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CIRCUITOS BASADOS EN AMPLIFICADORES OPERACIONALES PARA PROPÓSITOS ESPECIALES ESQUEMA DEL CAPÍTULO 14–1 14–2 14–3

Amplificadores de instrumentación Amplificadores de aislamiento Amplificadores operacionales de transconductancia (OTA, por sus siglas en inglés)

14–4

Amplificadores logarítmicos y antilogarítmicos

14–5

Convertidores y otros circuitos basados en amplificadores operacionales Actividad de aplicación Diseño analógico programable

OBJETIVOS DE CAPÍTULO ◆ Analizar y explicar la operación de un amplifica◆ ◆ ◆ ◆

dor de instrumentación Analizar y explicar la operación de un amplificador de aislamiento Analizar y explicar la operación de un OTA Analizar y explicar la operación de amplificadores logarítmicos y antilogarítmicos Analizar y explicar varios tipos especiales de circuitos con amplificadores operacionales

TÉRMINOS CLAVE ◆ Amplificador de instrumentación ◆ Amplificador de aislamiento ◆ Amplificador operacional de transconductancia

(OTA) ◆ Transconductancia ◆ Logaritmo natural

14

AVANCE DE LA ACTIVIDAD DE APLICACIÓN La actividad de aplicación en este capítulo describe un sistema de control de nivel de líquido para un tanque de almacenamiento. Se utiliza un sensor de presión, el cual es un tipo de transductor, para detectar el cambio de presión en un tubo insertado en el líquido. El voltaje del sensor de presión se envía al sistema de control que consiste en un amplificador de instrumentación y un comparador. Cuando el líquido alcanza un nivel mínimo predeterminado en el tanque, el circuito prende una bomba y rellena el tanque a un nivel máximo predeterminado. Además, en este capítulo se presenta un método para reducir al mínimo los efectos de ruido en un entorno industrial, el cual se utiliza en la aplicación. VISITE EL SITIO WEB RELACIONADO Recursos de apoyo para el estudio de este capítulo están disponibles en http://www.pearsoneducacion.net/floyd INTRODUCCIÓN Un amplificador operacional para propósito general, tal como el 741, es un dispositivo versátil ampliamente utilizado. No obstante, están disponibles algunos amplificadores de circuito integrado especializados que reúnen ciertas funciones o características orientadas a aplicaciones especiales. La mayoría de ellos en realidad se derivan del amplificador operacional básico. Estos circuitos especiales incluyen el amplificador de instrumentación que se utiliza en ambientes de ruido intenso, el amplificador de aislamiento utilizado en aplicaciones de alto voltaje y en medicina, el amplificador operacional de transconductancia (OTA) utilizado como amplificador operacional de voltaje a corriente y los amplificadores logarítmicos utilizados para linealizar ciertos tipos de entradas y para operaciones matemáticas. Los logarítmicos también se utilizan en sistemas de comunicación, incluida la fibra óptica.

710

◆

C IRCUITOS

BASADOS EN AMPL IFICADORES OPERACIONAL ES PARA PROPÓSITOS ESPECIAL ES

14–1 A M P L I F I C A DOR ES

DE I NS TR UM ENTA C I ÓN

Los amplificadores de instrumentación se utilizan comúnmente en ambientes con ruido intenso en modo común tal como en sistemas de adquisición de datos, donde se requiere la detección a distancia de variables de entrada. Al completar esta sección, usted será capaz de: ◆

Analizar y explicar la operación de un amplificador de instrumentación ◆

Explicar cómo se conectan los amplificadores operacionales para formar un amplificador de instrumentación

◆

Describir cómo se ajusta la ganancia de voltaje

◆

Describir las características del amplificador de instrumentación AD622

◆

Analizar el ruido en amplificadores de instrumentación

◆

Describir el amplificador de instrumentación AD522

Un amplificador de instrumentación es un dispositivo de ganancia de voltaje diferencial que amplifica la diferencia entre los voltajes existentes en dos terminales de entrada. El propósito principal de un amplificador de instrumentación es amplificar señales pequeñas que pueden mezclarse con grandes voltajes en modo común. Las características clave son una alta impedancia de entrada, un alto rechazo en modo común, un bajo desequilibrio de voltaje de salida y una baja impedancia de salida. El amplificador de instrumentación básico es un circuito integrado que internamente consta de tres amplificadores operacionales y varios resistores. La ganancia de voltaje casi siempre se ajusta con un resistor externo. En la figura 14-1 se muestra un amplificador de instrumentación básico. Los amplificadores operacionales A1 y A2 son configuraciones no inversoras que proporcionan una impedancia de entrada y una ganancia de voltaje altas. El amplificador operacional A3 se utiliza como amplificador diferencial de ganancia unitaria con resistores de alta precisión de valor igual (R3 ⫽ R4 ⫽ R5 ⫽ R6). 䊳

F I G UR A 1 4 –1

Amplificador de instrumentación básico con tres amplificadores operacionales.

Entrada 1

+

R3

R5

A1 Ajuste de ganancia

–

R1 – R2

A3

Salida

+ Ajuste de ganancia

–

Entrada 2

+

R4 A2 R6

El resistor que ajusta la ganancia, RG, se conecta externamente como muestra la figura 14-2. El amplificador operacional A1 recibe la señal de entrada diferencial, Vent1, en su entrada no inversora (+) y la amplifica con una ganancia de voltaje de Av = 1 +

R1 RG

A MP L IF ICA DOR E S

DE IN S T R U ME N TA CIÓN

䊴

Vent1 + Vcm

+ Vsal1

A1 –

R3

R5

R1 –

RG

R2

A3 +

–

+

711

F I G UR A 1 4 –2

Amplificador de instrumentación básico con un resistor de ajuste de la ganancia externo RG. Se indican las señales = Acl (Vent2 – Vent1) diferenciales y en modo común.

R4 A2

Vent2 + Vcm

Vsal

◆

Vsal2 R6

El amplificador operacional también tiene una señal de entrada, Vent2, en su entrada inversora (⫺) a través del amplificador operacional A2 y la trayectoria formada por R2 y RG. La señal de entrada Vent2 es amplificada por un amplificador operacional A1 con una ganancia de voltaje de Av =

R1 RG

La ganancia en lazo cerrado total del amplificador de instrumentación es Acl ⴝ 1 ⴙ

2R RG

Ecuación 14–1

donde R1 ⫽ R2 ⫽ R. La ecuación 14-1 muestra que la ganancia del amplificador de instrumentación puede ser establecida por el valor del resistor externo RG cuando R1 y R2 tienen un valor fijo conocido. Consulte la derivación en el apéndice B. El resistor de ajuste de ganancia externo RG se calcula para una ganancia de voltaje deseada con la ecuación 14-1. 2R RG ⴝ Acl ⴚ 1

Ecuación 14 –2

También están disponibles amplificadores de instrumentación en los cuales la ganancia se establece a valores específicos por medio de una entrada binaria en lugar de un resistor.

EJ EMPLO 14–1

Solución Problema relacionado*

Determine el valor del resistor de ajuste de ganancia externo RG para cierto amplificador de instrumentación en circuito integrado con R1 ⫽ R2 ⫽ 25 kÆ. La ganancia de voltaje en lazo cerrado tiene que ser de 500. RG =

2R 50 kÆ = ⬵ 100 æ Acl - 1 500 - 1

¿Qué valor de resistor de ganancia externo se requiere para un amplificador de instrumentación con R1 ⫽ R2 ⫽ 39 kÆ para producir un ganancia de 325? *Las respuestas se encuentran al final del capítulo.

Aplicaciones El amplificador de instrumentación normalmente se utiliza para medir pequeños voltajes de señal diferenciales superpuestos en un voltaje en modo común, a menudo mayor que el voltaje de señal. Sus aplicaciones incluyen situaciones en las que una cantidad es detectada por un dispositivo remoto, tal como un transductor sensible a la temperatura o presión, y la pequeña señal eléc-

712

◆

C IRCUITOS

BASADOS EN AMPL IFICADORES OPERACIONAL ES PARA PROPÓSITOS ESPECIAL ES

trica resultante es enviada a través de una larga línea sujeta a ruido eléctrico que produce voltajes en modo común en ella. El amplificador de instrumentación al final de la línea debe amplificar la señal pequeña del sensor remoto y rechazar el gran voltaje en modo común. La figura 14-3 ilustra esto. 䊳

F I G UR A 1 4 –3

Ilustración del rechazo de grandes voltajes en modo común y la amplificación de voltajes de señal pequeños de un amplificador de instrumentación.

1 RG 2

Señal diferencial pequeña en alta frecuencia montada sobre una señal en modo común de baja frecuencia más grande

Amplificador de instrumentación

Señal diferencial amplificada. Ninguna señal en modo común.

Un amplificador de instrumentación específico Ahora que ya se tiene una idea básica de cómo funciona un amplificador de instrumentación, se examinará un dispositivo específico. La figura 14-4 muestra un dispositivo representativo, el AD622, donde se dan como referencia los números de las terminales de conexión del circuito integrado. Este amplificador de instrumentación está basado en un diseño que utiliza tres amplificadores operacionales y se muestra en la figura 4-1. 䊳

F I G UR A 1 4 –4

Amplificador de instrumentación AD622.

+V (7) ENTRADA + RG

(3) (1) (6)

AD622 RG ENTRADA –

(8)

(5)

(2)

Salida REF

(4) –V

Algunas de las características del AD622 son las siguientes. La ganancia de voltaje se ajusta desde 2 hasta 1000 con un resistor externo RG. Se tiene una ganancia unitaria sin resistor externo. La impedancia de entrada es de 10 GÆ. La razón de rechazo en modo común (CMRR) tiene un valor mínimo de 66 dB. Recuerde que una CMRR alta indica un mejor rechazo de voltajes en modo común. El ancho de banda del AD622 es de 800 kHz con una ganancia de 10 y una rapidez de variación de voltaje de 1.2 V/ms. Ajuste de la ganancia de voltaje Para el AD622 se utiliza un resistor externo con el fin de obtener una ganancia de voltaje mayor que la unidad, como se indica en la figura 14-5. El resistor RG se conecta entre las terminales de RG (terminales de conexión 1 y 8). No se requiere ningún resistor para ganancia unitaria. RG se selecciona para la ganancia deseada con base en la fórmula siguiente: RG =

50.5 kÆ Av - 1

Observe que esta fórmula es la misma de la ecuación 14-2 para la configuración de tres amplificadores operacionales con un RG externo, donde los resistores internos R1 y R2 son de 25.25 kÆ.

A MP L IF ICA DOR E S

DE IN S T R U ME N TA CIÓN

䊴

+V

◆

713

F I G UR A 1 4 –5

El AD622 con resistor de ajuste de ganancia.

(7) (3)

ENT +

(1) RG

(6)

AD622 (8)

Salida

(5)

REF (Común de la señal de salida)

(2)

ENT –

(4) –V

Ganancia contra frecuencia La gráfica de la figura 14-6 muestra la variación de la ganancia con la frecuencia para ganancias de 1, 10, 100 y 1000. Como se puede ver, el ancho de banda se reduce a medida que se incrementa la ganancia.

䊴

Ganancia de voltaje

1000

F I G UR A 1 4 –6

Ganancia contra frecuencia del amplificador de instrumentación AD622.

100

10

1

0 100

EJ EMPLO 14–2

䊳

1k

10k 100k Frecuencia (Hz)

1M

10M

Calcule la ganancia de voltaje y determine el ancho de banda valiéndose de la gráfica de la figura 14-6 para el amplificador de instrumentación de la figura 14-7.

F I G UR A 1 4 –7

+15 V (7) ENT+

(3) (1)

RG 510 ⍀ ENT–

(6)

AD622 (8)

Salida

(5)

(2)

REF (4) –15 V

714

◆

C IRCUITOS

BASADOS EN AMPL IFICADORES OPERACIONAL ES PARA PROPÓSITOS ESPECIAL ES

Solución

Determine la ganancia de voltaje como sigue: 50.5 kÆ Av - 1 50.5 kÆ Av - 1 = RG 50.5 kÆ Av = + 1 = 100 510 Æ Determine el ancho de banda aproximado con la gráfica de la figura 14-6. RG =

BW ⳩60 kHz Problema relacionado

Modifique el circuito de la figura 14-7 para una ganancia de aproximadamente 45.

Efectos del ruido en aplicaciones del amplificador de instrumentación Se utilizan varios tipos de transductores para detectar temperatura, deformación, presión y otros parámetros en muchos tipos de aplicaciones. En general se utilizan amplificadores de instrumentación para procesar voltajes pequeños producidos por un transductor, y a menudo se utilizan en ambientes industriales ruidosos donde largos cables conectan la salida del transductor a las entradas del amplificador. El ruido en la forma de señales en modo común producido por fuentes externas captado puede ser reducido al mínimo —mas no totalmente eliminado— mediante un cable coaxial en el cual los alambres que conducen la señal diferencial están rodeados por un recubrimiento de malla metálica llamada protección. Como se sabe, en un entorno eléctricamente ruidoso cualquier señal en modo común inducida en las líneas de transmisión de señales es rechazada porque ambas entradas al amplificador tienen la misma señal en modo común. Sin embargo, cuando se utiliza un cable protegido, aparecen capacitancias parásitas distribuidas a todo lo largo entre cada línea de transmisión de señales y la protección. Las diferencias en estas capacitancias parásitas, en particular a altas frecuencias, provocan un desfasamiento entre las dos señales en modo común, como se ilustra en la figura 14-8. El resultado es una degradación del rechazo en modo común del amplificador porque las dos señales ya no están en fase y no se cancelan por completo de modo que se crea un voltaje diferencial en las entradas del amplificador. 䊳

F I G UR A 1 4 –8

Degradación del rechazo en modo común en una conexión de cable con forro de protección provocada por desfasamientos indeseables.

Señales en modo común desfasadas Líneas de transmisión de señales diferenciales

Protección Amplificador de instrumentación

Capacitancia parásita distribuida desde las líneas de señal hasta leal forro (tierra) representada como capacitores concentrados.

θ

Desfasamiento provocado por diferencias en las capacitancias parásitas.

Protección La protección es una técnica para reducir los efectos del ruido en la operación en modo común de un amplificador de instrumentación que opera en ambientes críticos; consiste en conectar el voltaje en modo común al forro de protección de un cable coaxial. La señal en modo común es realimentada al forro de protección por una etapa de seguidor de voltaje, como muestra la figura 14-9. El propósito es eliminar las diferencias de voltaje entre las líneas de transmisión de señales y el forro de protección, al eliminar virtualmente las corrientes de fuga y cancelar los efectos de las capacitancias distribuidas, de modo que los voltajes en modo común sean las mismas en ambas líneas.

A MP L IF ICA DOR E S

DE IN S T R U ME N TA CIÓN

Señales en modo común en fase Líneas de señal diferencial

䊴

715

F I G UR A 1 4 –9

Amplificador de instrumentación con forro de protección para evitar la degradación del rechazo en modo común.

Forro de protección Amplificador de instrumentación

Efecto de la capacitancia parásita distribuida cancelado efectivamente

◆

–

Seguidor de voltaje

+

El seguidor de voltaje es una fuente de baja impedancia que envía la señal en modo común al forro de protección para eliminar la diferencia de voltaje entre las líneas de transmisión de señal y el forro de protección. Cuando el voltaje entre cada línea de señal y el forro de protección es cero, las corrientes de fuga también son cero y las reactancias capacitivas llegan a ser infinitamente grandes. Una XC infinitamente grande implica una capacitancia cero.

Un amplificador de instrumentación específico con salida protegida La mayoría de los amplificadores de instrumentación pueden ser configurados externamente para manejar o excitar el forro de protección. Ciertos amplificadores en circuito integrado, sin embargo, proporcionan una salida protegida internamente generada para ambientes muy críticos. Un ejemplo es el AD522, mostrado en la figura 14-10, un amplificador de instrumentación en circuito integrado de precisión diseñado para aplicaciones que requieren gran precisión en condiciones de operación críticas y señales muy pequeñas. La terminal de conexión designada DATA GUARD es la salida protegida. –V

ENT+

+V

䊴

Detección

(5)

(1)

(8)

R de ganancia (14) Líneas de datos Seguidor de voltaje

RG

R de ganancia (2) ENT–

SALIDA

(11) (9)

(3)

(6)

REF

(4) Protección de datos

REPASO DE LA SECCIÓN 14-1 Las respuestas se encuentran al final del capítulo

(12) (7)

AD522

F I G UR A 1 4 – 1 0

Amplificador de instrumentación AD522 en una configuración típica.

(13)

RL

TIERRA Nulificación de desequilibrio de voltaje

1. ¿Cuál es el propósito principal de un amplificador de instrumentación y cuáles son tres de sus características clave? 2. ¿Qué componentes necesita para construir un amplificador de instrumentación básico? 3. ¿Cómo se determina la ganancia en un amplificador de instrumentación? 4. En cierta configuración del AD622, con RG ⫽ 10 kÆ. ¿Cuál es la ganancia de voltaje? 5. Describa el propósito de un forro de protección....