Una nueva variante del clásico amplificador de instrumentación (PGIA) ofrece mayor flexibilidad de diseño

Introducción

Por muy útiles y versátiles que sean los amplificadores de instrumentación (AI) a la hora de interconectarse con un transductor, existen limitaciones en el diseño de los AI de ganancia variable o amplificadores de instrumentación de ganancia programable (AIGP), también denominados amplificadores de ganancia programable por software (AGPS) en algunas publicaciones. La necesidad de estos PGIAs surge por el caso frecuente de adaptar el circuito a una amplia gama de sensores o condiciones ambientales. Con una ganancia fija, el diseñador del sistema puede enfrentarse a una SNR subóptima, que podría comprometer la precisión. En el libro de mi colega, se discuten muchas técnicas útiles para crear un IAMP preciso y estable Diálogo analógico el artículo «Amplificadores de instrumentación de ganancia programable: cómo encontrar uno que funcione para ti», que pone de relieve los posibles escollos de un diseño de este tipo y presenta una revisión exhaustiva de las soluciones y técnicas disponibles. En este artículo, presentaré otra herramienta y metodología para facilitar ese trabajo y revisaré los pasos de diseño que permiten encontrar rápidamente los valores de los componentes externos necesarios para crear un PGIA preciso utilizando un amplificador de instrumentación recién lanzado.

Una nueva arquitectura de amplificador de instrumentación

En la figura 1 se muestra una arquitectura común de amplificador de instrumentación.

Figura 1. Amplificador de instrumentación convencional.

La ganancia se define por el valor de la resistencia externa RG. Para crear un PGIA con un dispositivo de este tipo, basta con cambiar el valor de RG. Esto suele hacerse mediante un conmutador analógico o un mux. Sin embargo, algunos de los comportamientos no ideales de un interruptor analógico complican esta tarea, por ejemplo, la resistencia de encendido del interruptor, su capacitancia de canal y la variación de la resistencia de canal con la tensión aplicada.

En la Figura 2 se muestra una variación de la arquitectura estándar de los amplificadores de instrumentación. Observa cómo los pines RG se dividen en ±RG,S y ±RG,F y se fijan con pines individuales y son accesibles desde el exterior del paquete del dispositivo.

Figura 2. La arquitectura del LT6372-1 permite acceder a algunos de los nodos internos de la IA.

Una característica útil e importante de la arquitectura mostrada en la figura 2 es la posibilidad de configurar el amplificador de instrumentación para que conmute entre varios valores de ganancia distintos, minimizando cualquier error de ganancia debido a las resistencias de conmutación finitas. Esta función puede utilizarse para crear un PGIA.

Como se ha dicho, cualquier amplificador interno programable por resistencia puede ser habilitado para variar su ganancia conmutando el valor de la resistencia de ajuste de ganancia en consecuencia. Sin embargo, esto tiene inconvenientes importantes como:

  • Gran error de ganancia debido a la resistencia de conexión (REN) valor nominal y su variación.
  • Puede que no sea posible obtener valores de ganancia elevados debido al bajo valor del interruptor REN valores requeridos.
  • Distorsión de la señal debido a la no linealidad del interruptor. Esto se debe a que la corriente de la señal fluye directamente a través de REN por lo que cualquier variación de su valor con la tensión provoca una distorsión.
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El LT6372-1 puede aliviar estas preocupaciones cuando se configura como un PGIA, como se muestra en la Figura 3, por la forma en que los pines RG,F y RG,S se conectan por separado. En este esquema, la señal de un puente de Wheatstone, formado por R5 a R8, se amplifica con cuatro posibles valores de ganancia seleccionables por el usuario en función de la posición del interruptor SW1. El pinout de la familia LT6372 permite crear un PGIA que aprovecha la variación de la relación RF/RG para conseguir los valores de ganancia deseados.

Figura 3: Interfaz del puente LT6372-1 PGIA con cuatro ajustes de ganancia.

Además, el interruptor analógico U1, U2 REN se minimiza como fuente de error de ganancia porque puede colocarse en serie con el terminal inversor de la etapa de entrada y su resistencia de realimentación. Configurado de este modo, REN es sólo una pequeña fracción de la resistencia de realimentación interna total de 12,1 kΩ y, por tanto, tiene poco impacto en el error y la deriva de la ganancia. Asimismo, la distorsión debida a la no linealidad del interruptor se minimiza con la resistencia REN siendo una pequeña fracción de la resistencia global de retroalimentación, causando poco o ningún efecto debido a que su valor varía con la tensión. Además, la etapa de entrada de este dispositivo está compuesta por una arquitectura de amplificador de retroalimentación de corriente (CFA) que permite intrínsecamente una menor variación del ancho de banda o de la velocidad al variar la ganancia, en comparación con un amplificador de retroalimentación de tensión tradicional.1 Todo esto lleva a la posibilidad de crear un PGIA de precisión con pasos de ganancia precisos utilizando interruptores analógicos externos de bajo coste.

La figura 4 muestra un esquema simplificado del PGIA para demostrar cómo configuran el circuito las distintas derivaciones de la escalera de resistencias, implementadas por interruptores analógicos (ocho en total) cortocircuitados por parejas para ajustar la ganancia. En este diagrama, los dos bancos de interruptores se muestran en una de las cuatro configuraciones de ganancia posibles, es decir, con los pines -RG,S y +RG,S en cortocircuito en la unión RF3/RF4.

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Figura 4: Diagrama de bloques del LT6372-1 y conexión externa simplificada (no se muestran los interruptores de ganancia) para el PGIA.

Pasos de diseño para calcular las resistencias externas para cualquier ganancia

La figura 3 muestra la configuración completa del PGIA, incluidos los interruptores necesarios, que pueden acomodar un rango de ganancia arbitrariamente grande. Aquí se incluyen cuatro valores de ganancia posibles, pero este número puede aumentarse añadiendo más interruptores al diseño. Como ya se ha dicho, la posibilidad de acceder a los pines RG,F y RG,S permite aumentar la RF para ganancias altas y reducir la RG para ganancias bajas para crear un PGIA versátil. A efectos del cálculo de la ganancia, se puede considerar que la resistencia de realimentación es la resistencia interna ajustada de 12,1 kΩ más otras resistencias en serie con RG,F en su camino hacia el terminal RG,S. Por el contrario, la resistencia de ajuste de la ganancia es la resistencia total que se observa entre +RG,S y -RG,S. Esto se resume de la siguiente manera:

RF = 12,1 kΩ + resistencia entre RG,F y RG,S en cada uno de los dos amplificadores de entrada

RG = Resistencia entre +RG,S y -RG,S

Con esta configuración son posibles ganancias de más de 1 V/V hasta 1000 V/V. Con los interruptores puestos en cortocircuito en los pines S3, y D3 en los interruptores U1 y U2, aquí están los valores correspondientes de RF y RG y la ganancia resultante:

RF = 12,1 kΩ + 11 kΩ + 1,1 kΩ = 24,1 kΩ

RG = 73,2 Ω + 97,6 Ω + 73,2 Ω = 244 Ω

G = 1+ 2RF/RG = 1 + 2 × 24,1 kΩ/244 Ω = 199 V/V

Es fácil ver que decidir qué valores utilizar para las resistencias externas es un proceso iterativo e interdependiente en el que los posibles valores de ganancia interactúan e influyen en la elección de las resistencias a utilizar. En la Tabla 1 se muestran algunos valores comunes de los componentes de los valores de ganancia para facilitar la referencia, pero también son posibles multitud de otras combinaciones de ganancia (G).

Procedimiento para determinar el valor de la PGILLas resistencias individuales de la red de ganancia pueden calcularse secuencialmente mediante la fórmula indicada en la ecuación 1. La ecuación determina las resistencias como se muestra en la Figura 3, donde se utiliza el caso 2 de la Tabla 1 (ganancias 2, 20, 200 y 500 V/V) como ejemplo trabajado. Las resistencias de realimentación y las de ajuste de la ganancia son interactivas; por tanto, la fórmula debe ser una serie en la que el término actual depende del término o términos anteriores. La fórmula viene dada por :

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ecuación1

Aquí tienes algunas definiciones:

RF1 = 12,1 kΩ (interno al LT6372-1)

M : Número de ganancias (4 en este caso)

Gi: La instancia de ganancia (2, 20, 200 o 500 V/V para G1 – G4 respectivamente de este ejemplo)

i: Varía de 1 a (M-1) para calcular la RFi + 1

ecuación2

La ecuación 1 puede utilizarse para calcular las resistencias de realimentación necesarias para cualquier conjunto de ganancias. Una variable ficticia (j) sirve de contador para mantener un total de las resistencias de retroalimentación anteriores.

  • Antes de realizar cualquier cálculo, es aconsejable dibujar una red de resistencias similar a la de la figura 3. La red tendrá (2 × M) – 1 resistencias, donde M = número de ganancias. Para este ejemplo, M = 4 y, por tanto, la red de resistencias tendrá siete resistencias. La ecuación 1 debe evaluarse para i = 1 → (M – 1).

G1 = 2, G2 = 20, G3 = 200, G4 = 500 V/V

A partir de la ecuación 2:

ecuación3

Evaluación de la ecuación 1 por iteración de i = 1 → (M-1)

ecuación4

La resistencia central RG se puede calcular entonces con lo siguiente:

ecuación5

Con este último cálculo, se calculan los cuatro valores de resistencia indicados en la tabla 1 y se completa el cálculo de diseño.

Gráficos de rendimiento medido

Aquí tienes algunos gráficos que muestran el rendimiento que se puede conseguir con esta configuración de la PGIA:

Figura 5: Respuesta en frecuencia de la señal grande del PGIA.

Figura 6. CMRR del PGIA en función de la frecuencia.

Con las capacidades de conmutación del ADG444, en el ajuste de ganancia más bajo (G1 = 2 V/V), la respuesta en frecuencia de la señal pequeña muestra un pico apreciable (véase la figura 7). Este comportamiento sólo se produce en los ajustes de ganancia más bajos, en los que el ancho de banda del LT6372-1 es lo suficientemente alto como para verse afectado por la capacitancia pF del interruptor. Elegir un interruptor de baja capacitancia (por ejemplo, ADG611/ADG612/ADG613 con una capacitancia de 5 pF) o limitar el ajuste de ganancia más bajo de la PGIA son formas de evitar este efecto secundario.

Figura 7. Pico de baja ganancia de la señal pequeña del PGIA.

Conclusión

Se ha presentado un método para añadir la capacidad de selección de ganancia a los amplificadores de instrumentación utilizando la función de fijación de un conjunto de dispositivos de reciente aparición, la familia LT6372. Se analizaron las características de un PGIA de este tipo, y se explicaron los pasos de diseño junto con las mediciones de rendimiento. El LT6372-1 está especialmente cualificado para una solución de este tipo, ya que es muy lineal y ofrece unas especificaciones y un rendimiento de CC precisos.

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