Amplificadores de instrumentación

Instrumentos electrónicos. Medición señal electrónica. Rechazo de modo común. Señales diferenciales. Frecuencia

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ESTUDIO SOBRE EL FACTOR

“ RAZÓN DE RECHAZO AL MODO COMÚN”

EN AMPLIFICADORES INSTRUMENTALES

Asignatura: Instrumentación Electrónica

Rechazo de Modo Común en Amplificadores de Instrumentación

Introducción

Existen en equipos de la industria, en equipos de electromedicina, y en otras muchas aplicaciones, la necesidad de medir señales muy pequeñas del orden de microvoltios o pocos milivoltios en la presencia de comparativamente grandes señales de ruido provenientes de distintas fuentes, como pueden ser motores, tubos de iluminación de descarga gaseosa, etc. Para realizar las mencionadas mediciones estos deberán utilizar en su entrada Amplificadores de Instrumentación con un adecuada Relación Rechazo de Modo Común (CMRR).

En la siguiente figura se coloca un esquema básico de medición

Amplificadores de instrumentación

Al Amplificador de Instrumentación ingresan dos señales de modo común: una de c.c. de +2.5V provenientes del puente de resistencias y otra de c.a. Vruido inducida sobre los cables de entrada al amplificador.-

Rechazo de Modo Común

Los amplificadores de Instrumentación amplifican la diferencia entre dos señales. Esas señales diferenciales en la práctica provienen de sensores como pueden ser termocuplas, fotosensores, puentes de medición resistivos, etc. En la figura de arriba se ve que de un puente resistivo, en estado de equilibrio sin señal, en la mitad de las ramas del puente existe una señal de 2.5V respecto a masa. Esta señal de corriente continua es común a ambas entradas por lo cual es llamada Voltage de Modo Común de la señal diferencial. Se puede ver que estas señales no contienen información útil en lo que se quiere medir y como el amplificador amplificará la diferencia de ambas, al ser iguales, se restan y a la salida el resultado será cero o sea idealmente no están contribuyendo a la información de salida. También se ve que se inducen señales de corriente alterna en ambas entradas a la vez y que serán rechazadas como en el caso de continua. Pero al producirse un desbalance del equilibrio del puente por la variación de una de sus resistencias se producirá una señal que será aplicada entre ambas entradas y será amplificada. Por lo expuesto, es que se justifica la utilización de amplificadores de instrumentación para rechazar señales que entran en modo común, o sea en las dos entradas se presenta la misma señal.

En la práctica, las señales de modo común nunca serán rechazadas completamente, de manera que alguna pequeña parte de la señal indeseada contribuirá a la salida.

Para cuantificar la calidad del Amplificador de Instrumentación, se especifica la llamada Relación de Rechazo de Modo Común (CMRR) que matemáticamente se expresa como:

Amplificadores de instrumentación

siendo:

  • AD= Amplificación Diferencial

  • AD = Vout / Vin diferencial

  • ACM= Amplificación Modo Común

  • VCM= Voltage de modo común en la entrada

  • ACM = Vout / VCM

  • Vout= Voltage de salida

De la última fórmula podemos obtener la Vout como:

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De las hojas de datos de los Amplificadores de Instrumentación podemos obtener por ejemplo:

  • CMRR=100db ;

  • AD =10 ;

  • De la figura, VCM de modo común es de 2.5Volt

de donde:

Vout = 250uV para el caso de la figura anterior

Rechazo de Modo Común de c.a. y de c.c.

Como se ve en la figura de arriba, y como se dijo, se presentan a las entradas diferenciales, señales de c.c. y de c.a. y al no ser infinito el CMRR, una cierta cantidad de ambas estarán presentes en la salida, además de la señal diferencial deseada. La componente indeseada de c.c. puede considerarse como un offset y es sencillo ajustarlo externamente. La componente indeseada de c.a. es más complicada de disminuir a la entrada, y se hace principalmente utilizando filtros de c.a. colocados en la entrada, pero con ello disminuimos el ancho de banda de utilización del amplificador.

La especificación de CMRR en función de la frecuencia se obtiene de las hojas de datos. En la figura siguiente se puede apreciar como el CMRR, disminuye a medida que aumenta la frecuencia.

Amplificadores de instrumentación

Amplificadores de instrumentación

Voltaje de Modo Común de Entrada en función del de Salida

Un circuito con filtros de c.a. se muestra en la figura que sigue:

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COMPARACION DEL CMRR DE

DISTINTAS MARCAS DE

AMPLIFICADORES MEDIANTE TABLAS

COMPARATIVAS Y DATASHEETS

TABLA COMPARATIVA DE AMPLIFICADORES (ANALOG DEVICES)

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TABLA COMPARATIVA DE AMPLIFICADORES DIFERENCIALES (TEXAS INSTRUMENT)

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Extracto Datasheet del Amp. A741CP utilizado en practicas

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Amplificadores de instrumentación

Amplificadores de instrumentación

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Comparación

Comparando las tablas de productos de Analog Devices y Texas Instrument, se observa que los amplificadores diferenciales de esta última marca se suelen caracterizar por poseer CMRR mas altos que los de la marca Analog Devices, pero por otra parte se observa támbien que el rango de ganancia de los amplificadores de Texas son mucho menores que los de Analog Devices. Luego en principio (téngase en cuenta que dependerá del modelo de amplificador que escojamos), los amplificadores de la marca Texas son mas ideales para la adquisición de señales de poco voltaje (del orden del microvoltio) en ambientes en los que pueda haber otros tipos de señales de mayor tamaño que puedan interferir.Otro dato a tener muy en cuenta es el de las frecuencias a las que pueden trabajar estos amplificadores sin que su CMRR se vea demasiado afectado. Así se puede observar que en el caso del amplificador utilizado en practicas, a partir de una frecuencia de 100 Hz, el CMRR va bajando de manera exponencial, lo que no les hace buenos para trabajar en altas frecuencias y señales de bajo valor .Para ello es necesario buscar modelos mas específicos que soporten altas frecuencias.

Bibliografía:

1.-Artículo "A Practical Review of Common Mode and In-Amps" por Eamon Nash de www.analog.com

2.- Artículo "A designer's Guide to Instrumentation Amplifiers " por Charles Kitchin and Lew Counts de www.analog.com

3.- Documentos tecnicos de Texas Instrument (www.ti.com) y Analog Devices (www.analog.com)