7/31/2019 Amplificador de Instrumentacion Arnold

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AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN

AbstractIn the following document one was finding all

related to the operational amplifier of instrumentation, as hisbasic configuration the specification, applications, etc. Besidesthis side an application guided towards the biomedicine.

ResumenEn el siguiente documento se encontrara todo lo

relacionado al amplificador operacional de instrumentacin,como su configuracin bsica la especificacin, aplicaciones, etc.Adems de esto se vera una aplicacin guiada hacia labiomedicina.

Key wordsAmplifier of instrumentation.

Palabras claves

amplificador de instrumentacin.

I. INTRODUCCINL amplificador de instrumentaciones un amplificadordiferencial compuesto por tres amplificadores

operacionales. Su ganancia es establecida de forma precisapara poder trabajar en un entorno hostil. Es muy usado comoelemento esencial de medida donde interacciona de formaindependiente con el resto de los bloques del sistema; paraesto se requiere:

a. Tengan unas caractersticas funcionales que seanprecisas y estables.

b. Sus caractersticas no se modifiquen cuando seensambla con otros elementos.

Fig. 1.Amplificador de instrumentacin ganancia y diagrama debloques.

Estos amplificadores deben de tener las siguientescaractersticas.

1. Son amplificadores diferenciales con una gananciadiferencial precisa y estable, generalmente en elrango de 1 a 1000.

2. Su ganancia diferencial se controlada mediante unnico elemento analgicos (potencimetro resistivo)

o digital (conmutadores) lo que facilita su ajuste.3. Su ganancia en modo comn debe ser muy baja

respecto de la ganancia diferencial, esto es, debeofrecer un CMRR muy alto en todo el rango defrecuencia en que opera.

4. Una impedancia muy alta para que su ganancia no sevea afectada por la impedancia de la fuente deentrada.

5. Una impedancia de salida muy baja para que suganancia no se vea afectada por la carga que seconecta a su salida.

6. Bajo nivel de la tensin de offset del amplificador ybaja deriva en el tiempo y con la temperatura, a fin depoder trabajar con seales de continua muy pequeas.

7. Un ancho de banda ajustado a el que se necesita en eldiseo.

8. Un factor de ruido muy prximo a la unidad, esto esque no incremente el ruido.

9. Una razn de rechazo al rizado a la fuente dealimentacin muy alto.

La configuracin mas bsica de este amplificador deinstrumentacin esta dad por tres amplificadores operacionalescomo se muestra en la figura:

Fig. 2. Amplificador de instrumentacin compuesto por tresamplificadores operacionales.

Anlisis del circuito:

1. Etapa de pre amplificacin Aumenta la impedancia de entrada del conjunto.

Gracias a su configuracin no inversora iguala laimpedancia del circuito a la del AO.

Suelen utilizarse operacionales con entradas basadas

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN OCTUBRE DE 2012

Arnold Rodrguez. Author,Member, USTA

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en FET para conseguir bajas corrientes depolarizacin.

Anlisis:

Buscamos VA y VB en funcin de V1 y de V2:Aplicamos c.c virtual y planteamos kircchoff de corrientes enel nodo A:

(VA-V1/RA) = (V1-V2/RG), despejando VA:VA= V1( (RA/ RG)+1)-(RA/RG)V2 (1)De la misma forma en el punto B:

(V1-V2/RG)= (V2-VB/RB), despejando VB:VB= V2( (RB/ RG)+1)-(RB/RG)V1 (2)Restando ambas expresiones se obtiene:VB-VA=V2-V1((RA+RB)/RG+1) (3)

Nota: se observa que entre el parntesis esta la ganancia del

amplificador y esta se puede variar, variando RG.

2. Etapa diferencialA partir del circuito de amplificador diferencial se obtiene:Vo=(-(R2/R1))VA+(1+(R2/R1))(R4/(R3+R4))VB (4)

3. TotalSustituyendo la ecuacin (4) las expresiones de VA y de VBpor lo hallado en la etapa preamplificadora, y teniendo encuenta las definiciones de Vd y Vcm:Vd=VB-VA Vcm=(VA+VB)/2Se llega a:

De donde se deduce que:1. La ganancia en modo comn ser cero (i.e. CMRR

mximo) si 1-((R2R3)/(R1R4))=0. Esto se puedeconseguir como ya sali en el anlisis delamplificador diferencial si R2/R1 = R4/R3.

2. Si adems para simplificar la expresin, imponemosque 2Ra/Rg = 2Rb/Rg, es decir, Ra = Rb Resulta:

Ad= R2/ R1 (1+2(Ra / Rg))Nota: se observa que RG vara la ganancia sin afectar el

CMRR.

Aplicaciones

1. Acople mediante transformador, que garantiza elaislamiento elctrico entre la fuente y el sistema de

medida.

Fig. 3. Acople mediante transformador.

2. Acoplo mediante un elemento pasivo que norequiere alimentacin como es el caso de un

termopar.

Fig. 4. Fuente pasiva.

3. Acoplo capacitivo que garantiza el bloqueo de lasseales de continua y la nica transferencia de la

seal.

Fig. 5. Acoplo capacitivo.

4. Configuracin tpica propuesta por el fabricante.

Fig. 6. Configuracin tpica.

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AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION EN LA

BIOTECNOLOGIA

Fig. 7. Diagrama de bloques de cualquier sistema de instrumentacinmedica.

Bioseal: Corresponde a la medida a realizar.Dependiendo de la accesibilidad de la medida,podemos distinguir los siguientes tipos: interna (porejemplo, la presin sangunea), superficial (ECG),emanar del cuerpo (radiacin infrarroja) o derivar deuna muestra de tejido (biopsia). El primer tipocorrespondera a captacin invasiva, mientras que el

resto son de tipo no invasivo. Sensor: El sensor es un tipo especfico de transductor

que convierte variables fsicas en elctricas, que sonlas que usualmente pueden procesar los sistemas deinstrumentacin electrnica. Idealmente el sensorslo debe responder al tipo de energacorrespondiente a la bioseal de inters, excluyendolas restantes, as como no producir efecto de cargasobre la fuente de seal y ser mnimamente invasivo.

Procesado analgico:La mayor parte de los sensoresproduce una salida analgica. Esta salida presentacaractersticas (baja amplitud, alta impedancia, ruido

superpuesto...) que obligan a realizar un procesadoanalgico previo a la presentacin o almacenamientode la informacin obtenida. Dentro de dichoprocesado se incluye adaptacin de impedancias,amplificacin, filtrado y otras tcnicas de eliminacinde interferencias.

Procesado digital: La amplia disposicin actual deordenadores y otros sistemas digitales ha propiciadoque, cada vez en mayor medida, los sistemas deinstrumentacin mdica incorporen procesado digital,ganando as en precisin, autocalibrado y, tambin,posibilidades de procesado de la seal mucho mspotentes y adaptables a las necesidades del usuario

que las que proporciona el procesado analgico. Portanto, una vez obtenida la seal con suficientecalidad, la tendencia actual es digitalizarla paracontinuar con su procesado digitalmente.

Presentacin-almacenamiento-transmisin: Unavez adquirida y procesada la seal, se requiere dedispositivos que presenten la informacin al usuario.Existe una gran variedad de modos de presentacin,que incluyen formatos numricos, grficos,permanentes (soporte papel), temporales (pantallaosciloscopio u ordenador), etc. Por ltimo, la

informacin generada por el sistema deinstrumentacin puede ser guardada o transmitidapara posteriores procesados. Estos bloquesfuncionales pueden insertarse en la salida decualquiera de los dos bloques de procesado.

Amplificacin y procesadoAmplificador de instrumentacinEl amplificador de instrumentacin (AI) permite convertirla tensin de salida del sensor, que suele ser de pequeaamplitud y con impedancia alta, lo que favorece laresonancia de ruido superpuesto, en una magnitudutilizable, adaptando impedancias, amplificando la sealtil (seal diferencial) y mejorando la relacin seal-ruido. Podemos clasificar los tipos de amplificadores debiopotenciales en estructuras con dos y tres electrodosconectados al paciente. El tercer electrodo proporciona uncamino de retorno a las corrientes de entrada delamplificador. Para evitar que stas produzcaninterferencias de modo comn, su impedancia debera serlo menor posible, y de hecho los primeros sistemasconectaban directamente la pierna derecha del paciente ala tierra de red. No obstante, la disminucin de estaimpedancia aumenta la mxima corriente que puedecircular por el paciente, incrementando el riesgo defibrilacin. Los amplificadores de dos electrodos, por suparte, no conectan el paciente a la referencia, por lo queutilizan estructuras 'bootstrap' que derivan estas corrientesde entrada. Empero, su capacidad de rechazo deinterferencias es menor. Otra solucin es la utilizacin deamplificadores de aislamiento que intercalan una altaimpedancia (impedancia de aislamiento) entre la

referencia de entrada y la tierra de red, limitando lacorriente mxima. Esta solucin puede aplicarse tanto alos amplificadores de dos como de tres electrodos.

Fig. 8. Amplificador de dos electrodos.

La estructura del amplificador 'bootstrap' de dos electrodosse muestra en la figura 8. La impedancia de entrada para el

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rango de frecuencias usual en biopotenciales viene dada por:Zi = R1R2 C1s + R1 + R2

Vlida para el caso Zi