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Tecnologia em Automação Industrial
ELETRÔNICA IIAula 14
Amplificadores Operacionais~:
Amplificador de Instrumentação
Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
https://[email protected]
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)
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
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)
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
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)
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
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)
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
𝑉𝑜 = 1 +𝑅𝑓
𝑅1𝑉1
Caso: 𝑅2 = 𝑅1 e 𝑅3 = 𝑅𝑓, temos:
𝑉𝑜 =𝑅𝑓
𝑅1𝑉2 − 𝑉1
(PERTENCE JR,2015)
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
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)
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
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)
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
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.
Profa. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino
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/