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Informe 1, Laboratorio de Bioinstrumentación

28/ 02/ 2018

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION Arias Pérez Leidy, María Camila Betancourt, Tobón Pareja Sara Manuela. Medellín, Antioquia. Instituto Tecnológico Metropolitano. [email protected], [email protected], [email protected]. Resumen: Con la realización del laboratorio se puso en práctica conceptos sobre la evaluación de varios parámetros del amplificador de instrumentación AD620, como lo son el ancho de la banda y el factor de rechazo en modo común. También, se logró diseñar configuraciones de amplificadores de instrumentación siguiendo los parámetros pedidos y por consiguiente comparar los datos obtenidos con las simulaciones. Summary: With the realization of the laboratory it was put into practice concepts on the evaluation of various parameters of the AD620 instrumentation amplifier, as are the width of the band and the rejection factor in common mode. Also, we managed to design instrumentation amplifier configurations, according to the ordering parameters and therefore to compare the data obtained with the simulations

1.

INTRODUCCIÓN

El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial el cual amplifica señales de muy baja frecuencia cuya ganancia puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido mejorado para que opere de acuerdo a su propia especificación aun en un entorno desfavorable. Estos amplificadores ofrecen una característica en simultánea, como alta impedancia en la entrada, alto rechazo en modo común, ganancia estable que se varía con una sola resistencia, entre otras. Se utilizara este dispositivo con el objeto de realizar mediciones de modo de rechazo común (CMRR) y medidas de saturación del amplificador. Por último se desea simular y analizar cómo se comporta los amplificadores operacionales y de instrumentación con respecto a la respuesta de frecuencia y voltaje. 2.

METODOLOGÍA

Antes de la práctica de laboratorio se realizaron las simulaciones de los dos (2)

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circuitos descritos en la guía de laboratorio. Ambos circuitos se simularon en Proteus con la finalidad de comparar los datos obtenidos con los reales. 2.1. Evaluación de parámetros amplificador de instrumentación

del

Se diseñó un amplificador de instrumentación con ganancia de 10, basándonos en la hoja de datos de este en el circuito propuesto en la guía de laboratorio descrito en la Figura 1, seguido de este se configuro el generador de señales con una señal sinodal de 200 mVpp, frecuencia de 1 kHz y en la fuente dual un voltaje de 12 V.

Figura 1. Circuito tomado de la guía de laboratorio. Para diseñar una ganancia de 10 utilizando un amplificador de instrumentación, se utilizaron las

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Informe 1, Laboratorio de Bioinstrumentación ecuaciones de ganancia suministradas en las hojas de datos del AD620, 𝐺=

49.4𝑘Ω 𝑅𝐺

+ 1,

(1)

Donde G y RG, representan respectivamente la ganancia y la resistencia de ajuste.

28/ 02/ 2018 2.2. Medición de la amplificación de voltaje y cálculo de la ganancia real. En el generador de señales se aumentó el voltaje sin variar la frecuencia hasta que la señal se deformo debido a la saturación del AD620, dicha deformación se observó en el osciloscopio como se muestra en la Figura 3.

Para determinar la resistencia de ajuste, RG se despeja de la ecuación (1). 𝑅𝐺 =

49.4𝑘Ω 49.4𝑘Ω = = 5.48Ω 𝐺−1 10 − 1

El montaje implementado durante la práctica utilizando el AD620 y una ganancia de 10 se puede observar en la Figura 2. Figura 3. Voltaje de saturación tomado del osciloscopio.

Figura 2. Simulación del circuito del amplificador de instrumentación. Se instaló el generador de señales y a la fuente ya configurados al circuito, donde el valor del voltaje real de la fuente dual, positivo y negativo, fue de 12 V y finalmente se validó que la ganancia fuera efectivamente lo calculado, utilizándola relación: 𝐺=

𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑖𝑛

,

Figura 4. Voltaje de Saturación de Proteus Los resultados obtenidos se consignaron en la Tabla 1 y se compararon con la simulación Proteus.

(2)

Donde G, Vout, Vin son respectivamente la ganancia, el voltaje de salida y el voltaje de entrada.

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Tabla 1. Medición de la amplificación del voltaje y cálculo de la ganancia real.

Tabla 2. Medidas del ancho de banda 2.3. Medida del ancho de banda Inicialmente se calculó la ganancia de la simulación y la practica con relación definida en la ecuación (2). Se configuro la amplitud del generador de señales en 400 mV y estas fueron respectivamente: 𝐺= 𝐺=

𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑚𝑉 𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 𝑉𝑖𝑛 𝑚𝑉 𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑚𝑉 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑉𝑖𝑛 𝑚𝑉 𝑟𝑒𝑎𝑙

(3) (4)

Luego se varió la frecuencia sin cambiar la amplitud, desde 1 kHz hasta la frecuencia de corte. Se midieron los diferentes valores de Vo, para las diferentes frecuencias se registraron en la Tabla 2 y finalmente se realizó el grafico de frecuencia en [Hz] vs ganancia que se muestra en la Figura 4 y se comparó con la simulación.

Figura 5. Frecuencia de saturación en Proteus

Figura 6. Gráfico de frecuencia en [Hz] vs Ganancia.

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En la practica el AD620m no amplifica de la misma forma todo el rango de frecuencias, a medida que la frecuencia de la señal aumenta la ganancia disminuye; en este caso cuando se aumenta la frecuencia a 500 kHz y 700 kHz respectivamente, la ganancia de tensión del amplificador comienza a disminuir hasta un 70% que nos indica la frecuencia de corte y el límite superior del ancho de banda de este amplificador. Esta frecuencia se confirma con la Figura 5, la cual se obtuvo de la hoja de datos del AD620 y muestra una relación de la Frecuencia vs Ganancia.

Figura 8. Medida del Slew Reit, tomada del osciloscopio. Frecuencia 10kH

Figura 7, Frecuencia vs Ganancia, tomada del Datasheet (1999). Figura 9. Medida del Slew Reit, tomada del osciloscopio. Frecuencia 100kH

2.4. Medida del Slew Rate Configurando la señal de entrada como una señal cuadrada con amplitud pico-pico de 2 Voltios y la Frecuencia de 10 y 1000 Hz se utiliza la ecuación (6) 𝑆𝑟 = 𝑉𝑖 ∗ 2𝜋 ∗ 𝐹

(6)

𝑆𝑟 = 2𝑉 ∗ 2𝜋 ∗ 10𝑘𝐻𝑧 = 125.66 𝑉. 𝑘𝐻𝑧 𝑆𝑟 = 2𝑉 ∗ 2𝜋 ∗ 1000𝑘𝐻𝑧 = 12566,37 𝑉. 𝑘𝐻𝑧

2.5. Medida del factor de rechazo en modo común (CMRR) Utilizando el circuito propuesto por la Figura 1, se conectaron las dos entradas al amplificador de instrumentación a la misma señal, el generador de señales con un voltaje de 2 V y una frecuencia de 1 kHz. Para hallar el CMRR se utilizaron las siguientes ecuaciones: 𝐶𝑀𝑅𝑅 = 𝐴𝑀𝐶 = 𝐴𝐷 =

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𝐴𝐷 𝐴𝑀𝐶

𝑉𝑜 𝑉𝑀𝐶

𝑉𝑜 𝑉𝐷

,

,

,

(7) (8) (9)

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Donde AD, AMC, Vo, VMC y VD son respectivamente la ganancia diferencial, la ganancia en modo común, el voltaje de salida, el voltaje en modo común y el voltaje diferencial. El CMRR se calculó con la ecuación (7) para el valor de la salida registrada. 𝐶𝑀𝑅𝑅 =

Figura 11. Amplificador de instrumentación utilizando tres amplificadores operacionales. OUT

200 = 0,5 400

Normalmente el CMRR se expresa en decibeles, para esto se debe calcular el algoritmo decimal del resultado anterior y multiplicarlo por veinte (20). 𝐶𝑀𝑅𝑅 𝑒𝑛 𝑑𝐵 = 20log(𝐶𝑀𝑅𝑅)

(10)

𝐶𝑀𝑅𝑅 𝑒𝑛 𝑑𝐵 = 20 ∗ log(0,5) = −6.020 𝑑𝐵 2.6. Simulación del amplificador de instrumentación utilizando amplificadores operacionales Para la simulación de la figura 7 se utilizó una señal senoidal de 200 mVpp y una frecuencia de 1 kHz, una fuente dual con voltaje ± 12 V y tres amplificadores operacionales de propósito general con ganancia de 10.

Respecto a la respuesta en frecuencia de la figura 10 y la figura 12, se puede decir que la ganancia en el amplificador de instrumentación utilizando tres amplificadores operacionales, Figura 7, difiere si se compara con el AD620, teniendo una mayor exactitud y precisión, en la Figura 9. Puesto que sus características se encuentra que está diseñado en una sola capsula para trabajar en una frecuencia más grande sin ocasionar pérdidas significativas de ganancia.

Figura 12. Amplificador instrumentación AD620

Figura 10. Amplificador instrumentación utilizando amplificadores operacionales. IN

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de tres

de

Esto se presenta por la calidad del amplificador y los factores que afectan dicha ganancia del AD620 únicamente es necesario variar una resistencia, mientras que la ganancia del circuito implementado en la figura 7, es necesario cambiar dos valores de resistencias y mantener la relación R2/R1 y R4/R3.

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CONCLUSIONES

La ganancia en modo de los amplificadores de instrumentación debe ser alta respecto de la ganancia diferencial, por ello, debe entregar un CMRR muy bajo en todo el rango de frecuencia que opera.

[3] J. Maria y D. Moyano, “Tema III: El Amplificador de Instrumentacion”, 2005. [4] Electrónica Unicrom, "Internet", Disponible en: http://unicrom.com/amplificadoroperacional-inversor-en-ca-ac/

Se logró observar en la simulación el aumento del voltaje hasta alcanzar la saturación del amplificador. Cabe resaltar que en el trabajo practico la saturación nos saturo en 1 V. Se puede demostrar también que a ciertas frecuencias el amplificador se comporta como inverso, dado que su ganancia es constante en un tiempo determinado. Se determina que el uso de simulación es de gran beneficio y de mayor precisión o acercamiento a la realidad debido a que la parte práctica existen múltiples factores que afectan las mediciones que se pueden ver atenuados en los procesos de simulación. El circuito integrado amplificador de instrumentación AD620 es un elemento electrónico importante para el acondicionamiento de una señal. Esta práctica nos deja como conclusión que para poder realizarla debemos tener en cuenta primero la simulación del circuito a presentar, para obtener los resultados antes de ejecutar el laboratorio puesto que esto nos ayuda a tener un patrón sobre los diferentes valores de resistencia y ganancia adecuados para poder revolverse la práctica y así generar buenos resultados sobre esta. REFERENCIAS [1] M. Toledo, “Amplificadores de instrumentación”, vol. 2, pp. 1-5, 2009. [2] Datasheet, “Low Cost, Low Power Instrumentation Amplifier AD620”, 1999.

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