Amplificador de Instrumentación

Los amplificadores operacionales tienen un comportamiento casi ideal cuando se trabajan a bajas frecuencias o cuando la precisión de su comportamiento no es indispensable para cumplir con su funcionalidad. Sin embargo, existen situaciones en donde se requiere un comportamiento muy preciso o con grandes restricciones, por lo que es indispensable entender el modelo real del operacional para poder lograr diseños acordes a estas necesidades.

En el mercado existe una gran variedad de amplificadores, cada uno con sus características que representan una ventaja o una desventaja frente algún criterio de diseño. Por esta razón, es importante conocer y entender las principales características que modelan su comportamiento para determinar su efecto en el funcionamiento del dispositivo dentro de un sistema y de esta manera, escoger un modelo que ofrezca la mayor cantidad de ventajas respecto a las necesidades que se tengan.

Un ejemplo de esto es lo que se conoce como Amplificador de Instrumentación, que es una topología conocida que nos ofrece una serie de ventajas frente a una topología de un amplificador operacional individual. Como se mostrará más adelante, con este amplificador tenemos un excelente rechazo a señales en modo común, alta impedancia de entrada, ganancia variable a través de un solo elemento, entre otras características que lo hacen ideal para aplicaciones dentro del campo de la instrumentación electrónica. A continuación se da una explicación de los diferentes parámetros de los amplificadores operacionales no ideales, que nos permiten modelar su comportamiento y restricciones de desempeño, que son los siguientes:

• Tensión de desviación de entrada, Vos
• Corrientes de polarización de entrada, Ibn y Ibp
• Corriente de desviación, Ios
• Slew Rate
• Razón de Rechazo en Modo Común, CMRR
• Impedancia de entrada diferencial
• Impedancia de salida
• Razón de rechazo de la alimentación, PSRR

Un amplificador operacional ideal se caracteriza por tener dos entradas de tensión que son comparadas y amplificadas de manera diferencial. Este proceso se realiza sin requerir de energía o consumo de ninguna intensidad de los circuitos complementarios. Sin embargo, en un amplificador real, existe un consumo de las señales de entrada y a la salida genera un error debido a la comparación de las mismas.

En el amplificador ideal, cuando se conectan las dos entradas a masa la salida es nula, mientras que en un amplificador real se genera una salida diferente de cero. Este voltaje es el que se conoce como tensión Offset de entrada y se debe principalmente al comportamiento de los transistores que conforman internamente el operacional. En el caso de un 741, un operacional de propósito general ampliamente difundido en el mercado, posee una etapa de entrada dada por un par diferencial de BJT’s alimentados por una fuente de corriente en espejo. Los propios transistores requieren de una corriente en la base para su funcionamiento y es por ello que la idea de que la corriente de entrada es nula no puede ser aplicada. Adicionalmente, dado que cada una de las ramas de corriente que se genera en la topología no es simétrica, se genera un diferencial de potencial a la salida de esta etapa que puede verse amplificada por etapas intermedias.

Para modelar este comportamiento empleamos una fuente de voltaje diferencial conectada a la entrada de un amplificador ideal. Este voltaje se ve entonces amplificado a la salida, contribuyendo a un error general de la salida. En la figura 1 se puede observar este procedimiento.

Figura 1: Tensión de desviación de entrada de un amplificador operacional que se ve modelado como una fuente conectada a un operacional ideal

Este es uno de los parámetros más importantes a la hora de tomar una decisión acerca de que amplificador usar, la mayoría de los integrados comerciales cuentan con un sistema de compensación de offset, que nos permite por medio de una resistencia cambiar el valor de esta fuente de voltaje sumándole un voltaje de valor inverso. Si el dispositivo no posee un sistema de compensación, podemos adicionar un voltaje en una de las entradas para contrarrestar el efecto, tal como lo podemos apreciar en la figura 2.

Figura 2: Ajuste del voltaje de desviación de entrada u offset a) usando el pin proporcionado por el fabricante b) o usando un circuito externo propio.

Hay que tener en cuenta que estas modificaciones pueden generar un impacto negativo en otros parámetros, como puede ser ancho de banda. Por este motivo, es siempre encontrar un dispositivo comercial que nos ofrezca un valor lo suficientemente pequeño para que podamos despreciarlos dentro de nuestra aplicación.

De las hojas de especificaciones se tiene que el integrado LM741 tiene un voltaje offset de entrada típico de 15mV, mientras que el integrado LF347 tiene un voltaje de offset de entrada de 4mV. Este segundo integrado posee un voltaje menor debido a que internamente está trabajando con transistores de efecto de campo (J-FET’s).

Una de las características de los transistores de unión bipolar BJT’s es la necesidad de una corriente de polarización en los terminales de entrada para que estos entren en el estado de funcionamiento deseado. Como mencionamos anteriormente, es necesario que circule una corriente por la base de los transistores que forman el par diferencial del amplificador operacional para que puedan funcionar. A este tipo de corrientes se les conoce como corrientes de polarización de entrada.

Esta corriente de polarización esta diferenciada entre los terminales inversor y no inversor, pero su diferencia es de una pequeña fracción, además que es imposible conocer con exactitud so valor de manera independiente. Esto ha llevado a que los fabricantes proporcionen un valor medio de ambas (Corriente de polarización de entrada, y la diferencia entre ellas sin indicar cuál es la mayor (Corrientes de desviación u offset, . Matemáticamente se definen de la siguiente manera:

De la hoja de datos del integrado LM741 vemos que tiene una corriente promedio de offset de entrada típica de 20nA y máxima de 200nA. Por el contrario, el integrado LF347 que está basado en transistores de efecto campo FETs tiene una corriente de offset en el rango de los 50 a los 200pA.

Dado que este efecto produce la aparición de un voltaje de desviación, puede ser considerado de la misma manera en que se considera el voltaje de desviación de entrada, sumando su efecto con el de estas corrientes. El resultado es un valor de voltaje en la salida diferente de cero cuando las entradas sean nulas.

Los amplificadores operacionales tiene la característica de poseer una ganancia diferencial bastante elevada, pero también poseen una ganancia en modo común que suele ser bastante baja pero significativa para algunas aplicaciones. Como resultado, obtenemos que la ganancia total del amplificador está dada por la siguiente expresión:

En donde Ac corresponde a la ganancia de modo común, Ad la ganancia en modo diferencial, Vd la tensión de entrada diferencial y Vc la tensión a la entrada en modo común. Podemos expresar estas dos últimas de la siguiente manera:

La razón de rechazo de modo común, o CMRR por sus siglas en inglés, se define como el cociente entre la ganancia diferencial y la ganancia en modo común. Esta relación nos da una idea de que tanto se está amplificando la parte diferencial frente al rechazo o eliminación de la parte común. En decibelios se formula como:

Cuanto más grande sea el CMRR, la amplificación de señales diferenciales será muy superior al valor de la amplificación de las señales comunes, haciendo que esta ultima sea despreciable cuando se la compara con la primera. Para valores bajos, es posible que el valor de la señal común sea similar al de la señal diferencial ya amplificada, haciendo que esta pierda importancia y generando errores en las mediciones que se harán con esta información.

Para el amplificador LM741 se tiene un valor típico del CMRR de 90dB, y en el peor de los casos de 70dB. Para el integrado LF347 estos valores mucho mejores, teniendo típicamente una razón de rechazo típica de 100dB y en el peor de los casos de 70dB.

La fuente alimentación tiene una influencia directa en el comportamiento de los amplificadores operacionales y en general, de todos los circuitos electrónicos. En nuestro caso, tenemos que la etapa de salida de los amplificadores es bastante propensa a tener efectos no deseados con cambios en los valores de referencia de la alimentación. Aunque por lo general estos valores son bajos, es posible que debamos prestarles mucha atención cuando se esté trabajando con fuentes de alimentación que cambian en el tiempo como son las baterías de los dispositivos portátiles y su nivel de carga.

Matemáticamente podemos expresarlo como la razón de cambia en la salida dependiendo del cambio en la fuente de alimentación, es decir:

Para el amplificador LM741 se tiene una razón de rechazo de la alimentación típico de 96dB y en el peor de los casos de 77dB. Para el integrado LF347 estos valores corresponden a 100dB y 70dB correspondientemente.

En una aproximación ideal se dice que el amplificador operacional tiene una impedancia de entrada infinita, implicando que no hay corrientes que entran al dispositivo. Sin embargo, ya hemos visto que si existe una corriente de entrada, así que lo más común es pensar en una resistencia de entrada diferencial de un valor muy alto. Esta resistencia, junto a las corrientes que circulan por ella, genera una tensión diferencial que es amplificada y reflejada a la salida.

En la figura 3 se puede apreciar la resistencia interna del amplificador operacional y su influencia en la salida. Cuanto más grande sea su valor, menor corriente circulará por ella y por ende, menor será el efecto producido. En el amplificador LM741 se tiene un valor típico de 2MΩ, sin embargo, el valor mínimo puede llegar a ser en el peor de los casos de 300KΩ. Para el integrado LF347 se puede alcanzar un valor típico de 10e12Ω.

Figura 3: Resistencia de entrada diferencial sobre un amplificador operacional.

Por lo general la impedancia de salida de un amplificador operacional es baja, aunque no nula, debido a que se tiene una etapa de salida dada por una topología de colector común. En la figura 4 se puede observar esquemáticamente el efecto de esta impedancia.

Figura 4: Impedancia de salida de un amplificador operacional.

Esta impedancia de salida no tiene un efecto significativo cuando determinamos el error en la salida, pero tiene un papel importante cuando se trata de aplicaciones de potencia. En estos casos, los valores deben ser muy bajos ya que se están alimentando cargas con valores de impedancias de 4 u 8Ω como en el caso de audio, con altas cantidades de corriente.

Cuando trabajamos en altas frecuencias, es importante que nuestro amplificador operacional tenga la capacidad de realizar cambio rapidos en la salida para poder funcionar a la frecuencia del sistema. El Slew RAte nos indica cuanto, en voltaje, puede cambiar la salida por unidad de tiempo. Generalmente esta dado en unidades de voltios por microsegundo.

Este valor nos determina el ancho de banda de operación para no perder o distorsionar la información con la que se está trabajando. Para el caso del amplificador LM741 se tiene un valor de SW=0.5V/uS, que es muy bajo si lo comparamos con el LF347, que tiene un valor típico de SW=16V/uS.

[1]. PEREZ, Miguel A. Instrumentación Electrónica. Segunda Edición. Editorial Thomson. 2006. España.

[2]. DRAKE M, José María. Instrumentación Electrónica de Comunicaciones. Tema II: Modelo del Amplificador Operacional Real. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicaciones. [Contenido en Línea] http://www.ctr.unican.es/asignaturas/instrumentacion_5_IT/IEC_2.pdf

[3]. VILLALBA M, Germán. Tema 6: Amplificadores Operacionales. Departamento de Ingeniería de Comunicaciones. Universidad de Murcia. [Contenido en Línea] http://ocw.um.es/ingenierias/tecnologia-y-sistemas-electronicos/material-de-clase-1/tema-6.-amplificadores-operacionales.pdf