🌡️ El AMPLIFICADOR OPERACIONAL DIFERENCIAL

Esquema y circuito del amplificador diferencial

Amplificador diferencial

💥 El amplificador operacional diferencial amplifica la diferencia entre dos voltajes de entrada.

En la figura superior se muestra el circuito correspondiente. Dado que por la elevada resistencia del amplificador operacional no circula corriente entre las dos terminales de entrada, no hay caída de voltaje y, por lo tanto, las dos entradas X están al mismo potencial. El voltaje V2 está en las resistencias en serie R1 y R2. El potencial Vx en X es

💣 La corriente a través de la resistencia de retroalimentación debe ser igual a la de V1 que pasa por R1. 

👉 Por lo tanto:

👊 La cual se puede sustituir para obtener:

👉 De ahí que se sustituye Vx usando la ecuación anterior.

💣 De esta forma, la salida es una medida de la diferencia entre los dos voltajes de entrada.

Circuito del amplificador operacional con sensor termopar

Como ilustración del uso de tal circuito con un sensor, la siguiente figura 👇 muestra cómo se utiliza con un termopar. 

Amplificador diferencial con un termopar

💢 Se está ampliando la diferencia en el voltaje entre las fem de los dos cruces del termopar. Por ejemplo, los valores de R1 y R2 se eligen para dar un circuito con una salida de 10 mV para una diferencia de

temperatura entre las uniones del termopar de 10°C. Si dicha temperatura produce una diferencia fem entre los cruces de 530 micro voltios. Para el circuito tenemos

💥 Por lo tanto, R2/R1 = 18.9. Suponga que R1 es una resistencia de 10 k ohmios, entonces R2 debe ser de 189 k ohmios.

El amplificador operacional con puente de Wheatstone

El amplificador diferencial se puede usar junto con un puente de Wheatstone, quizá del tipo que tiene sensores con extensómetro en sus brazos, para amplificar la diferencia de potencial del desbalance que se produce cuando cambia la resistencia en uno o varios brazos. Si el puente está balanceado, las dos terminales de salida del puente están al mismo potencial; entonces, no hay diferencia de potencial de salida. Las terminales de salida del puente podrían estar, digamos a 5 V. Así, las dos entradas del amplificador diferencial están a 5 V. Cuando el puente ya no está balanceado puede tener una terminal de salida a 5.01 V y la otra a 4.99 V, por lo que las entradas al amplificador diferencial son 5.01 y 4.99 V. El amplificador amplifica esta diferencia de 0.02 V en el voltaje; la señal original de 5 V común a las dos entradas se conoce como voltaje en modo común, VMC. Para que el amplificador sólo amplifique la diferencia entre las dos señales, se supone que los dos canales de entrada están acoplados con perfección y que la alta ganancia del amplificador operacional es la misma en ambos. En la práctica, esto no se logra de manera perfecta y la salida no es exactamente proporcional a la diferencia entre los dos voltajes de entrada. La salida es:

donde Gd es la ganancia de la diferencia en voltaje AV, GCM la ganancia del voltaje en modo común, VMC. Cuanto menor sea el valor de GCM menor será el efecto del voltaje en modo común de la salida. El grado de desviación de un amplificador operacional respecto a una situación ideal se define mediante la razón de rechazo en modo común (CMRR):

Para minimizar el efecto del voltaje en modo común en la salida es necesario utilizar una CMRR grande. El valor de las razones de rechazo en modo común en general se especifican en decibelios (dB). 

Por lo tanto, en una escala de decibelios una CMRR, por ejemplo, de 10.000 sería igual a 20 

log 10.000 = 80 dB.

💢 Un amplificador operacional típico tiene una CMRR de entre 80 y 100 dB.

En un amplificador para instrumentación típico se utilizan tres amplificadores operacionales, como vemos en la siguiente figura, en vez de uno solo y está disponible como circuito integrado. 

Amplificador para instrumentación

💥 Este tipo de circuitos tienen una impedancia de entrada alta en general de unos 300 M ohmios, una ganancia de voltaje alta y una CMRR excelente, de más de 100 dB. En la primera etapa se encuentran los amplificadores A1 y A2, uno de ellos conectado como amplificador inversor y el otro como no inversor. El A3; es un amplificador diferencial cuyas entradas provienen de A1 y de A2.

Dado que por A3 casi no pasa corriente, la que pasa por R3 es igual a la de R5. Por lo tanto:

La entrada diferencial en A3 es cero, entonces Vy = Vx. Así, la ecuación anterior se puede escribir como:

R6 y R7 forman un divisor de voltaje para el voltaje Vsalida2, de manera que:

Con base en la ecuación anterior:

Al elegir valores de resistencia adecuados se obtienen factores multiplicadores idénticos para las dos entradas del amplificador operacional. Para esto se requiere:

y, por lo tanto, R4/R5 = R6/R7.

Se puede aplicar el principio de superposición, es decir, considerar que la salida que produce cada fuente actúa sola y luego sumarlas para obtener la respuesta total. En el amplificador A1 la entrada es la señal diferencial Ventradal y está en su entrada no inversora, la cual amplifica ésta con ganancia de

1+R3/R1. También tiene una entrada Ventrada2 en su entrada inversora, que se amplifica con una ganancia de -R3/R1. Además, A1 amplifica el voltaje en modo común, Vcm, de la entrada no inversora.

Por lo tanto, la salida de A1 es:

Asimismo, con el amplificador A2 se obtiene:

La entrada diferencial en A3 es Vsalidal - Vsalida2 y, por lo tanto:

Si R2 = R3; desaparece el término del voltaje en modo común y así:

La ganancia total es entonces (1 + 2R2/R1) que en general se ajusta al variar R1.

La siguiente figura muestra las conexiones de los terminales y algunos detalles de las especificaciones de un amplificador operacional para instrumentación para propósito general de bajo costo (Burr-Brown INAll4) que usa esta forma de diseño de tres amplificadores operacionales. 

💥 La ganancia se define conectando una resistencia externa RG entre los terminales 1 y 8, esta ganancia es igual a 1 + 50/RG cuando RG se expresa en kilo ohmios. El término 50 kilo ohmios se obtiene de la suma de las dos resistencias de retroalimentación internas.

Escrito por Archie Tecnology