- Cos'è un IC amplificatore per strumentazione?
- Capire l'amplificatore di strumentazione
- Differenza tra amplificatore differenziale e amplificatore per strumentazione
- Amplificatore per strumentazione con amplificatore operazionale (LM358)
- Simulazione dell'amplificatore di strumentazione
- Test del circuito dell'amplificatore della strumentazione sull'hardware
Quasi tutti i tipi di sensori e trasduttori convertono i parametri del mondo reale come luce, temperatura, peso ecc. In valori di tensione affinché i nostri sistemi elettronici possano comprenderli. La variazione di questo livello di tensione ci aiuterà ad analizzare / misurare i parametri del mondo reale, ma in alcune applicazioni come i sensori biomedici questa variazione è molto piccola (segnali di basso livello) ed è molto importante tenere traccia anche della variazione minima ottenere dati affidabili. In queste applicazioni viene utilizzato un amplificatore per strumentazione.
Un amplificatore per strumentazione aka INO o in-amp come suggerisce il nome amplifica la variazione di tensione e fornisce un'uscita differenziale come qualsiasi altro amplificatore operazionale. Ma a differenza di un normale amplificatore, gli amplificatori della strumentazione avranno un'elevata impedenza di ingresso con un buon guadagno, fornendo allo stesso tempo una reiezione del rumore di modo comune con ingressi completamente differenziali. Va bene se non lo ottieni ora, in questo articolo impareremo a conoscere questi amplificatori per strumentazione e poiché questi circuiti integrati sono relativamente costosi degli amplificatori operazionali, impareremo anche come utilizzare normali amplificatori operazionali come LM385 o LM324 per costruire un Amplificatore per strumentazione e utilizzarlo per le nostre applicazioni. Gli amplificatori operazionali possono anche essere usati per costruire un circuito di sommatore e sottrattore di tensione.
Cos'è un IC amplificatore per strumentazione?
Oltre ai normali amplificatori operazionali IC, abbiamo alcuni tipi speciali di amplificatori per amplificatori di strumentazione come INA114 IC. Non è altro che pochi normali amplificatori operazionali combinati insieme per determinate applicazioni specifiche. Per capire di più su questo, esaminiamo la scheda tecnica dell'INA114 per il suo schema elettrico interno.
Come puoi vedere, l'IC accetta due tensioni di segnale V IN - e V IN +, consideriamoli come V1 e V2 da ora per facilità di comprensione. La tensione di uscita (V O) può essere calcolata utilizzando le formule
V O = G (V2 - V1)
Dove, G è il guadagno dell'amplificatore operazionale e può essere impostato utilizzando il resistore esterno R G e calcolato utilizzando le formule seguenti
G = 1+ (50k Ω / RG)
Nota: il valore 50k ohm è applicabile solo per INA114 IC poiché utilizza resistori da 25k (25 + 25 = 50). È possibile calcolare rispettivamente il valore per altri circuiti.
Quindi fondamentalmente ora, se lo guardi, un In-amp fornisce solo la differenza tra due sorgenti di tensione con un guadagno che può essere impostato da un resistore esterno. Questo suona familiare? In caso contrario, dai un'occhiata al design dell'amplificatore differenziale e torna indietro.
Sì !, questo è esattamente ciò che fa un amplificatore differenziale e se guardi più da vicino puoi persino scoprire che l'amplificatore operazionale A3 nell'immagine sopra non è altro che un circuito di amplificazione differenziale. Quindi, in parole povere, un amplificatore per strumentazione è ancora un altro tipo di amplificatore differenziale ma con più vantaggi come un'alta impedenza di ingresso e un facile controllo del guadagno ecc. Questi vantaggi sono dovuti agli altri due amplificatori operazionali (A2 e A1) nel design, ne sapremo di più nel prossimo titolo.
Capire l'amplificatore di strumentazione
Per comprendere completamente l'amplificatore della strumentazione, suddividiamola nell'immagine sopra in blocchi significativi come mostrato di seguito.
Come puoi vedere, l'In-Amp è solo una combinazione di due circuiti op-amp Buffer e un circuito op-amp differenziale. Abbiamo appreso individualmente entrambi questi progetti di amplificatori operazionali, ora vedremo come vengono combinati per formare un amplificatore operazionale differenziale.
Differenza tra amplificatore differenziale e amplificatore per strumentazione
Abbiamo già imparato a progettare e utilizzare un amplificatore differenziale nel nostro precedente articolo. Pochi considerevoli svantaggi dell'amplificatore differenziale è che ha un'impedenza di ingresso molto bassa a causa delle resistenze di ingresso e ha un CMRR molto basso a causa dell'elevato guadagno di modo comune. Questi saranno superati in un amplificatore di strumentazione a causa del circuito buffer.
Anche in un amplificatore differenziale abbiamo bisogno di cambiare molte resistenze per cambiare il valore di guadagno dell'amplificatore ma in un amplificatore differenziale possiamo controllare il guadagno semplicemente regolando un valore di resistenza.
Amplificatore per strumentazione con amplificatore operazionale (LM358)
Ora costruiamo un pratico amplificatore per strumentazione usando op-amp e controlliamo come funziona. Di seguito è riportato il circuito dell'amplificatore di strumentazione operazionale che sto utilizzando.
Il circuito richiede tre amplificatori operazionali tutti insieme; Ho usato due CI LM358. L'LM358 è un amplificatore operazionale a doppio pacchetto che ha due amplificatori operazionali in un unico pacchetto, quindi ne abbiamo bisogno due per il nostro circuito. Allo stesso modo è possibile utilizzare anche tre amplificatori operazionali LM741 a pacchetto singolo o un amplificatore operazionale LM324 a pacchetto quadruplo.
Nel circuito sopra, l'amplificatore operazionale U1: A e U1: B funge da buffer di tensione che aiuta a raggiungere un'elevata impedenza di ingresso. L'amplificatore operazionale U2: A funge da amplificatore operazionale differenziale. Poiché tutti i resistori dell'amplificatore operazionale differenziale sono 10k, agisce come un amplificatore differenziale a guadagno unitario, il che significa che la tensione di uscita sarà la differenza di tensione tra il pin 3 e il pin 2 di U2: A.
La tensione di uscita del circuito dell'amplificatore della strumentazione può essere calcolata utilizzando le formule seguenti.
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))
Dove, R = valore del resistore del circuito. Qui R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 che è 10k
Rg = Guadagno resistenza. Qui Rg = R1 che è 22k.
Quindi il valore di R e Rg decide il guadagno dell'amplificatore. Il valore del guadagno può essere calcolato da
Guadagno = (1+ (2R / Rg))
Simulazione dell'amplificatore di strumentazione
Il circuito di cui sopra, quando simulato, fornisce i seguenti risultati.
Come puoi vedere le tensioni di ingresso V1 è 2.8V e V2 è 3.3V. Il valore di R è 10k e il valore di Rg è 22k. Mettendo tutti questi valori nelle formule di cui sopra
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3,3-2,8) (1+ (2x10 / 22)) = (0,5) * (1,9) = 0,95 V
Otteniamo che il valore della tensione di uscita sia 0,95 V che corrisponde alla simulazione sopra. Quindi il guadagno del circuito sopra è 1,9 e la differenza di tensione è 0,5 V. Quindi questo circuito fondamentalmente misurerà la differenza tra le tensioni di ingresso e la moltiplicherà per il guadagno e la produrrà come tensione di uscita.
Puoi anche notare che la tensione di ingresso V1 e V2 appare attraverso il resistore Rg questo è dovuto al feedback negativo dell'amplificatore operazionale U1: A e U1: B. Ciò garantisce che la caduta di tensione su Rg sia uguale alla differenza di tensione tra V1 e V2 che fa fluire la stessa quantità di corrente attraverso i resistori R5 e R6 rendendo la tensione sul pin 3 e pin 2 uguale sull'amplificatore operazionale U2: A. Se si misura la tensione prima dei resistori, è possibile vedere la tensione di uscita effettiva dall'amplificatore operazionale U1: A e U1: B la cui differenza sarà uguale alla tensione di uscita come mostrato sopra nella simulazione.
Test del circuito dell'amplificatore della strumentazione sull'hardware
Enough Theory consente di costruire effettivamente lo stesso circuito su una breadboard e misurare i livelli di tensione. La configurazione della mia connessione è mostrata di seguito.
Ho usato l'alimentatore breadboard che abbiamo costruito in precedenza. Questa scheda potrebbe fornire sia 5 V che 3,3 V. Sto usando il rail 5V per alimentare entrambi i miei amplificatori operazionali e il 3.3V come tensione di ingresso del segnale V2. L'altra tensione di ingresso V2 è impostata su 2,8 V utilizzando il mio RPS. Dato che ho usato anche una resistenza da 10k per R e una resistenza da 22k per R1, il guadagno del circuito sarà di 1,9. La differenza di tensione è 0,5 V e il guadagno è 1,9 prodotto di cui 0,95 V come tensione di uscita che viene misurata e visualizzata nell'immagine utilizzando un multimetro. Il funzionamento completo del circuito dell'amplificatore della strumentazione è mostrato nel video collegato di seguito.
Allo stesso modo è possibile modificare il valore di R1 per impostare il guadagno come richiesto utilizzando le formule discusse sopra. Poiché il guadagno di questo amplificatore può essere controllato molto facilmente utilizzando un singolo resistore, viene spesso utilizzato nel controllo del volume per i circuiti audio.
Spero che tu abbia capito il circuito e ti sia piaciuto imparare qualcosa di utile. Se hai domande, lasciale nella sezione commenti qui sotto o usa il forum per una risposta più rapida.