Un amplificador de instrumentación (a veces abreviado como in-amp o InAmp ) es un tipo de amplificador diferencial que ha sido equipado con amplificadores de búfer de entrada , que eliminan la necesidad de hacer coincidir la impedancia de entrada y, por lo tanto, hacen que el amplificador sea particularmente adecuado para su uso en equipos de medición y prueba. . Las características adicionales incluyen compensación de CC muy baja, baja deriva , bajo ruido , ganancia de bucle abierto muy alta , relación de rechazo de modo común muy alta e impedancias de entrada muy altas . Los amplificadores de instrumentación se utilizan cuando se requiere gran precisión y estabilidad del circuito , tanto a corto como a largo plazo.
Aunque el amplificador de instrumentación generalmente se muestra esquemáticamente idéntico a un amplificador operacional estándar (op-amp), el amplificador de instrumentación electrónica casi siempre está compuesto internamente por 3 amplificadores operacionales. Estos están dispuestos de modo que haya un amplificador operacional para amortiguar cada entrada (+, −) y otro para producir la salida deseada con una adaptación de impedancia adecuada para la función. [1] [2]
El circuito amplificador de instrumentación más utilizado se muestra en la figura. La ganancia del circuito es
El amplificador más a la derecha, junto con las resistencias etiquetadas y es solo el circuito amplificador diferencial estándar, con ganancia y resistencia de entrada diferencial . Los dos amplificadores de la izquierda son los buffers. Si se eliminan (en circuito abierto), son simples amortiguadores de ganancia unitaria; el circuito funcionará en ese estado, con una ganancia simplemente igual y una alta impedancia de entrada gracias a los buffers. La ganancia del búfer podría aumentarse colocando resistencias entre las entradas inversoras del búfer y tierra para desviar parte de la retroalimentación negativa; sin embargo, la resistencia única entre las dos entradas inversoras es un método mucho más elegante: aumenta la ganancia en modo diferencial del par de buffer mientras deja la ganancia en modo común igual a 1. Esto aumenta la relación de rechazo en modo común (CMRR) del circuito y también permite que los buffers manejen señales de modo común mucho más grandes sin saturación que lo que sería el caso si estuvieran separados y tuvieran la misma ganancia. Otro beneficio del método es que aumenta la ganancia usando una sola resistencia en lugar de un par, evitando así un problema de coincidencia de resistencias y permitiendo muy convenientemente cambiar la ganancia del circuito cambiando el valor de una sola resistencia. Se puede usar un conjunto de resistencias seleccionables por interruptor o incluso un potenciómetro , lo que proporciona cambios fáciles en la ganancia del circuito, sin la complejidad de tener que cambiar pares de resistencias coincidentes.
La ganancia ideal en modo común de un amplificador de instrumentación es cero. En el circuito que se muestra, la ganancia en modo común es causada por una falta de coincidencia en las relaciones de resistencia y por una falta de coincidencia en las ganancias en modo común de los dos amplificadores operacionales de entrada. Obtener resistencias muy parecidas es una dificultad importante en la fabricación de estos circuitos, al igual que optimizar el rendimiento en modo común. [3]
También se puede construir un amplificador de instrumentación con dos amplificadores operacionales para ahorrar costos, pero la ganancia debe ser superior a dos (+6 dB). [4] [5]
Los amplificadores de instrumentación se pueden construir con amplificadores operacionales individuales y resistencias de precisión, pero también están disponibles en circuitos integrados de varios fabricantes (incluidos Texas Instruments , Analog Devices y Renesas Electronics ). Un amplificador de instrumentación IC normalmente contiene resistencias ajustadas por láser muy parecidas y, por lo tanto, ofrece un excelente rechazo de modo común. Los ejemplos incluyen INA128, AD8221, LT1167 y MAX4194.
Los amplificadores de instrumentación también se pueden diseñar utilizando una "arquitectura de retroalimentación de corriente indirecta", que extiende el rango operativo de estos amplificadores al riel de suministro de energía negativo y, en algunos casos, al riel de suministro de energía positivo. Esto puede resultar particularmente útil en sistemas de suministro único, donde el riel de alimentación negativo es simplemente la tierra del circuito (GND). Ejemplos de piezas que utilizan esta arquitectura son MAX4208/MAX4209 y AD8129/AD8130.
El amplificador de instrumentación sin retroalimentación es un amplificador diferencial de alta impedancia de entrada diseñado sin red de retroalimentación externa. Esto permite reducir el número de amplificadores (uno en lugar de tres), reducir el ruido (las resistencias de retroalimentación no provocan ruido térmico) y aumentar el ancho de banda (no se necesita compensación de frecuencia). Los amplificadores de instrumentación estabilizados por helicóptero (o deriva cero), como el LTC2053, utilizan una interfaz de entrada de conmutación para eliminar errores de compensación y deriva de CC.
