Amplificadores de instrumentacao veronica e andre

Amplificadores de instrumentacao

1. UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA – UDESC
CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE



ANDRÉ RAMOS MARCINICHEN
VERÔNICA MARIN





AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAÇÃO








JOINVILLE, SC
2014

2. 2
ANDRÉ RAMOS MARCINICHEN
VERÔNICA MARIN






AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAÇÃO





Trabalho de Eletrônica 2
apresentado ao curso de
Engenharia Elétrica do Centro
Ciências Tecnológicas na
Universidade do Estado de
Santa Catarina.
Orientador: Prof. Dr. Eng.º
Volney Coelho Vicente




JOINVILLE, SC
2014

3. 3
SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................ 4!
2. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO .................................................... 5!
2.1 DESCRIÇÃO!.............................................................................................................!5!
2.1.1 Equação Característica!............................................................................................!5!
2.1.2 Rejeição de Modo Comum (CMRR)!......................................................................!6!
2.2 AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAÇÃO INTEGRADOS!.............................!7!
2.2.1 Exemplo de In-Amp de Baixo Custo: AD620!........................................................!7!
2.2.2 Exemplo de In-Amp de Auto-Zero: AD8230!.........................................................!8!
2.2.3 Exemplo de In-Amp de Ganho Fixo: AD8225!......................................................!9!
2.2.4 Exemplo de In-Amp de Ganho Programável: AD8250!.......................................!9!
2.3 APLICAÇÕES!.........................................................................................................!10!
2.3.1 Instrumentação Médica!..........................................................................................!10!
2.3.2 Amplificação de Audio!............................................................................................!10!
2.3.3 Aplicações em Video!..............................................................................................!10!
3. ESPECIFICAÇÕES DO AD620 .................................................................... 11!
3.1 SLEWRATE!.............................................................................................................!11!
3.2 CMRR E TENSÃO DE OFFSET!............................................................................!12!
4. EXEMPLO DE APLICAÇÃO ......................................................................... 14!
4.1 AMPLIFICAÇÃO DE UM TERMOPAR TIPO K COM AD620!..............................!14!
4.2 SIMULAÇÃO!...........................................................................................................!14!
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................. 16!
!
!

4. 4
1. INTRODUÇÃO

Amplificador operacional(Ampop) basicamente é um componente que
permite um ganho para um sinal e com ele existem muitas aplicações
possíveis.
Uma das utilizações do ampop é no Ampop de Instrumentação, este
basicamente é um arranjo de ampops e resistores que permite facilmente variar
o ganho do circuito, sem precisar usar um valor muito elevado para os
resistores.
Um circuito integrado(CI) é um componente composto por
semicondutores, que miniaturiza um circuito eletrônico. Existem vários de CIs
de ampops e também existem alguns modelos para Ampop de Instrumentação.
Um exemplo de CI para instrumentação é o AD620 e com ele será
criado circuito que permite aumentar o ganho de um sinal vindo de um
termopar, também será feito uma simulação para ver o ganho deste.

5. 5
2. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO
Neste capítulo iremos mostrar os conceitos básicos de um amplificador
de instrumentação, algumas aplicações e os principais CIs e os seus
propósitos.

2.1 DESCRIÇÃO
O Amplificador de Instrumentação(In-amp) é um circuito eletrônico que
basicamente elimina a necessidade do casamento de impedância com a
resistência de entrada. Na pratica é muito útil devido a maior proximidade com
a idealidade e praticidade para com a variação do ganho, utilizando-se um
potenciômetro. O In-amp é um ótimo circuito de amplificação para sinais de
sensores.

As principais características de um amplificador de instrumentação são:

1) Elevada impedância de entrada.
2) Controle do ganho através de uma única resistência.
3) Elevado ganho.
4) Elevada Rejeição de Modo Comum. (CMRR)
5) Perfeita simetria entre as entradas inversora e não inversora.

Na Figura 1 podemos facilmente perceber que um amplificador de
instrumentação possui dois estágios, sendo:

1) Estágio de entrada: Dois amplificadores em montagem não inversora.
2) Estágio de saída: Um amplificador diferencial.

Figura 1 – Esquemático Típico de um Amplificador de Instrumentação

2.1.1 Equação Característica
Para calcular a equação característica vamos definir:
1) !!∗→!"í!"!!"!!"#$%#"&!!"#$%&%'!()*
2) !!∗→!"í!"!!"!!"#$%&'!!"#$%&%'!()*
3) !!→!"#$%$!!ã!!!"#$%&'%(!!"!!"#$"%#&!!"#$%&%'!()*

6. 6
Olhando o segundo estágio:
!!∗−!!!
!!=!!!
!!
!!∗=!!!!!!
!!+1
!!=!!!∗!!!
!!+!!

!!∗+!!
!!+!!!+!!
!!=0
−!!∗!!
!!+!!!!!+!!
!!=!!
−!!∗!!
!!+!!!∗!!!
!!=!!

!!=!!!
!!(!!∗−!!∗)!

E para o primeiro estágio:
!!∗−!!
!!=!!−!!
!!
!!∗=!!
!!!!!−!!+!!!
!!∗−!!
!!!=!!−!!
!!
!!∗=!!
!!!!!−!!+!!!
!!∗−!!∗=!(!!−!!)2!!
!!+1

Por tanto, temos a equação final:
!!=!(!!−!!)!!
!!
2!!
!!+1

2.1.2 Rejeição de Modo Comum (CMRR)
O primeiro estágio apresenta altas impedâncias casadas, que são
conferidas pelos dois amplificadores. Quando um sinal de entrada vid é aplicado
entre as entradas do circuito, a tensão vid é imposta sobre a resistência RG e
portanto passa para o segundo estágio com um ganho dado pelo fator
1+2(R1/RG). Já para sinais de modo comum as tensões nas extremidades de
RG serão iguais e não haverá corrente fluindo por RG. Portanto, os ampops
disponibilizarão para o segundo estágio o sinal de entrada de modo comum
com ganho unitário, cabe então ao segundo estágio rejeitar esse sinal,
passando para a saída somente os sinais de modo diferencial.

7. 7
2.2 AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAÇÃO INTEGRADOS
O projeto clássico de amplificador de instrumentação (Figura 1) pode ser
integrado em um chip com todos esses componentes, exceto, geralmente, RG,
que será usado para controlar o ganho de tensão do amplificador.
Esses amplificadores de instrumentação monolíticos têm tipicamente um
ganho de tensão entre 1 a 1000, um CMRR maior do que 100dB, uma
impedância de entrada maior que 100MΩ, uma tensão de offset menor do que
0,1mV, uma deriva menor do que 0,5VµV/ºC entre outros parâmetros.
Existem diversos modelos de CIs, com variadas características. Na
Figura 2 podemos ver uma tabela simplificada das principais características de
alguns dos modernos In-amp da Analog Devices.

Figura 2 – Resumo dos Principais Modelos de In-Amps

Em sequencia explicaremos o funcionamento mais a fundo e as
aplicações de alguns dos principais modelos.

2.2.1 Exemplo de In-Amp de Baixo Custo: AD620
O AD620 é um In-amp monolítico de baixo custo e alta precisão. Ele
requer apenas um resistor externo para setar um ganho entre 1 e 1000. Na
Figura 3 podemos ver um esquema simplificado do AD620, de onde faremos
algumas análises sobre a operação deste In-amp.

8. 8
Figura 3 – Esquemático Simplificado do AD620

Os transistores de entrada (Q1 e Q2) formam um par diferencial bipolar
de entrada, para uma alta precisão e ainda sim, oferece 10x menos corrente de
polarização, devido ao processamento em superbeta.
O feedback entre os loops Q1-A1-R1 e Q2-A2-R2 fazem com que a
corrente de coletor de Q1 e Q2 sejam constantes e consequentemente se tem
uma diferença de potencial no RG. Isso cria um ganho diferencial entre as
entradas e as saídas de A1/A2. O subtrator unitário A3 remove qualquer sinal de
modo-comum, gerando um sinal simples, referenciado ao pino REF.
Como R1 e R2 tem um valor de 24.7kΩ nós temos a seguinte equação
para definir o RG em função do ganho desejado:

!=!49.4!
!!+1

!!=!49.4!
!−1


2.2.2 Exemplo de In-Amp de Auto-Zero: AD8230
O AD8230 é um In-amp de precisão de auto-zero, ou seja, ele cancela o
offset e drift dinamicamente, reduzindo o offset de tensão de um nível de 20µV
e o drift para 50nV/ºC. Outra vantagem do auto-zero é a redução do ruído em
baixas frequências. A amostragem do sinal é controlada por um oscilador de
6kHz interno ao chip.
O ganho do AD8230 é calculado através de dois resistores (RG e RF)
através da seguinte equação:

!=21+!!!
!!

A relação entre esses resistores e o resistor da carga (RL) para garantir
o funcionamento do ampop deve ser:

!!||!!+!!>!2!Ω

9. 9
2.2.3 Exemplo de In-Amp de Ganho Fixo: AD8225
O AD8225 é um In-amp com um ganho fixo de 5, o que permite
melhores performances. A performance de CMRR do AD8225 permite a
rejeição dos ruídos provocados por equipamentos industriais, equipamentos
médicos e equipamentos de alta potência. Baixas correntes de polarização
combinadas com um alto slewrate (5V/µs) tornam o AD8225 ótimo para
aplicações multiplexadas.


Figura 4 – Esquemático do AD8225

2.2.4 Exemplo de In-Amp de Ganho Programável: AD8250
O AD8250 tem um ganho programável de 1, 2, 5 ou 10, conforme a
tabela verdade da Figura 5. Um esquemático simplificado pode ser visto na
Figura 6.

Figura 5 – Tabela Verdade do AD8250

Figura 6 – Esquema Simplificado do AD8250

10. 10
2.3 APLICAÇÕES

2.3.1 Instrumentação Médica
In-amp é amplamente utilizado em equipamentos médicos, como
eletrocardiogramas e eletroencefalogramas, medidores de pressão sanguínea
e desfibriladores.

Figura 7 – Exemplo de Aplicação Médica com AD620 e AD705
2.3.2 Amplificação de Audio
Devido a alta rejeição de modo comum o In-amp é usado em aplicações
de áudio para extrair um sinal pequeno de um ambiente barulhento, e para
minimizar offsets e ruídos devido a loops de terra (dois componentes aterrados
apresentando uma pequena diferença de tensão).
2.3.3 Aplicações em Video
High-speed In-amp é utilizado em diversos sistemas de vídeo para
amplificar ou processar sinais em alta frequência.

11. 11
3. ESPECIFICAÇÕES DO AD620
Neste capitulo iremos simular algumas não linearidades e especificações
do AD620 e discorrer sobre suas vantagens e desvantagens com relação a um
amplificador operacional.
3.1 SLEWRATE
Segundo o datasheet do AD620 temos um slewrate típico de 1.2V/µs.
Para verificar essa informação simulamos uma onda quadrada na entrada de
um AD620 com ganho 2, essa configuração pode ser vista na Figura 8.
Medimos então a saída (na Figura 9) e verificamos que foram necessários
8.8µs para a saída chegar em 10V, ou seja, um slewrate de 1.14V/µs
condizente com o datasheet. Esse valor é melhor do que o do 741, que é
0.5V/µs, mas ainda não é um valor que caracterizaria uma resposta rápida,
então devemos tomar cuidado ao utilizar esse In-amp em altas frequências.
Figura 8 – Circuito Simulado para a Medição do Slewrate

Figura 9 – Entrada e Saída do Circuito

12. 12
3.2 CMRR E TENSÃO DE OFFSET
Como eliminar o ganho de modo comum é a principal vantagem do In-
amp, vamos então simular um circuito operando em modo comum e comparar
a resposta do AD620 com a do TL082, um amplificador operacional comum,
esse circuito pode ser verificado na Figura 10. A resposta do TL082 foi
verificada na Figura 11, e com ela podemos calcular o CMRR da seguinte
equação:

!"##=20log!"
!"=!20log!"#
!.!"∗!"!!=91.54!"

Já para o AD620 o ganho foi tão pequeno que a onda senoidal fosse
completamente deformada, como pode ser visto na Figura 12, mas ainda
conseguimos calcular o CMRR como sendo aproximadamente:

!"##=20log!"
!"=!20log250
4.95∗10!!=134!"

Segundo os datasheets para AD620 temos um CMRR de 130dB para
um ganho de 100 a 1000 e para o TL082 temos um ganho de 80dB, isso pode
ser confirmado, e pudemos verificar uma diferença de duas décadas no ganho
em modo comum do In-amp em relação ao ampop, comprovando a sua
aplicação para evitar a amplificação de ruídos.
Também pudemos verificar com a mesma simulação a tensão de offset
de ambos os ampops, pois verificamos um nível DC de 2.94mV na saída do
TL082 e de 3.9mV na saída do AD620, segundo os seus datasheets os valores
típicos são de 3mV e 7.9mV respectivamente.

Figura 10 – Circuito Simulado para Verificar o CMRR

13. 13
Figura 11 – Saida do TL082

Figura 12 – Saída do AD620

14. 14
4. EXEMPLO DE APLICAÇÃO
Para demonstrar a utilização de um amplificador de instrumentação
vamos analisar a amplificação de um termopar que por gerar uma tensão
extremamente pequena precisa ser amplificada com um In-amp para evitar que
a amplificação de ruídos comprometa o resultado final.

4.1 AMPLIFICAÇÃO DE UM TERMOPAR TIPO K COM AD620
Com base no Efeito Seebeck, que é a produção de uma diferença de
potencial (tensão) entre duas junções de condutores de materiais diferentes em
diferentes temperaturas, o termopar é constituído de dois metais distintos
unidos por sua extremidade. Para um termopar do tipo K temos um termo
elemento positivo de Chromel e um termo elemento negativo de Alumel, que
nos dão uma sensibilidade de aproximadamente 40µV/ºC.
Utilizando um amplificador de instrumentação iremos amplificar essa
tensão para medir 0.01V/ºC. Por tanto precisamos de um ganho como se
segue:
!=0.01
40!!!10!!=250
Como vimos no item 2.2.1 o C.I. AD620 podemos calcular RG com base
na seguinte formula:
!!=!49.4!
!−1=!49.4!
250−1=198Ω!≅200Ω!
Podemos então esquematizar nosso circuito como a Figura 13.
Figura 13 – Esquemático do Projeto
4.2 SIMULAÇÃO
Utilizando programa OrCAD/Pspice, foi feita uma simulação para uma
diferença de 1 grau (Figura 14) e para 16 graus (Figura 15), onde o nível DC
obtido na saída foi satisfatório. Junto com a simulação de 16º incluímos um
ruído em 60Hz, simulando algum ruído da rede em cima dos contatos do
amplificador. Verificamos na Figura 16 que o ruído foi satisfatoriamente
eliminado, como esperado.

15. 15
Time
0s 10.0s 20.0s 30.0s 40.0s 50.0s 60.0s 70.0s 80.0s 90.0s 100.0s 110.0s 120.0s 130.0s 140.0s
V(R2:2)
100mV
200mV
300mV
400mV
458mV
Figura 14 – Termopar com Diferença de Temperatura de 1º

Figura 15 – Termopar com Diferença de Temperatura de 16º e ruido


Figura 16 –Saída do AD620

16. 16
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] ANALOG DEVICES. A Designers Guide to Instrumentation Amplifiers.
Disponível em: http://www.analog.com/static/imported-
files/design_handbooks/5812756674312778737Complete_In_Amp.pdf
Último acesso: 15 de Junho de 2014

[2]UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR. Amplificadores em
Instrumentação.
Disponível em: http://webx.ubi.pt/~dinis/IM/im_cap05_ampops.pdf
Último acesso: 15 de Junho de 2014

[3]DAL FABBRO, PAULO AUGUSTO. Projeto de um Amplificador de
Instrumentação CMOS Integrado.
Disponível em:
http://www.lpm.fee.unicamp.br/~carlos_reis/m_paulo_dalfabbro.pdf
Último acesso: 15 de Junho de 2014

[4]SEDRA, K. Smith. Microeletrônica. Pearson Prentice Hall, 5ª edição, 2007.

[5] ANALOG DEVICES. AD620 Datasheet.
Disponível em: http://www.analog.com/static/imported-
files/data_sheets/AD620.pdf
Último acesso: 19 de Junho de 2014

[6] ANALOG DEVICES. AD8230 Datasheet.
Disponível em: http://www.analog.com/static/imported-
files/data_sheets/AD8230.pdf
Último acesso: 15 de Junho de 2014

[7] ANALOG DEVICES. AD8225 Datasheet.
Disponível em: http://www.analog.com/static/imported-
files/data_sheets/AD8225.pdf
Último acesso: 15 de Junho de 2014

[8] ANALOG DEVICES. AD8250 Datasheet.
Disponível em: http://www.analog.com/static/imported-
files/data_sheets/AD8225.pdf
Último acesso: 15 de Junho de 2014

[9] TEXAS INSTRUMENTS. TL082 Datasheet.
Disponível em: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl082.pdf
Último acesso: 19 de Junho de 2014

[10]MALVINO, Albert; BATES, David J. Eletrônica Volume 2. AMGH, 7ª
edição, 2007.