Desarrollo de un Amplificador de Instrumentación

1. OBJETIVOS:

Identificar las características del amplificador de instrumentación AD620 Comparar los datos teóricos, simulados, y experimentales del AD620

2. INTRODUCCION

El circuito integrado AD620 es un amplificador de instrumentación de bajo costo sin terminal de entrada de detección. Este circuito integrado se puede adquirir en dos presentaciones, una es el encapsulado SOIC y otra es la tradicional DIP de 8 terminales. Este circuito integrado sólo requiere de la conexión externa de para determinar la ganancia (G), la cual tiene un intervalo de 1 a 10,000.

El cálculo del voltaje de salida y ganancia está determinado por:

……. (1) ……… (2)

Donde es la resistencia que se conecta externamente.

Figura 1. Circuito Integrado AD620

Características del CI AD620:

Baja potencia: máxima corriente suministrada de 1.3mA Voltaje de salida offset: 50 V Excelente relación de rechazo en modo común (CMRR): 100dB Ancho de banda : 120kHz Intervalo de ganancia: 1 a 10,000 Intervalo de alimentación: ±2.3 V a ±18 V Mejor desempeño que 3 amplificadores operacionales interconectados externamente

Bajo ruido, ruido del voltaje de entrada: 9nV/ @ 1kHz y 0.28 Vp-p de ruido (0.1 Hz -a 10Hz)

15 s tiempo de resolución a 0.001% : 15 s

Dada la baja corriente suministrada, el CI AD620 es una buena opción para aplicaciones que utilicen baterías, o bien, para aplicaciones portables. Asimismo, el AD620 es de utilidad para sistemas de adquisición de datos de precisión.

Por otra parte, el bajo nivel de ruido, y la baja potencia del AD620 lo hacen muy adecuado para aplicaciones médicas, como el ECG.

En la figura 2 se observa el diagrama de conexión interno del CI AD620. Como se observa, el diagrama es el mismo que el de la figura 2.5, pero es de mayor precisión y de fácil implementación, ya que reduce espacio en la tarjeta de adquisición de datos y reduce los problemas de ruido captado de conexión de los circuitos impresos en las pistas.

Figura 2. Diagrama Interno Circuito Integrado AD620

Como se especifica en la sección 2, el circuito integrado AD620 sólo necesita de la conexión de

una resistencia externa . Utilizando la fórmula 2, despejamos y obtenemos la siguiente expresión.

……. (3)

Dentro de las aplicaciones donde se utiliza se encuentran:

Instrumentación médica Basculas electrónicas Amplificación de transductores Etc.

3. MATERIALES

Protoboard CI AD620 Potenciómetro 100K Fuentes AC y DC Osciloscopio RL= 1k

4. DESARROLLO

Para el análisis del amplificador de instrumentación, se utilizó el CI AD620.

Características teóricas:

Baja potencia: máxima corriente suministrada de 1.3mA Voltaje de salida offset: 50 V Excelente relación de rechazo en modo común (CMRR): 100dB Ancho de banda : 120kHz Intervalo de ganancia: 1 a 10,000 Intervalo de alimentación: ±2.3 V a ±18 V Mejor desempeño que 3 amplificadores operacionales interconectados externamente Bajo ruido, ruido del voltaje de entrada: 9nV/ @ 1kHz y 0.28 Vp-p de ruido (0.1 Hz -

a 10Hz)

Circuito interno:

El cálculo del voltaje de salida y ganancia está determinado por:

……. (1) ……… (2)

Donde es la resistencia que se conecta externamente.

……. (3) ….. (4)

4.1. RESULTADOSTABLA SEGÚN HOJA DE DATOS – CI AD620

GAIN RG(Ω) RG-REAL1º/o(Ω)1 NC NC2 50K 49.9K5 12.5K 12.4K

10 5.556K 5.62K20 2.632K 2.61K50 1.02K 1.02K

100 505.1 511200 251.3 249500 100.2 100

1000 50.05 49.92000 25.01 49.95000 10.00 10

10000 5.001 4.99

TABLA VALORES EXPERIMENTALES – CI AD620

VC=+-9V y F=10Hz

Señal de entradamV

RGΩ

Voltaje de salidaV

GAINAd

GAINAc

CMRRdB

920 50.4K 1.92 2.06 0.024 38920 12.4K 4.56 4.85 0.024 46920 5.6K 8.72 9.27 0.080 41.3920 2.5K 16.00 17.4 0.400 32.7

50K 2 50.4K 2.0612.5K 5 12.4K 4.85

5.556K 10 5.6K 9.272.632K 20 2.5K 17.4

Saturación Vo=16.0v RG=2.5kΩ G=17.4

Voltaje offset 400nV

Figura 3. Resultado con RG=50.4KΩ y G=2.06

Figura 4. Resultado con RG=12.4KΩ y G=4.85

Figura 5. Resultado con RG=5.6KΩ y G=9.27

Figura 6. Resultado con RG=2.5KΩ y G=17.4

Figura 7. Cuando se produce saturación

TABLA VALORES EXPERIMENTALES – CI AD620

VC=+-15V y F=10Hz

Señal de entradamV

RGΩ

Voltaje de salidaV

GAINAd

GAINAc

CMRRdB

920 50.7K 1.80 2.12 0.024 38.9920 5K 9.80 10.65 0.024 52.9920 2.5K 18.40 20.00 0.040 54920 1.7K 24.40 26.50 0.040 56.4

50K 2 50.7K 2.125.556K 10 5K 10.652.632K 20 2.5K 20.00

1.7K 30 1.7K 26.50

Saturación Vo=24.40v RG=1.7kΩ G=26.50

Voltaje offset 400mV

Figura 8. Resultado con RG=50.7KΩ y G=2.12

Figura 9. Resultado con RG=5KΩ y G=10.65

Figura 10. Resultado con RG=2.5KΩ y G=20.00

Figura 11. Resultado con RG=1.7KΩ y G=26.50

Figura 12. Voltaje offset

4.2. ANALISIS DEL RESULTADO

El CI-AD620 soporta voltajes de alimentación de ±2.3 V a ±18 V, a medida que el voltaje de alimentación sea mayor posee muchas más ventajas, como es el caso de la señal de salida, estando alimentado con +-9v la señal de salida comienza a saturarse teniendo los siguientes resultados:

Vc=+-9 Saturación Vo=16.0v RG=2.5kΩ G=17.4

En cambio se vio una mejora al aumentar el voltaje de alimentación a +-15v teniendo como resultado:

Vc=+-15 Saturación Vo=24.40v RG=1.7kΩ G=26.50

4.3. RESPUESTA EN FRECUENCIA

Vc=+-15vRg=5K Ω

F=10Hz Vo=8.8 Ad=9F=20Hz Vo=8.8 Ad=9F=50Hz Vo=8.8 Ad=9F=10kHz Vo=8.8 Ad=9F=89kHz Vo>8.8 Ad>9

Al variar la frecuencia la señal de salida comienza a variar cambiando todos sus valores en amplitud y ancho de banda, esto se da en F=89kHz.

Figura 13. Respuesta en frecuencia, cuando la señal cambia con F=89kHz

SIMULACION:R=50k

R=12.5k

R=5k

Como vemos ya está saturando.

Voltaje offset:

Vi=920mvVo=229.362uV

TABLA VALORES EXPERIMENTALES – CI AD620

VC=+-9V y F=10Hz

Señal de entradamV

RGΩ

Voltaje de salidaV

GAINAd

GAINAc

CMRRdB

919 50K 1.829 1.988 0.022 38920 12.5K 4.5556 4.95 0.027 46920 5K 6.00 7.58 0.400 32.7

R=50K

R=2.5k

R=12.5K

R=5K

R=2.5K

TABLA VALORES EXPERIMENTALES – CI AD620

VC=+-15V y F=10Hz

Señal de entradamV

RGΩ

Voltaje de salidaV

GAINAd

GAINAc

920 50K 1.80 2.12 0.024920 25K 2.738 2.9760 0.024920 12.5K 4.556 4.952 0.027920 5K 10.8793 10.87 0.027920 2.5K 12.276 13.34 0.027

Voltaje offset

Vi=920mvVo=228.513uV

5. CONCLUSIONES

Al implementar un amplificador de instrumentación con componentes discretos, es muy difícil encontrar componentes que sean del mismo valor como es el caso de las resistencias, o bien que el voltaje de offset sea muy cercano a cero en el caso de los amplificadores operacionales a comparación el amplificador de instrumentación de circuito integrado es un circuito que está construido componentes fueron diseñados para tener solo pequeñas variaciones, las cuales hacen que el circuito funcione de manera adecuada en amplios rangos de ganancia y voltajes de operación.

El CI-AD620 soporta voltajes de alimentación de ±2.3 V a ±18 V, a medida que el voltaje de alimentación sea mayor posee muchas más ventajas, como es el caso de la señal de salida, estando alimentado con +-9v la señal de salida comienza a saturarse teniendo los valores visto en el punto 4.2 del presente informe, en cambio se vio una mejora al aumentar el voltaje de alimentación a +-15v.

Al variar la frecuencia la señal de salida comienza a variar cambiando todos sus valores en amplitud y ancho de banda, esto se da en F=89kHz.

Al realizar la práctica se pudo observar los beneficios de utilizar un amplificador de instrumentación, teniendo un comportamiento cuasi lineal además de ser utilizado en la industria por su robustez teniendo un rechazo al modo común.

Los CI de amplificadores de instrumentación posee un rechazo al ruido en los 100dB y sus pines no se comportan como antenas, en el caso experimental se pudo llegar a tener un rechazo al ruido cerca de los 60dB, esto al trabajar con un voltaje de alimentación de +-15v.

El circuito integrado AD620, presenta mayor precisión en la medición de señales que un amplificador de instrumentación con tres amplificadores operacionales.

6. BIBLIOGRAFIA

[1] PDF-amplificadores diferenciales, de instrumentación y de puente.

[2]PDF-Sistema de adquisición y registro de señales electrocardiográficas.

[3] http://www.analog.com/static/imported-files/application_notes/60452436005220859872700115159829353257206974259641368301086579520703792632610264805090AD620.pdf.

[4] http://www.p4c.philips.com/cgi-bin/cpindex.pl?ctn=AD620/12&hlt=Link_GetStarted&mid=Link_GetStarted&scy=AR&slg=LSP.