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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
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
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
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
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) 𝑉!
∗
→ 𝑆𝑎í𝑑𝑎  𝑑𝑜  𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑖𝑟𝑜  𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟
2) 𝑉!
∗
→ 𝑆𝑎í𝑑𝑎  𝑑𝑜  𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜  𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟
3) 𝑉! → 𝐸𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎  𝑛ã𝑜  𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟𝑎  𝑑𝑜  𝑡𝑒𝑟𝑐𝑒𝑖𝑟𝑜  𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟
6
Olhando o segundo estágio:
𝑉!
∗
−   𝑉!
𝑅!
=  
𝑉!
𝑅!
𝑉!
∗
=   𝑉!   
𝑅!
𝑅!
+ 1
𝑉! =   𝑉!
∗
  
𝑅!
𝑅! + 𝑅!
𝑉!
∗
+ 𝑉!
𝑅!
+  
𝑉! + 𝑉!
𝑅!
= 0
−𝑉!
∗
𝑅!
𝑅!
+   𝑉!
𝑅! + 𝑅!
𝑅!
= 𝑉!
−𝑉!
∗
𝑅!
𝑅!
+   𝑉!
∗
  
𝑅!
𝑅!
= 𝑉!
𝑉! =  
𝑅!
𝑅!
(𝑉!
∗
− 𝑉!
∗
)  
E para o primeiro estágio:
𝑉!
∗
− 𝑉!
𝑅!
=
𝑉! − 𝑉!
𝑅!
𝑉!
∗
=
𝑅!
𝑅!
   𝑉! − 𝑉! +   𝑉!
𝑉!
∗
− 𝑉!
𝑅!
  =
𝑉! − 𝑉!
𝑅!
𝑉!
∗
=
𝑅!
𝑅!
   𝑉! − 𝑉! +   𝑉!
𝑉!
∗
− 𝑉!
∗
=  (𝑉! − 𝑉!)
2𝑅!
𝑅!
+ 1
Por tanto, temos a equação final:
𝑉! =  (𝑉! − 𝑉!)
𝑅!
𝑅!
2𝑅!
𝑅!
+ 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
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
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:
𝐺 =  
49.4𝑘
𝑅!
+ 1
𝑅! =  
49.4𝑘
𝐺 − 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:
𝐺 = 2 1 +  
𝑅!
𝑅!
A relação entre esses resistores e o resistor da carga (RL) para garantir
o funcionamento do ampop deve ser:
𝑅!|| 𝑅! + 𝑅! >   2𝑘Ω
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
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
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
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:
𝐶𝑀𝑅𝑅 = 20log
!"
!"
=   20log
!"#
!.!"∗!"!!
= 91.54𝑑𝐵
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:
𝐶𝑀𝑅𝑅 = 20log
𝐴𝑑
𝐴𝑐
=   20log
250
4.95 ∗ 10!!
= 134𝑑𝐵
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
Figura 11 – Saida do TL082
Figura 12 – Saída do AD620
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:
𝐺 =
0.01
40  𝑥  10!!
= 250
Como vimos no item 2.2.1 o C.I. AD620 podemos calcular RG com base
na seguinte formula:
𝑅! =  
49.4𝑘
𝐺 − 1
=  
49.4𝑘
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
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
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.

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  • 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) 𝑉! ∗ → 𝑆𝑎í𝑑𝑎  𝑑𝑜  𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑖𝑟𝑜  𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 2) 𝑉! ∗ → 𝑆𝑎í𝑑𝑎  𝑑𝑜  𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜  𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 3) 𝑉! → 𝐸𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎  𝑛ã𝑜  𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑜𝑟𝑎  𝑑𝑜  𝑡𝑒𝑟𝑐𝑒𝑖𝑟𝑜  𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟
  • 6. 6 Olhando o segundo estágio: 𝑉! ∗ −   𝑉! 𝑅! =   𝑉! 𝑅! 𝑉! ∗ =   𝑉!   𝑅! 𝑅! + 1 𝑉! =   𝑉! ∗   𝑅! 𝑅! + 𝑅! 𝑉! ∗ + 𝑉! 𝑅! +   𝑉! + 𝑉! 𝑅! = 0 −𝑉! ∗ 𝑅! 𝑅! +   𝑉! 𝑅! + 𝑅! 𝑅! = 𝑉! −𝑉! ∗ 𝑅! 𝑅! +   𝑉! ∗   𝑅! 𝑅! = 𝑉! 𝑉! =   𝑅! 𝑅! (𝑉! ∗ − 𝑉! ∗ )   E para o primeiro estágio: 𝑉! ∗ − 𝑉! 𝑅! = 𝑉! − 𝑉! 𝑅! 𝑉! ∗ = 𝑅! 𝑅!   𝑉! − 𝑉! +   𝑉! 𝑉! ∗ − 𝑉! 𝑅!  = 𝑉! − 𝑉! 𝑅! 𝑉! ∗ = 𝑅! 𝑅!   𝑉! − 𝑉! +   𝑉! 𝑉! ∗ − 𝑉! ∗ =  (𝑉! − 𝑉!) 2𝑅! 𝑅! + 1 Por tanto, temos a equação final: 𝑉! =  (𝑉! − 𝑉!) 𝑅! 𝑅! 2𝑅! 𝑅! + 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: 𝐺 =   49.4𝑘 𝑅! + 1 𝑅! =   49.4𝑘 𝐺 − 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: 𝐺 = 2 1 +   𝑅! 𝑅! A relação entre esses resistores e o resistor da carga (RL) para garantir o funcionamento do ampop deve ser: 𝑅!|| 𝑅! + 𝑅! >  2𝑘Ω
  • 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: 𝐶𝑀𝑅𝑅 = 20log !" !" =  20log !"# !.!"∗!"!! = 91.54𝑑𝐵 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: 𝐶𝑀𝑅𝑅 = 20log 𝐴𝑑 𝐴𝑐 =  20log 250 4.95 ∗ 10!! = 134𝑑𝐵 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: 𝐺 = 0.01 40  𝑥  10!! = 250 Como vimos no item 2.2.1 o C.I. AD620 podemos calcular RG com base na seguinte formula: 𝑅! =   49.4𝑘 𝐺 − 1 =   49.4𝑘 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.