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Informe Práctica #1. Amplificador de instrumentación Andrés Francisco Gómez García Cód. 2093611 Libardo Andrés Escalante Rojas Cód. 2093606 Universidad Industrial de Santander, Bucaramanga Grupo (O2) Ing. Javier Enrique Mier Martínez Resumen—Este documento reúne la práctica 1 donde se implementa y diseña un amplificador de instrumentación, plasmando una propuesta de montaje bajo las especificaciones dadas por el docente, selección de componentes y conclusiones obtenidas de la práctica. Introducción Los amplificadores de instrumentación nacen de la necesidad de sensar tensiones de bajo nivel donde puede estar presentes ruidos, sabiendo que estos se han diseñado para tener una alta precisión y estabilidad. Por tanto, un amplificador de instrumentación es una configuración particular de un amplificador diferencial, que posee características particulares como bajo nivel de offset de DC, bajo ruido, alta ganancia en lazo abierto, también posee un alto CMRR y valores de impedancia de entrada altas. Con esto en mente, y con las especificaciones dadas por el docente, se procede a diseñar e implementar el amplificador de instrumentación. Objetivos · Diseñar un amplificador de instrumentación teniendo en cuenta las especificaciones dadas. · Seleccionar los componentes necesarios para el desarrollo de la práctica, como son los OPAMP’s, resistencias y tensiones de operación. · Realizar las simulaciones respectivas del modelo planteado para el amplificador de instrumentación Diseño Para el amplificador de instrumentación se han establecido los siguientes requerimientos: · Ganancia diferencial = 1000 [v/v] · Ganancia en modo común = 20mV/2v · Frecuencia de operación = 10 KHz · CMRR = 100000 [v/v] Ahora bien, el modelo del amplificador de instrumentación deseado se ilustra en la figura 1, éste será nuestro modelo a implementar, sabiendo que se encuentra dividido en una etapa de pre-amplificación y en una etapa diferencial. Figura 1. Amplificador de instrumentación. A grandes rasgos los amplificadores operacionales tienen como parámetros generales: · Ganancia diferencial precisa y estable. · La ganancia diferencial es controlada únicamente con un elemento analógico (potenciómetro resistivo). · Su ganancia en modo común debe ser muy baja respecto de la ganancia diferencial. · Impedancia de entrada alta. · Bajo nivel de la tensión de offset del amplificador. · Un factor de ruido muy próximo a la unidad. Entonces para la figura uno, la ganancia del amplificador se rige por Buscando que sea igual a , igual ay sea igual a , según la figura 1. Con esto se tiene el control de la ganancia de la pre-amplificación y posteriormente la diferencial. Selección de componentes Las resistencias con las que se desea montar el diseño son: · · · · TL084 OPA177 OPA627 UA741 Ad (dB) 106,02 135 120 106,02 CMRR (dB) 86 140 116 90 Fc [Mhz] 3 0,6 16 1 Potencia (mW) 680 40 1000 500 Rin (Ω) 1012 2009 1013 2*106 Rout (Ω) 70 60 55 75 Input offset voltage 3 [mV] 10 [uV] 40 [uV] 1 [mV] Input offset current 5[pA] 0,3 [nA] 0,5 [pA] 20 [nA] Tabla 1. Tabla de componentes y sus características importantes para la realización de esta práctica. De las opciones descritas en la tabla1, el OPAMP seleccionado es el TL084 debido a una serie de características que satisfacen los requerimientos dados por el docente para esta práctica, entre esas están el CMRR, la resistencia de entrada alta, su disponibilidad en el mercado y economía. Simulación Se utilizó el software Orcad Family Release 9.2 Lite Edition y la herramienta de este mismo Capture CIS Lite Edition, para realizar las simulaciones pertinentes para la práctica. Debido a la incapacidad de las resistencias a tener los valores ideales, se utilizaron potenciometros para tratar de obtener los valores más cercanos a los deseados resultado del proceso del diseño. En las simulaciones pertinentes para la demostración del comportamiento del amplificador de instrumentacion se utilizarán los valores de resistencias medidas con el multimetro para así disminuir el error producido por dichas resistencias. Figura 2. Simulación previa del amplificador de instrumentación en modo diferencial. Se realizaron simulaciones con dos diferentes OPAMS (TL084 y UA741) para observar la influencia de las características de los mismos en las características requeridas para el diseño. En la figura 3 y 4 se encuentra las graficas de resultado arrojado por los marcadores de tensión en la entrada y la salida mostrados en la figura 2. Figura 3. Voltaje de salida del amplificador de instrumentación en modo diferencial con entrada de 4mV pico utilizando TL084 Figura 4. Voltaje de salida del amplificador de instrumentación en modo diferencial con entrada de 4mV pico utilizando UA741 Figura 5. Simulación previa del amplificador de instrumentación en Orcad en modo común. Ahora bien, en la figura 6 y 7 se ilustran los resultados obtenidos por los marcadores de tensión colocados en la figura 4. Figura 6. Salida del amplificador de instrumentación en modo común utilizando TL084 Figura 7. Salida del amplificador de instrumentación en modo común utilizando TL084 En las tablas 2 y 3, se aprecia un resumen de los resultados obtenidos por las diferentes simulaciones realizadas anteriormente. Entrada diferencial Entrada en modo común Vd [V] 4e-3 Vpp, com [V] 2 Vout [V] 3,83 Vppout,cm [V] 17,27e-3 Ad [V/V] 957,5 Acm [V/V] 8,635e-3 CMRR = 110885,92 Tabla 2. Resultados obtenidos en simulación con el TL084. Entrada diferencial Entrada en modo común Vd [V] 4e-3 Vpp, com [V] 2 Vout [V] 2,755 Vppout,cm [V] 16,9152e-3 Ad [V/V] 688,75 Acm [V/V] 8,4576e-3 CMRR = 81435,6 Tabla 3. Resultados obtenidos en simulación con el UA741. Montaje Para el montaje de la práctica se utilizan potenciómetros como resistencias, ya que estos nos dan un dato más preciso del valor en ohmios de cada resistencia, queriendo así la máxima precisión posible. Figura 8. Resultados obtenidos en el osciloscopio en modo diferencial. Figura 9. Resultados obtenidos en el osciloscopio en modo común. En la tabla4 se observa un resumen de los datos arrojados por el montaje realizado en laboratorio. Entrada diferencial Entrada en modo común Vd [V] 4e-3 Vpp, com [V] 2 Vout [V] 4 Vppout,cm [V] 24,8e-3 Ad [V/V] 1000 Acm [V/V] 12,4e-3 CMRR = 80645,1 Tabla 4. Resultados obtenidos en el montaje con el TL084. Tabla de porcentajes de error para el TL084 error % Ad error % Acm error % CMRR teórico - simulación 4,25 1,37E+01 10,88592 teórico - practico 0 2,40E+01 19,3549 simulación - practico 4,4386423 4,36E+01 27,2720107 Tabla5. Tabla de porcentajes de error para el TL084 Observaciones Hay un factor determinante a la hora de la realización tanto de la práctica como de las simulaciones, y son los valores exactos de la resistencia. Al momento del montaje, fue necesario ajustar repetidamente los valores de los potenciómetros, para hacerlos así lo más cercano posible a los valores en ohmios simulados; para así obtener los resultados de ganancia y CMRR deseados. Conclusiones · El resultado obtenido con respecto a la ganancia diferencial del amplificador da una precisión del 100% respecto a la teórica ya que se obtienen los 1000v/v pedidos por la práctica; pero al comparar los resultados de ganancia diferencial obtenidos en el laboratorio con los de la simulación previa se tiene un error del 4,43%. · Con respecto al CMRR nos entrega un error del 27,27% entre la simulación y lo práctico; y un error del 19,35% entre lo teórico y lo práctico, observándose así un error considerable entre todos ellos, el cual puede ser atribuido a errores en la mediciones de las resistencias o la incapacidad del generador de mantener constante ondas pequeñas como una de 4 mV con la que se estaba trabajando. · Mediante simulación se observo que el UA741 tuvo menos rendimiento a la frecuencia de 10 [Khz]. Haciendocomparaciones en ganancia de lazo abierto ambos elementos tienen características similares, difieren en CMRR y ancho de banda (siendo mayor la del TL084), pero a pedido de los requerimientos de trabajar a la frecuencia de 10 Khz y las otras condiciones, para este diseño tiene un mejor rendimiento el TL084. Bibliografía · Sedra& Smith-Circuitos microeletronicos – Oxford University Press, Inc. USA- 4 edt. · BehzadRazavi –Design of AnalogCmos integrated Circuits–McGraw-Hill Science/Engineering/Math; 1 edition (August 15, 2000) image5.png image6.png image7.png image8.png image9.png image1.png image2.png image3.png image4.png
