UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA UDESC

CENTRO DE CINCIAS TECNOLGICAS CCT

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA DEE

ANDR RAMOS MARCINICHEN

VERNICA MARIN

AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAO

JOINVILLE, SC

2014

2

ANDR RAMOS MARCINICHEN

VERNICA MARIN

AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAO

Trabalho de Eletrnica 2 apresentado ao curso de Engenharia Eltrica do Centro Cincias Tecnolgicas na Universidade do Estado de Santa Catarina.

Orientador: Prof. Dr. Eng. Volney Coelho Vicente

JOINVILLE, SC

2014

3

SUMRIO

1. INTRODUO ................................................................................................ 4 2. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAO .................................................... 5

2.1 DESCRIO ............................................................................................................. 5 2.1.1 Equao Caracterstica ............................................................................................ 5 2.1.2 Rejeio de Modo Comum (CMRR) ...................................................................... 6

2.2 AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAO 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 Programvel: AD8250 ....................................... 9

2.3 APLICAES ......................................................................................................... 10 2.3.1 Instrumentao Mdica .......................................................................................... 10 2.3.2 Amplificao de Audio ............................................................................................ 10 2.3.3 Aplicaes em Video .............................................................................................. 10

3. ESPECIFICAES DO AD620 .................................................................... 11 3.1 SLEWRATE ............................................................................................................. 11 3.2 CMRR E TENSO DE OFFSET ............................................................................ 12

4. EXEMPLO DE APLICAO ......................................................................... 14 4.1 AMPLIFICAO DE UM TERMOPAR TIPO K COM AD620 .............................. 14 4.2 SIMULAO ........................................................................................................... 14

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................. 16

4

1. INTRODUO

Amplificador operacional(Ampop) basicamente um componente que permite um ganho para um sinal e com ele existem muitas aplicaes possveis.

Uma das utilizaes do ampop no Ampop de Instrumentao, este basicamente 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) um componente composto por semicondutores, que miniaturiza um circuito eletrnico. Existem vrios de CIs de ampops e tambm existem alguns modelos para Ampop de Instrumentao.

Um exemplo de CI para instrumentao o AD620 e com ele ser criado circuito que permite aumentar o ganho de um sinal vindo de um termopar, tambm ser feito uma simulao para ver o ganho deste.

5

2. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAO Neste captulo iremos mostrar os conceitos bsicos de um amplificador de instrumentao, algumas aplicaes e os principais CIs e os seus propsitos. 2.1 DESCRIO

O Amplificador de Instrumentao(In-amp) um circuito eletrnico que basicamente elimina a necessidade do casamento de impedncia com a resistncia de entrada. Na pratica muito til devido a maior proximidade com a idealidade e praticidade para com a variao do ganho, utilizando-se um potencimetro. O In-amp um timo circuito de amplificao para sinais de sensores.

As principais caractersticas de um amplificador de instrumentao so: 1) Elevada impedncia de entrada. 2) Controle do ganho atravs de uma nica resistncia. 3) Elevado ganho. 4) Elevada Rejeio de Modo Comum. (CMRR) 5) Perfeita simetria entre as entradas inversora e no inversora. Na Figura 1 podemos facilmente perceber que um amplificador de

instrumentao possui dois estgios, sendo: 1) Estgio de entrada: Dois amplificadores em montagem no inversora. 2) Estgio de sada: Um amplificador diferencial.

Figura 1 Esquemtico Tpico de um Amplificador de Instrumentao

2.1.1 Equao Caracterstica Para calcular a equao caracterstica vamos definir:

1) ! 2) ! 3) !

6

Olhando o segundo estgio: ! !! = !! ! = ! !! + 1 ! = ! !! + ! ! + !! + ! + !! = 0 ! !! + ! ! + !! = ! ! !! + ! !! = !

! = !! (! !) E para o primeiro estgio: ! !! = ! !! ! = !! ! ! + ! ! !! = ! !! ! = !! ! ! + ! ! ! = (! !) 2!! + 1

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

2.1.2 Rejeio de Modo Comum (CMRR)

O primeiro estgio apresenta altas impedncias casadas, que so conferidas pelos dois amplificadores. Quando um sinal de entrada vid aplicado entre as entradas do circuito, a tenso vid imposta sobre a resistncia RG e portanto passa para o segundo estgio com um ganho dado pelo fator 1+2(R1/RG). J para sinais de modo comum as tenses nas extremidades de RG sero iguais e no haver corrente fluindo por RG. Portanto, os ampops disponibilizaro para o segundo estgio o sinal de entrada de modo comum com ganho unitrio, cabe ento ao segundo estgio rejeitar esse sinal, passando para a sada somente os sinais de modo diferencial.

7

2.2 AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTAO INTEGRADOS O projeto clssico de amplificador de instrumentao (Figura 1) pode ser

integrado em um chip com todos esses componentes, exceto, geralmente, RG, que ser usado para controlar o ganho de tenso do amplificador. Esses amplificadores de instrumentao monolticos tm tipicamente um ganho de tenso entre 1 a 1000, um CMRR maior do que 100dB, uma impedncia de entrada maior que 100M, uma tenso de offset menor do que 0,1mV, uma deriva menor do que 0,5VV/C entre outros parmetros. Existem diversos modelos de CIs, com variadas caractersticas. Na Figura 2 podemos ver uma tabela simplificada das principais caractersticas 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 aplicaes de alguns dos principais modelos. 2.2.1 Exemplo de In-Amp de Baixo Custo: AD620

O AD620 um In-amp monoltico de baixo custo e alta preciso. 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 anlises sobre a operao deste In-amp.

8

Figura 3 Esquemtico Simplificado do AD620

Os transistores de entrada (Q1 e Q2) formam um par diferencial bipolar de entrada, para uma alta preciso e ainda sim, oferece 10x menos corrente de polarizao, 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 diferena de potencial no RG. Isso cria um ganho diferencial entre as entradas e as sadas de A1/A2. O subtrator unitrio A3 remove qualquer sinal de modo-comum, gerando um sinal simples, referenciado ao pino REF. Como R1 e R2 tem um valor de 24.7k ns temos a seguinte equao para definir o RG em funo do ganho desejado: = 49.4! + 1 ! = 49.4 1

2.2.2 Exemplo de In-Amp de Auto-Zero: AD8230 O AD8230 um In-amp de preciso de auto-zero, ou seja, ele cancela o offset e drift dinamicamente, reduzindo o offset de tenso de um nvel de 20V e o drift para 50nV/C. Outra vantagem do auto-zero a reduo do rudo em baixas frequncias. A amostragem do sinal controlada por um oscilador de 6kHz interno ao chip. O ganho do AD8230 calculado atravs de dois resistores (RG e RF) atravs da seguinte equao: = 2 1+ !!

A relao entre esses resistores e o resistor da carga (RL) para garantir

o funcionamento do ampop deve ser: !|| ! + ! > 2

9

2.2.3 Exemplo de In-Amp de Ganho Fixo: AD8225 O AD8225 um In-amp com um ganho fixo de 5, o que permite

melhores performances. A performance de CMRR do AD8225 permite a rejeio dos rudos provocados por equipamentos industriais, equipamentos mdicos e equipamentos de alta potncia. Baixas correntes de polarizao combinadas com um alto slewrate (5V/s) tornam o AD8225 timo para aplicaes multiplexadas.

Figura 4 Esquemtico do AD8225 2.2.4 Exemplo de In-Amp de Ganho Programvel: AD8250

O AD8250 tem um ganho programvel de 1, 2, 5 ou 10, conforme a tabela verdade da Figura 5. Um esquemtico simplificado pode ser visto na Figura 6.

Figura 5 Tabela Verdade do AD8250

Figura 6 Esquema Simplificado do AD8250

10

2.3 APLICAES 2.3.1 Instrumentao Mdica In-amp amplamente utilizado em equipamentos mdicos, como eletrocardiogramas e eletroencefalogramas, medidores de presso sangunea e desfibriladores.

Figura 7 Exemplo de Aplicao Mdica com AD620 e AD705

2.3.2 Amplificao de Audio Devido a alta rejeio de modo comum o In-amp usado em aplicaes de udio para extrair um sinal pequeno de um ambiente barulhento, e para minimizar offsets e rudos devido a loops de terra (dois componentes aterrados apresentando uma pequena diferena de tenso).

2.3.3 Aplicaes em Video High-speed In-amp utilizado em diversos sistemas de vdeo para amplificar ou processar sinais em alta frequncia.

11

3. ESPECIFICAES DO AD620 Neste capitulo iremos simular algumas no linearidades e especificaes do AD620 e discorrer sobre suas vantagens e desvantagens com relao a um amplificador operacional.

3.1 SLEWRATE Segundo o datasheet do AD620 temos um slewrate tpico de 1.2V/s. Para verificar essa informao simulamos uma onda quadrada na entrada de um AD620 com ganho 2, essa configurao pode ser vista na Figura 8. Medimos ento a sada (na Figura 9) e verificamos que foram necessrios 8.8s para a sada chegar em 10V, ou seja, um slewrate de 1.14V/s condizente com o datasheet. Esse valor melhor do que o do 741, que 0.5V/s, mas ainda no um valor que caracterizaria uma resposta rpida, ento devemos tomar cuidado ao utilizar esse In-amp em altas frequncias.

Figura 8 Circuito Simulado para a Medio do Slewrate

Figura 9 Entrada e Sada do Circuito

12

3.2 CMRR E TENSO DE OFFSET Como eliminar o ganho de modo comum a principal vantagem do In-

amp, vamos ento 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 equao:

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

J para o AD620 o ganho foi to 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 = 20log 2504.95 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 diferena de duas dcadas no ganho em modo comum do In-amp em relao ao ampop, comprovando a sua aplicao para evitar a amplificao de rudos.

Tambm pudemos verificar com a mesma simulao a tenso de offset de ambos os ampops, pois verificamos um nvel DC de 2.94mV na sada do TL082 e de 3.9mV na sada do AD620, segundo os seus datasheets os valores tpicos so de 3mV e 7.9mV respectivamente.

Figura 10 Circuito Simulado para Verificar o CMRR

13

Figura 11 Saida do TL082

Figura 12 Sada do AD620

14

4. EXEMPLO DE APLICAO Para demonstrar a utilizao de um amplificador de instrumentao vamos analisar a amplificao de um termopar que por gerar uma tenso extremamente pequena precisa ser amplificada com um In-amp para evitar que a amplificao de rudos comprometa o resultado final. 4.1 AMPLIFICAO DE UM TERMOPAR TIPO K COM AD620

Com base no Efeito Seebeck, que a produo de uma diferena de potencial (tenso) entre duas junes de condutores de materiais diferentes em diferentes temperaturas, o termopar constitudo 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 do uma sensibilidade de aproximadamente 40V/C.

Utilizando um amplificador de instrumentao iremos amplificar essa tenso para medir 0.01V/C. Por tanto precisamos de um ganho como se segue: = 0.0140 10!! = 250

Como vimos no item 2.2.1 o C.I. AD620 podemos calcular RG com base na seguinte formula: ! = 49.4 1 = 49.4250 1 = 198 200

Podemos ento esquematizar nosso circuito como a Figura 13.

Figura 13 Esquemtico do Projeto

4.2 SIMULAO Utilizando programa OrCAD/Pspice, foi feita uma simulao para uma diferena de 1 grau (Figura 14) e para 16 graus (Figura 15), onde o nvel DC obtido na sada foi satisfatrio. Junto com a simulao de 16 inclumos um rudo em 60Hz, simulando algum rudo da rede em cima dos contatos do amplificador. Verificamos na Figura 16 que o rudo 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 140.0sV(R2:2)

100mV

200mV

300mV

400mV

458mV

Figura 14 Termopar com Diferena de Temperatura de 1

Figura 15 Termopar com Diferena de Temperatura de 16 e ruido

Figura 16 Sada do AD620

16

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] ANALOG DEVICES. A Designers Guide to Instrumentation Amplifiers. Disponvel em: http://www.analog.com/static/imported-files/design_handbooks/5812756674312778737Complete_In_Amp.pdf ltimo acesso: 15 de Junho de 2014 [2]UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR. Amplificadores em Instrumentao. Disponvel em: http://webx.ubi.pt/~dinis/IM/im_cap05_ampops.pdf ltimo acesso: 15 de Junho de 2014 [3]DAL FABBRO, PAULO AUGUSTO. Projeto de um Amplificador de Instrumentao CMOS Integrado. Disponvel em: http://www.lpm.fee.unicamp.br/~carlos_reis/m_paulo_dalfabbro.pdf ltimo acesso: 15 de Junho de 2014 [4]SEDRA, K. Smith. Microeletrnica. Pearson Prentice Hall, 5 edio, 2007. [5] ANALOG DEVICES. AD620 Datasheet. Disponvel em: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD620.pdf ltimo acesso: 19 de Junho de 2014 [6] ANALOG DEVICES. AD8230 Datasheet. Disponvel em: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8230.pdf ltimo acesso: 15 de Junho de 2014 [7] ANALOG DEVICES. AD8225 Datasheet. Disponvel em: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8225.pdf ltimo acesso: 15 de Junho de 2014 [8] ANALOG DEVICES. AD8250 Datasheet. Disponvel em: http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD8225.pdf ltimo acesso: 15 de Junho de 2014 [9] TEXAS INSTRUMENTS. TL082 Datasheet. Disponvel em: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl082.pdf ltimo acesso: 19 de Junho de 2014 [10]MALVINO, Albert; BATES, David J. Eletrnica Volume 2. AMGH, 7 edio, 2007.