Tecnologia em Automação Industrial ELETRÔNICA II · Amplificadores Operacionais~: Amplificador de Instrumentação Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino ... •Os amp-op de instrumentação

Tecnologia em Automação Industrial

ELETRÔNICA IIAula 14

Amplificadores Operacionais~:

Amplificador de Instrumentação

Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino

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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)

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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)

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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)

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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

Exemplo

(FRENZEL JR,2015)

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/