tal forma que un gran porcentaje de los equipos de aquel modelo se comporten al menos tan bien como se presenta  en sus especificaciones. 

Dado que las especificaciones de todos los equipos de un mismo modelo tienden a distribuirse de forma normal o gaussiana, nos encontraremos, por una parte, que la mayoría de los equipos se comportan mejor de lo esperado y, por otra, que unos pocos equipos no cumplen con las tolerancias especificadas. En este último caso, la garantía del equipo compromete al fabricante a reajustar el equipo sin cargo alguno de reparación. Pero, ¿qué parámetros definen el comportamiento de un equipo de medida, y cómo los cuantificamos de forma objetiva? Términos como error, tolerancia, precisión, exactitud o incertidumbre se utilizan a menudo con este propósito, pero no siempre se emplean de forma correcta.

Rango de medida ( Range )

El rango define los valores mínimo o límite inferior (lower range limit) y máximo o límite superior (upper range limit) de lectura para los cuales el equipo ha sido diseñado.

Alcance (span)

El alcance es la diferencia entre el valor máximo y el mínimo de la variable de entrada del instrumento de medida. Hay que destacar que muchos equipos presentan un alcance que puede ser ajustado según los requisitos de la señal (calibrated span). En este caso el alcance puede no coincidir con los valores que definen su rango.

Fondo de escala (full-scale reading)

Máximo valor que puede medir el instrumento o del que se obtiene lectura.

Exactitud (accuracy)

Es la capacidad de un equipo de medida de dar indicaciones que se aproximen al verdadero valor de la magnitud medida. Para expresar esto, se indica el intervalo dentro del cual puede recaer el valor real del mensurando. Se debe evitar traducirlo como “precisión”, ya que el término precisión en inglés denota otro significado, como se verá a continuación. La exactitud es un parámetro determinante para la elección de un equipo u otro.

Tolerancia (tolerance)

La tolerancia es un término íntimamente relacionado con la exactitud y define el máximo error esperado en cierto valor. Estrictamente hablando, no es una característica estática del instrumento de medida. La tolerancia, cuando se emplea de forma apropiada, hace en realidad referencia a la desviación de un producto fabricado respecto a

un valor especificado.

Fidelidad (precision)

La fidelidad es la cualidad que caracteriza la capacidad del instrumento de medida para dar el mismo valor de magnitud al medir varias veces en unas mismas condiciones. Un instrumento con fidelidad alta implica que, al tomar muchas medidas, la dispersión en éstas es muy baja. Esta característica no guarda ninguna relación con la exactitud del instrumento.

Desplazamiento (bias, offset)

Un desplazamiento en la medida se produce cuando existe un error constante sobre todo el rango de medida. Este error generalmente puede ser eliminado por medio de un procedimiento de ajuste (ajuste por cero).

 Linealidad (linearity)

Generalmente se desea que la lectura de los equipos de medida sea linealmente proporcional a la cantidad medida. Esto significa que debe ser posible trazar una línea recta que haga corresponder cada valor de la cantidad medida con la lectura de salida. La no linealidad del equipo queda definida como la máxima desviación (o residuo) de las lecturas respecto a dicha recta.

La sensibilidad de la medida 

La sensibilidad de la medida es la variación relativa de la salida del instrumento frente a un incremento en la cantidad medida.

 Sensibilidad ante perturbaciones (sensitivity to disturbance)

Todas las especificaciones indicadas en la hoja del fabricante, o bien obtenidas por calibración de un equipo de medida, sólo son válidas para condiciones normales controladas de temperatura, presión, etc. Si tienen lugar cambios en esas condiciones, las características estáticas del instrumento pueden sufrir variaciones. Estas alteraciones pueden modificar las características del instrumento de dos formas:

•  Deriva de paso por cero (zero drift/offset): Se trata de una lenta variación con el tiempo del valor de paso por cero. Este cambio generalmente tiene lugar como consecuencia de una variación de temperatura. El efecto que trae asociado es un desplazamiento en la lectura.

•  Deriva de la sensibilidad (sensitivity drift/scale factor drift): es la variación que tiene lugar en la sensibilidad del instrumento como consecuencia de un cambio en las condiciones ambientales.

IMPEDANCIA DE ENTRADA

Al intentar medir una magnitud, el instrumento necesita afectar el valor de esa magnitud medida a fin de cuantificarla. La impedancia de entrada es una medida de la capacidad del instrumento de medir esa magnitud,  afectándola el menor grado posible. En consecuencia, a mayor impedancia de entrada, mejor será la calidad del instrumento de medida.

En los instrumentos analógicos esta es variable de acuerdo al rango utilizado y se expresa en

OHM/volts Resp (Resistencia específica).

 La resistencia de entrada es:     Rv  = Resp (Kohm/V) x Rango (v)

En los instrumentos digitales, la resistencia de entrada es un valor fijo que depende del modo de lectura (Voltios o Amperes) independiente de la escala usada. En modo de medición de Tensión la impedancia se mide en Megohms. En el caso de medición de corriente, se dá también la máxima caída de tensión que se produce en los terminales de entrada del instrumento.

CONDICIONES AMBIENTALES DE USO

Son las condiciones ambientales (temperatura y humedad, polvo) y posición en las cuales  pueden ser usados los instrumentos, y en las cuales  se cumplen las especificaciones indicadas por los manuales. Dependiendo del instrumento, se indican las temperaturas máximas y mínimas dentro de las cuales pueden ser usados, y las temperaturas máximas y mínimas dentro de las cuales pueden ser guardados. Normalmente el rango de temperaturas de almacenamiento es mayor al de operación. 

En cuanto a la humedad, se aplica los mismos conceptos que para la temperatura, siendo expresado los límites en % de humedad ambiente. En los instrumentos digitales normalmente no se aplica este concepto, debido a que la cuantificación de la información medida se hace por medios electrónicos, no haciéndose uso de elementos mecánicos, por lo cual la posición no afecta a la lectura. En los instrumentos de bobina móvil, ya que la indicación de la lectura se hace a través de aguja acoplada a una bobina móvil que se desplaza radialmente en un campo magnético generado por un cilindro magnético, se debe indicar la posición en que se debe colocar el instrumento. Normalmente se indica con un símbolo, para indicar que se debe usar en posición horizontal con el visor hacia arriba. Esto es debido a que en esta posición, el peso de la aguja no afecta a la medición realizada

En las siguientes imágenes podemos ver las especificaciones dadas por el fabricante para un multimetro digital modelo 3466A

Especificaciones de voltaje DC

Especificaciones de voltaje AC

Especificaciones del Ohmetro

Multimetro Digital Modelo 3466A

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