23 fatti sull'amplificatore per strumentazione: la guida completa!

Introduzione alla strumentazione amplificatore

Un amplificatore per strumentazione è un particolare tipo di amplificatore che deriva dal soddisfare alcuni scopi specifici. L'amplificatore della strumentazione fornisce un guadagno più elevato, un CMRR elevato (rapporto di reiezione di modo comune) e impedenze di ingresso elevate. Quindi, possiamo dire che cerca di possedere la maggior parte delle caratteristiche di un amplificatore operazionale ideale.

Un amplificatore per strumentazione è spesso chiamato In-Amp o InAmp. Questo articolo discuterà in dettaglio su circuito, design, formule ed equazioni relative all'amplificatore di strumentazione.

3 Amplificatore operazionale per strumentazione

Un tipico amplificatore per strumentazione è costituito da 3 amplificatori operazionali regolari. Due di questi vengono utilizzati in una fase singola, mentre l'altro viene utilizzato per separare una fase. Tutti e tre gli amplificatori funzionano come amplificatori differenziali e tutti sono collegati con feedback negativi. Poiché gli amplificatori per strumentazione sono costituiti da 3 amplificatori, vengono spesso chiamati tre amplificatori operazionali.

Circuito amplificatore per strumentazione

L'immagine sotto rappresenta un tipico schema circuitale di un amplificatore per strumentazione. Osserva attentamente l'immagine poiché faremo riferimento alla foto per il resto dell'articolo.

Le tensioni di ingresso sono Vi1 e Vi2.

Le resistenze sono R1 (2), R2 (2), R3, R4 (2).

La tensione ai terminali A e B è rispettivamente VA e VB.

La corrente attraverso i rami R4, R3 e R4 è I.

L'uscita dell'amplificatore -1 è Vo1 e quella dell'amplificatore -2 è Vo2.

L'output di 3^rd l'amplificatore è Vout.

Progettazione di amplificatori per strumentazione

Un amplificatore per strumentazione è una combinazione di 3 amplificatori tipici. Sono collegati in un ordine specifico per costruire un amplificatore per strumentazione. Possiamo separare il progetto dell'amplificatore dello strumento in due parti.

La prima parte è "Due ingressi e due uscite". Sono collegati due amplificatori operazionali standard, come mostrato nella figura del circuito dell'amplificatore. Entrambi hanno un feedback negativo in quanto stabilizza maggiormente il circuito. L'uscita di entrambi gli amplificatori è collegata con tre resistenze.

La seconda parte è una base "Amplificatore differenziale". L'uscita di entrambi gli amplificatori precedenti funge da ingresso per l'ultimo amplificatore. Le uscite sono collegate con due resistori di valore identico con l'amplificatore. La sezione positiva è collegata a terra e il feedback negativo è associato al terminale negativo e l'o / p di questo amplificatore operazionale è l'uscita finale dell'amplificatore dello strumento.

Derivazione dell'amplificatore strumentale

Deriviamo le equazioni funzionali e le formule per l'amplificatore di strumentazione. Per ricavare le equazioni, fateci sapere cosa succede all'interno dell'intero amplificatore dello strumento. Come abbiamo accennato in precedenza, la separazione di due fasi così, la calcoleremo in parte.

Nella prima fase, l'ingresso è fornito ai terminali non invertenti di entrambi gli amplificatori. L'amplificatore è amplificatore differenziale. Quindi, scoprono la differenza tra le tensioni di ingresso date. Fare ora riferimento allo schema del circuito; le tensioni di ingresso sono Vi1 e Vi2. Il terminale invertente del circuito è collegato con feedback negativo dall'uscita degli amplificatori. Supponiamo che i terminali invertenti di entrambi gli amplificatori abbiano i potenziali VA e VB, rispettivamente. Appaiono nel nodo che si collega con le linee di resistenza e il ramo.

Considerando le opere di cortocircuito virtuale, i terminali A e B ricevono la stessa quantità di tensione degli ingressi. Quindi, possiamo dire, VA = Vi1, VB = Vi2. L'intero palco funziona come un amplificatore differenziale. Ciò significa che la differenza tra la tensione dei due ingressi sarà amplificata in uscita. L'uscita sarà di nuovo la differenza tra le due uscite di tensione. Ciò può essere espresso come segue:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Qui k è il guadagno dell'amplificatore.

Nella fase due, la differenza degli amplificatori viene alimentata come ingresso per l'amplificatore. L'amplificatore in questa fase funziona semplicemente come un tipico amplificatore. Le resistenze sono collegate con le informazioni sono degli stessi valori del requisito degli amplificatori differenziali. Il terminale invertente è associato alla massa e l'amplificatore è pensato per avere delle terre virtuali. Nella sezione successiva, deriveremo i calcoli matematici per un amplificatore per strumenti.

Equazione dell'amplificatore dello strumento

Le tensioni di ingresso sono Vi1 e Vi2.

Se il cortocircuito virtuale funziona, allora VA = Vi1 e VB = Vi2

Ora, non c'è flusso di corrente da A e B al ramo della resistenza. C'è solo una corrente tipica attraverso il ramo, e questa è la corrente I. 'I' è dato come:

I = (Vi1 - Vi2) / R3.

L'attuale "I" può anche essere calcolato utilizzando l'analisi del nodo. Viene come segue.

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

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

L'equazione sopra spiega il funzionamento del primo stadio. Per il secondo stadio, l'uscita dell'amplificatore operazionale è l'uscita finale dell'amplificatore di strumentazione.

Dal funzionamento di un amplificatore differenziale, possiamo scrivere che,

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

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

Questa è l'equazione dell'amplificatore di strumentazione o l'equazione di uscita di un amplificatore di strumentazione. Ora guarda la sezione di derivazione di questo articolo. Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2). L'equazione ottenuta è nello stesso formato.

Guadagno dell'amplificatore di strumentazione

Il guadagno dell'amplificatore è indicato come il fattore con cui l'amplificatore amplifica il segnale di ingresso. I valori di resistenza rappresentano il guadagno di un amplificatore di strumentazione. Il guadagno dipende anche dal tipo di feedback utilizzato. Il feedback positivo fornisce un guadagno maggiore, mentre il feedback negativo fornisce una migliore stabilità del sistema.

L'equazione generale dell'amplificatore di strumentazione è Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2), che rappresenta il guadagno come: 'k'.

Formula di guadagno dell'amplificatore di strumentazione

Come accennato in precedenza, il guadagno dell'amplificatore può essere derivato dall'equazione di uscita dell'amplificatore. L'equazione di output è la seguente:

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

Confrontando questa equazione con la seguente equazione:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Possiamo scrivere,

k = (R2 / R1) x (R3 + 2R4) / R3, questa è la formula del guadagno dell'amplificatore di strumentazione.

Amplificatore per strumentazione IC

Gli amplificatori tipici sono confezionati tramite circuiti integrati o circuiti integrati. Quindi, se vogliamo costruire un amplificatore strumentale usando normali amplificatori operazionali, dobbiamo usare i circuiti integrati degli amplificatori operazionali. È disponibile anche un CI separato per gli amplificatori di strumentazione. Non è necessario collegare un amplificatore operazionale con un altro. Questi tipi di circuiti integrati vengono utilizzati commercialmente dove vengono utilizzati più numeri di circuiti integrati alla volta.

Modulo amplificatore per strumentazione

I moduli degli amplificatori per strumentazione sono una combinazione di alcuni dispositivi elettronici e il principale di essi sono gli amplificatori per strumentazione. Due degli eccellenti amplificatori per strumentazione sono AD623, AD620.

I moduli sono utilizzati esplicitamente in dispositivi di ingegneria medica di bassa potenza, amplificatori di segnale a bassa potenza, termocoppie. Alcune delle caratteristiche sono: a) Fornisce un guadagno maggiore, b) Migliore stabilità, c) Bassa potenza d) Alta precisione.

Elenco IC amplificatore strumentale

Poiché un amplificatore per strumentazione può essere costruito utilizzando diversi circuiti integrati, abbiamo creato un elenco di tutti i circuiti integrati che possono essere utilizzati per amplificatori strumentali. I numeri IC sono riportati nell'elenco.

Amplificatore per strumentazione cella di carico

Le prestazioni dell'amplificatore di strumentazione aumentano gradualmente quando si collega la cella di carico. L'amplificatore fornisce un CMRR più elevato, impedenze di ingresso più elevate e quindi migliora le prestazioni. Il collegamento dettagliato per l'amplificatore di strumentazione con cella di carico è mostrato nell'immagine sottostante.

Strumentazione Tensione di offset dell'amplificatore

Ogni amplificatore operazionale ha la sua tensione di offset. La tensione di offset è definita come la tensione necessaria che deve essere applicata tra due ingressi per annullare la differenza tra loro e questo valore di offset di ogni amplificatore operazionale è specificato nella scheda tecnica fornita dal produttore. Per gli amplificatori per strumentazione, la tensione di offset è notevolmente inferiore, il che è desiderabile.

Forma d'onda dell'uscita dell'amplificatore della strumentazione

Per osservare l'uscita di un amplificatore di strumentazione, dobbiamo collegarlo con un CRO (Cathode Ray Oscilloscope). Forniamo input come onde sinusoidali come due segnali di input e il lavoro viene misurato dall'ultimo amplificatore. Le sonde coassiali sono collegate ai pin per osservare la forma d'onda in uscita. L'immagine sotto mostra l'output. L'uscita è la differenza amplificata tra le tensioni di ingresso applicate.

Strumentazione Funzione di trasferimento dell'amplificatore

La funzione di trasferimento di un sistema si riferisce al processo che descrive o fornisce l'output per ogni input. Poiché l'amplificatore prende due ingressi e li amplifica, la funzione di trasferimento rifletterà lo stesso. La funzione di trasferimento può essere scritta come:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Qui Vi1 e Vi2 sono i due ingressi e k è il guadagno.

Doppio amplificatore per strumentazione

Un amplificatore per strumentazione doppio è un tipo speciale di amplificatore per strumentazione dotato di grande precisione. È progettato in un certo modo per fornire un guadagno elevato e una maggiore precisione da una dimensione minima del circuito integrato. Ha anche una bassa tensione di offset. Per una larghezza di banda più ampia e un resistore esterno collegato, il doppio amplificatore può fornire un guadagno fino a 10,000.

L'IC INA2128 viene utilizzato come doppio amplificatore strumentale. Alcune delle applicazioni significative del doppio amplificatore per strumentazione sono amplificatori di sensori, medicali dispositivi di ingegneriae apparecchiature a batteria.

Amplificatore per strumentazione vs amplificatore operazionale

Vantaggi e svantaggi dell'amplificatore di strumentazione

Gli amplificatori per strumentazione sono stati sviluppati per ottenere maggiori vantaggi rispetto ai tipici amplificatori differenziali. Questo è il motivo per cui gli amplificatori per strumentazione vengono utilizzati nella maggior parte delle applicazioni commerciali. Ma ha anche alcuni vantaggi. Parliamo di alcuni dei vantaggi e degli svantaggi degli amplificatori di strumentazione.

Vantaggi

1. Precisione e precisione Misurazione: Gli amplificatori per strumentazione vengono utilizzati a scopo di test e misurazione. Non è necessario che gli amplificatori per strumenti corrispondano alle impedenze di ingresso. Ecco perché sono così utili per i test. Anche i migliori valori parametrici come CMRR più elevati e un'elevata impedenza di ingresso ottengono vantaggi.

2. Guadagno: gli amplificatori strumentali forniscono valori maggiori per il guadagno ad anello aperto. È un vantaggio più evidente che è anche un requisito essenziale per gli amplificatori.

3. Stabilità del sistema: all'interno degli amplificatori di strumentazione, tutti i normali amplificatori operazionali sono collegati in feedback negativo. Come sappiamo, il feedback negativo stabilizza il sistema; anche la stabilità dell'amplificatore della strumentazione è elevata.

4. Scalabilità: gli amplificatori di strumentazione sono incredibilmente scalabili. Offre la possibilità di scalare il segnale a livello di ingresso. Ecco perché l'amplificazione complessiva è molto maggiore rispetto ad altri amplificatori. L'intervallo per il ridimensionamento è elevato anche per questo motivo.

5. Accessibilità: gli amplificatori per strumentazione sono forniti in circuiti integrati. Sono disponibili circuiti integrati a otto pin. Quindi, è più facile da maneggiare e utilizzare. Inoltre, non ci sono molti fattori da considerare durante l'amplificazione. L'utente deve solo conoscere bene il segnale di ingresso. Cerchiamo di trovare gli svantaggi degli amplificatori di strumentazione.

Svantaggi

1. L'amplificatore della strumentazione soffre del problema della trasmissione a lungo raggio. L'amplificatore tende a confondere i segnali originali con i rumori se il segnale di ingresso viene inviato per una portata estesa per la comunicazione. Il problema può essere risolto se il tipo di cavo può essere improvvisato in modo che il rumore venga cancellato nella fase primaria o che nessun rumore entri nella linea di trasmissione.

Caratteristiche dell'amplificatore di strumentazione

Vediamo a colpo d'occhio le caratteristiche degli amplificatori di strumentazione.

• Gli amplificatori per strumentazione sono amplificatori differenziali composti da tre amplificatori operazionali.
• Fornisce un guadagno ad anello aperto più elevato rispetto ai tipici amplificatori operazionali.
• Ha un CMRR più alto, un'impedenza di ingresso più alta, tensioni di offset basse, impedenze di uscita inferiori, rendendolo vicino all'amplificatore operazionale ideale.
• Gli amplificatori per strumentazione forniscono maggiore accuratezza e precisione quando vengono utilizzati per test e misurazioni.
• Gli amplificatori per strumentazione sono disponibili nei circuiti integrati per scopi commerciali.

2 amplificatori operazionali Amplificatore

Gli amplificatori per strumentazione tipici sono costituiti da 3 amplificatori, ma è anche possibile realizzare un amplificatore per strumentazione utilizzando due amplificatori operazionali. L'immagine sotto raffigura la a 2 op amp circuito dell'amplificatore della strumentazione basato.

analisi del rumore dell'amplificatore di strumentazione

Sono disponibili particolari tipi di strumentazione-amplificatori per misurare il segnale più debole in un ambiente rumoroso. Sono conosciuti come amplificatori per strumentazione del rumore. Questi tipi di amplificatori per strumentazione vengono utilizzati per l'analisi del rumore.

Amplificatore per strumentazione per rilevamento corrente

Sul mercato sono disponibili amplificatori di rilevamento della corrente separati per il rilevamento della corrente. Ma un amplificatore per strumentazione può anche operare il rilevamento della corrente. La differenza principale tra i due amplificatori è nella topologia degli ingressi.

Domande frequenti

1. Perché utilizzare un amplificatore per strumentazione?

Risposta: Gli amplificatori per strumentazione forniscono un guadagno più elevato, un CMRR più elevato, impedenze di ingresso più elevate, impedenze di uscita inferiori. Quindi, possiamo osservare che possiede proprietà molto simili a un amplificatore operazionale ideale. Ecco perché viene utilizzato un amplificatore per strumentazione.

2. Quando utilizzare un amplificatore per strumentazione?

Risposta: Instrumentation-amplificatori sono necessari ogni volta che l'utente richiede un guadagno maggiore con una migliore stabilità del sistema per amplificare un segnale. Se l'utente necessitava di misurazioni e risultati di test molto accurati, l'amplificatore di strumentazione rappresenta una soluzione.

3. Cos'è un amplificatore per strumentazione per cella di carico?

Risposta: Le prestazioni della strumentazione-amplificatore aumentano gradualmente quando si collega la cella di carico. L'amplificatore fornisce un CMRR più elevato, impedenze di ingresso più elevate e quindi migliora le prestazioni. Il collegamento dettagliato per l'amplificatore di strumentazione con cella di carico è mostrato nell'immagine sottostante. (Punto da notare: collegare tutto il terreno.

4. Che cos'è uno schema elettrico di un amplificatore di strumentazione per un segnale biologico con un guadagno di mille?

Risposta: Il collegamento standard della strumentazione-amplificatore fornisce un guadagno specifico. Ma sommare un resistore esterno ti darà una spinta di mille.

5. Qual è il principio di funzionamento di un amplificatore per strumentazione?

Risposta: Il principio di funzionamento dell'amplificatore di strumentazione è lo stesso di quello di un amplificatore differenziale. Prende le tensioni di ingresso e amplifica la differenza per fornire quella differenza amplificata come uscita.

Fondamentalmente: Uscita = Guadagno * (Input1 - Input2)

6. Quali sono i vantaggi dell'utilizzo di un amplificatore per strumentazione rispetto a un normale amplificatore differenziale nella misurazione di segnali e tensioni bassi?

Risposta: I vantaggi sono:

• Precisione e precisione Misurazione: Gli amplificatori per strumentazione vengono utilizzati a scopo di test e misurazione. Non è necessario che gli amplificatori per strumenti corrispondano alle impedenze di ingresso. Ecco perché sono così utili per i test. Anche i migliori valori parametrici come CMRR più elevati e un'elevata impedenza di ingresso ottengono vantaggi.
• Guadagno: gli amplificatori della strumentazione forniscono valori maggiori per la crescita ad anello aperto. È un vantaggio più evidente che è anche un requisito essenziale per gli amplificatori.
• Stabilità del sistema: all'interno degli amplificatori di strumentazione, tutti i normali amplificatori operazionali sono collegati in feedback negativo. Come sappiamo, il feedback negativo stabilizza il sistema; anche la stabilità dell'amplificatore di strumentazione è elevata.
• Scalabilità: gli amplificatori di strumentazione sono incredibilmente scalabili. Offre la possibilità di scalare il segnale a livello di ingresso. Ecco perché l'amplificazione complessiva è molto maggiore rispetto ad altri amplificatori. L'intervallo per il ridimensionamento è elevato anche per questo motivo.
• Accessibilità: gli amplificatori per strumentazione sono disponibili in circuiti integrati. Sono disponibili circuiti integrati a otto pin. Quindi, è più facile da maneggiare e utilizzare. Inoltre, non ci sono molti fattori da gestire durante l'amplificazione. L'utente deve conoscere bene il segnale in ingresso.

7. Perché CMRR è importante nell'amplificatore di strumentazione?

Risposta: CMRR è un parametro essenziale per misurare le prestazioni di un amplificatore operazionale. CMRR stima la quantità di segnale di modo comune che apparirà nella misurazione in uscita. L'amplificatore di istruzioni, essendo un amplificatore operazionale esplicitamente utilizzato per scopi di misurazione e test, dovrebbe avere il CMRR più basso. È una necessità fondamentale per l'amplificatore operazionale; in caso contrario, influenzerà la misurazione.

8. Qual è la differenza tra un amplificatore per strumentazione e un sommatore invertente che utilizza due amplificatori operazionali?

Risposta: La differenza sarà nelle lavorazioni e nei valori parametrici. Gli ingressi per un amplificatore di strumentazione non sono mai forniti nei terminali invertenti. Quindi, ci saranno cambiamenti. Inoltre, gli amplificatori di strumentazione hanno circuiti buffer, e il feedback di essi è un feedback negativo che aumenta la stabilità del sistema. Quindi, ci sono enormi deviazioni dai risultati effettivi.

9. Qual è lo scopo di un buffer all'interno di un amplificatore per strumentazione?

Risposta: Il buffer all'interno dell'amplificatore di strumentazione è utile in molti modi. Il buffer aumenta l'impedenza di ingresso, che è molto necessaria. Elimina anche la differenza tra due tensioni di ingresso; quindi, il valore della tensione di offset viene diminuito. Colpisce anche il CMRR.

10. Quali sono le buone regole pratiche per la costruzione di amplificatori per strumentazione?

Risposta: Non esistono regole così rigide e veloci per la progettazione o la costruzione di amplificatori per strumentazione. Ma ci sono alcune buone pratiche. Alcuni di essi sono: a) Progettare il circuito in modo simmetrico, b) Implementare il guadagno nel primo stadio, c) Considera i fattori di CMRR, gli effetti della termocoppia e i valori di resistenza, d) Progettare il secondo stadio.

11. Come rimuovere la tensione di offset nell'amplificatore di strumentazione?

Risposta: La tensione di offset di qualsiasi amplificatore è rimovibile alimentando una corrente regolabile da una sorgente di tensione. Un resistore di alto valore dovrebbe essere posizionato tra la corrente e l'amplificatore operazionale.

Per ulteriori articoli relativi all'elettronica clicca qui

Sudipta Roy

Ciao, sono Sudipta Roy. Ho fatto B. Tech in Elettronica. Sono un appassionato di elettronica e attualmente mi dedico al campo dell'elettronica e delle comunicazioni. Nutro un vivo interesse nell'esplorazione delle tecnologie moderne come l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico. I miei scritti sono dedicati a fornire dati accurati e aggiornati a tutti gli studenti. Aiutare qualcuno ad acquisire conoscenze mi dà un immenso piacere.
Colleghiamoci tramite LinkedIn –