23 faits sur l'amplificateur d'instrumentation : le guide complet !

Introduction à l'amplificateur d'instrumentation

Un amplificateur d'instrumentation est un type particulier d'amplificateur qui est dérivé de la réalisation de certains objectifs spécifiques. L'amplificateur d'instrumentation offre un gain plus élevé, un CMRR élevé (taux de rejet en mode commun) et des impédances d'entrée élevées. On peut donc dire qu'il essaie de posséder la plupart des caractéristiques d'un ampli opérationnel idéal.

Un amplificateur d'instrumentation est souvent appelé In-Amp ou InAmp. Cet article abordera en détail le circuit, la conception, les formules et les équations liées à l'amplificateur d'instrumentation.

Amplificateur d'instrumentation à 3 amplificateurs opérationnels

Un amplificateur d'instrumentation typique se compose de 3 amplificateurs opérationnels réguliers. Deux d'entre eux sont utilisés en un seul étage, tandis que l'autre sert à séparer un étage. Les trois amplificateurs fonctionnent comme un amplificateur différentiel, et tous sont connectés à des rétroactions négatives. Comme les amplificateurs d'instrumentation sont constitués de 3 amplificateurs, ils sont souvent appelés trois amplificateurs opérationnels.

Circuit d'amplificateur d'instrumentation

L'image ci-dessous représente un schéma de circuit typique d'un amplificateur d'instrumentation. Observez attentivement la photo car nous allons référencer la photo pour le reste de l'article.

Les tensions d'entrée sont Vi1 et Vi2.

Les résistances sont R1 (2), R2 (2), R3, R4 (2).

La tension aux bornes A et B est respectivement VA et VB.

Le courant traversant les branches R4, R3 et R4 est I.

La sortie de l'amplificateur -1 est la Vo1 et celle de l'amplificateur -2 est la Vo2.

La sortie du 3^rd l'amplificateur est Vout.

Conception d'amplificateurs d'instrumentation

Un amplificateur d'instrumentation est une combinaison de 3 amplificateurs typiques. Ils sont connectés dans un ordre spécifique pour construire un amplificateur d'instrumentation. Nous pouvons séparer la conception de l'amplificateur de l'instrument en deux parties.

La première partie est «Deux entrées et deux sorties». Deux amplificateurs opérationnels standard sont connectés, comme indiqué sur la figure du circuit de l'amplificateur. Les deux sont fournis avec une rétroaction négative car cela stabilise davantage le circuit. La sortie des deux amplificateurs est connectée à trois résistances.

La deuxième partie est un "Amplificateur différentiel». La sortie des deux amplificateurs précédents sert d'entrée pour le dernier amplificateur. Les sorties sont connectées avec deux résistances de valeur identique avec l'amplificateur. La section positive est mise à la terre, et une rétroaction négative est associée à la borne négative et l'o / p de cet ampli-op est la sortie finale de l'amplificateur de l'instrument.

Dérivation d'amplificateur instrumental

Dérivons les équations fonctionnelles et les formules de l'amplificateur d'instrumentation. Pour dériver les équations, dites-nous ce qui se passe à l'intérieur de tout l'amplificateur de l'instrument. Comme nous l'avons mentionné précédemment, la séparation de deux étapes donc, nous la calculerons en partie.

Au premier étage, l'entrée est fournie aux bornes non inverseuses des deux amplificateurs. L'amplificateur est des amplificateurs différentiels. Ainsi, ils découvrent la différence entre les tensions d'entrée données. Maintenant, référez-vous au schéma de circuit; les tensions d'entrée sont Vi1 et Vi2. La borne inverseuse du circuit est connectée à une rétroaction négative de la sortie des amplificateurs. Disons que les bornes inverseuses des deux amplificateurs ont des potentiels VA et VB, respectivement. Ils apparaissent au niveau du nœud se connectant aux lignes de résistance et à la branche.

Compte tenu des travaux de court-circuit virtuel, les bornes A et B reçoivent la même quantité de tension que les entrées. Ainsi, nous pouvons dire, VA = Vi1, VB = Vi2. L'ensemble de la scène fonctionne comme un amplificateur différentiel. Cela signifie que la différence entre la tension des deux entrées sera amplifiée à la sortie. La sortie sera à nouveau les différences entre les deux tensions de sortie. Cela peut être exprimé comme suit:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Ici k est le gain de l'amplificateur.

À la deuxième étape, la différence des amplificateurs est fournie comme entrée de l'amplificateur. L'amplificateur à ce stade fonctionne simplement comme un amplificateur typique. Les résistances liées aux informations ont les mêmes valeurs que l'exigence des amplificateurs différentiels. La borne inverseuse est associée à la masse, et l'amplificateur est supposé avoir des masses virtuelles. Dans la section suivante, nous dériverons les calculs mathématiques pour un amplificateur d'instrument.

Équation d'amplificateur d'instrument

Les tensions d'entrée sont Vi1 et Vi2.

Si le court-circuit virtuel fonctionne, alors VA = Vi1 et VB = Vi2

Désormais, il n'y a pas de courant de A et B vers la branche de résistance. Il n'y a qu'un courant typique à travers la branche, et c'est le courant I. 'I' est donné comme:

I = (Vi1 - Vi2) / R3.

Le «I» actuel peut également être calculé à l'aide de l'analyse des nœuds. Il vient comme suit.

I = (Vo1 - Vo2) / (R4 + R3 + R4)

Ou, (Vo1 - Vo2) = (Vi1 - Vi2) * (R3 + 2R4) / R3

L'équation ci-dessus explique le fonctionnement de la première étape. Pour le deuxième étage, la sortie de l'ampli-op est la sortie finale de l'amplificateur d'instrumentation.

À partir du fonctionnement d'un amplificateur de différence, nous pouvons écrire que,

Vout = (R2 / R1) x (Vo2 - Vo1)

Ou, Vout = (R2 / R1) x (R3 + 2R4) x (Vi1 - Vi2) / R3

Il s'agit de l'équation de l'amplificateur d'instrumentation ou de l'équation de sortie d'un amplificateur d'instrumentation. Maintenant, regardez la section de dérivation de cet article. Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2). L'équation obtenue est dans le même format.

Gain d'amplificateur d'instrumentation

Le gain de l'amplificateur est appelé facteur par lequel l'amplificateur amplifie le signal d'entrée. Les valeurs de résistance représentent le gain d'un amplificateur d'instrumentation. Le gain dépend également du type de rétroaction utilisé. La rétroaction positive fournit un gain plus élevé, tandis que la rétroaction négative fournit une meilleure stabilité du système.

L'équation générale de l'amplificateur d'instrumentation est Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2), représentant le gain comme: «k».

Formule de gain d'amplificateur d'instrumentation

Comme mentionné précédemment, le gain de l'amplificateur peut être dérivé de l'équation de sortie de l'amplificateur. L'équation de sortie est la suivante:

Vout = (R2 / R1) x (R3 + 2R4) x (Vi1 - Vi2) / R3

En comparant cette équation avec l'équation suivante:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Nous pouvons écrire,

k = (R2 / R1) x (R3 + 2R4) / R3, c'est la formule de gain de l'amplificateur d'instrumentation.

Amplificateur d'instrumentation IC

Les amplificateurs typiques sont emballés via un circuit intégré ou des circuits intégrés. Donc, si nous voulons construire un amplificateur instrumental en utilisant des amplificateurs opérationnels ordinaires, nous devons utiliser des circuits intégrés d'amplification opérationnelle. Un CI séparé est également disponible pour les amplificateurs d'instrumentation. Il n'est pas nécessaire de connecter un ampli opérationnel à un autre. Ces types de CI sont utilisés dans le commerce lorsque plus de nombres de CI sont utilisés à la fois.

Module d'amplificateur d'instrumentation

Les modules d'amplificateurs d'instrumentation sont une combinaison de quelques appareils électroniques, et le principal d'entre eux est les amplificateurs d'instrumentation. Deux des excellents amplificateurs d'instrumentation sont AD623, AD620.

Les modules sont utilisés explicitement dans les dispositifs de génie médical de faible puissance, amplificateur de signal de faible puissance, thermocouples. Certaines des caractéristiques sont: a) Il offre un gain plus élevé, b) Une meilleure stabilité, c) Une faible puissance d) Une précision élevée.

Liste des circuits intégrés d'amplificateurs instrumentaux

Comme un amplificateur d'instrumentation peut être construit à l'aide de différents circuits intégrés, nous avons dressé une liste de tous les circuits intégrés pouvant être utilisés pour les amplificateurs instrumentaux. Les numéros IC sont indiqués dans la liste.

Nom du CI	Spécification IC	Commentaires
Amplificateur d'instrumentation	INA128	Puce unique.
Amplificateur à double instrumentation	INA2128	IC 16 broches
Ampli-op typique	LM324	IC avait quatre amplificateurs.
Amplificateur d'instrumentation	AD623	IC à huit broches avec un seul amplificateur d'instrumentation
Amplificateur d'instrumentation de précision	AD624	IC 16 broches
Amplificateur opérationnel	IC741	IC à quatre broches et fonctionne comme une seule unité de l'ampli-op.

Cellule de charge d'amplificateur d'instrumentation

Les performances de l'amplificateur d'instrumentation augmentent progressivement lors de la connexion de la cellule de charge. L'amplificateur fournit un CMRR plus élevé, des impédances d'entrée plus élevées et améliore ainsi les performances. La connexion détaillée de l'amplificateur d'instrumentation avec cellule de charge est indiquée dans l'image ci-dessous.

Tension de décalage de l'amplificateur d'instrumentation

Chaque ampli-op a sa tension de décalage. La tension de décalage est définie comme le doit avoir besoin d'une tension qui doit être appliquée entre deux entrées pour annuler la différence entre elles et cette valeur de décalage de chaque ampli-op est spécifiée dans la fiche technique fournie par le fabricant. Pour les amplificateurs d'instrumentation, la tension de décalage est nettement inférieure, ce qui est souhaitable.

Forme d'onde de sortie de l'amplificateur d'instrumentation

Pour observer la sortie d'un amplificateur d'instrumentation, il faut le connecter à un CRO (cathode Ray Oscilloscope). Nous fournissons une entrée sous forme d'ondes sinusoïdales en tant que deux signaux d'entrée et le travail est mesuré à partir du dernier amplificateur. Des sondes coaxiales sont connectées aux broches pour observer la forme d'onde de sortie. L'image ci-dessous illustre la sortie. La sortie est la différence amplifiée entre les tensions d'entrée appliquées.

Fonction de transfert d'amplificateur d'instrumentation

La fonction de transfert d'un système fait référence au processus qui décrit ou fournit une sortie pour chaque entrée. Comme l'amplificateur prend deux entrées et les amplifie, la fonction de transfert reflétera la même chose. La fonction de transfert peut être écrite comme suit:

Vo1 - Vo2 = k (Vi1 - Vi2)

Ici, Vi1 et Vi2 sont les deux entrées, et k est le gain.

Amplificateur à double instrumentation

Un double amplificateur d'instrumentation est un type spécial d'amplificateur d'instrumentation d'une grande précision. Il est conçu d'une certaine manière pour fournir un gain élevé, une plus grande précision à partir d'une taille minimale de CI. Il a également une faible tension de décalage. Pour une bande passante plus large et une résistance externe connectée, le double amplificateur peut fournir un gain allant jusqu'à 10,000.

Le circuit intégré INA2128 est utilisé comme amplificateur instrumental double. Certaines des applications importantes de l'amplificateur d'instrumentation double sont les amplificateurs de capteur, médicaux dispositifs d'ingénierie, et des équipements fonctionnant sur batterie.

Amplificateur d'instrumentation vs amplificateur opérationnel

Points de référence	Amplificateur opérationnel	Amplificateur d'instrumentation
Structure basique	Construction de transistors bipolaires à jonction ou de transistors à effet de champ à oxyde métallique.	L'accumulation de trois amplificateurs différentiels
Gain	Gain normal	Gain plus élevé
Connexion tampon	Un amplificateur opérationnel peut être utilisé pour réaliser un circuit tampon.	Un circuit tampon fait partie de l'ensemble du circuit.
Spécification IC	IC741	AD623

Avantages et inconvénients de l'amplificateur d'instrumentation

Les amplificateurs d'instrumentation sont développés pour obtenir plus d'avantages par rapport aux amplificateurs différentiels typiques. C'est pourquoi les amplificateurs d'instrumentation sont utilisés dans la plupart des applications commerciales. Mais cela présente aussi des avantages. Laissez-nous discuter de certains des avantages et des inconvénients des amplificateurs d'instrumentation.

Avantages

1. Exactitude et précision dans Mesure: Les amplificateurs d'instrumentation sont utilisés à des fins de test et de mesure. Les amplificateurs d'instruments n'ont pas besoin de faire correspondre les impédances d'entrée. C'est pourquoi ils sont si utiles pour les tests. Les meilleures valeurs paramétriques comme un CMRR plus élevé, une impédance d'entrée élevée gagnent également des avantages.

2. Gain: les amplificateurs d'instrumentation fournissent des valeurs plus élevées pour le gain en boucle ouverte. C'est un avantage plus clair qui est également une exigence essentielle pour les amplificateurs.

3. Stabilité du système: à l'intérieur des amplificateurs d'instrumentation, tous les amplificateurs opérationnels normaux sont connectés en rétroaction négative. Comme nous le savons, la rétroaction négative stabilise le système; la stabilité de l'amplificateur d'instrumentation est également élevée.

4. Évolutivité: les amplificateurs d'instrumentation sont incroyablement évolutifs. Il offre la possibilité de mettre à l'échelle le signal au niveau d'entrée. C'est pourquoi l'amplification globale est bien supérieure à celle des autres amplificateurs. La plage de mise à l'échelle est également élevée pour cette raison.

5. Accessibilité: les amplificateurs d'instrumentation sont fournis en circuits intégrés. Des circuits intégrés à huit broches sont disponibles. Ainsi, il est plus facile à manipuler et à utiliser. De plus, il n'y a pas beaucoup de facteurs à prendre en compte lors de l'amplification. L'utilisateur doit simplement bien connaître le signal d'entrée. Trouvons les inconvénients des amplificateurs d'instrumentation.

Inconvénients

1. L'amplificateur d'instrumentation souffre du problème de la transmission à longue portée. L'amplificateur a tendance à mélanger les signaux d'origine avec les bruits si le signal d'entrée est envoyé sur une plage étendue pour la communication. Le problème peut être résolu si le type de câble peut être improvisé afin que le bruit soit annulé à l'étage primaire ou qu'aucun bruit ne pénètre dans la ligne de transmission.

Caractéristiques de l'amplificateur d'instrumentation

Regardons les caractéristiques des amplificateurs d'instrumentation en un coup d'œil.

• Les amplificateurs d'instrumentation sont des amplificateurs différentiels composés de trois amplificateurs opérationnels.
• Il fournit un gain en boucle ouverte plus élevé que les amplificateurs opérationnels classiques.
• Il a un CMRR plus élevé, une impédance d'entrée plus élevée, des tensions de décalage faibles, des impédances de sortie plus faibles, ce qui le rend proche de l'ampli opérationnel idéal.
• Les amplificateurs d'instrumentation offrent une précision et une précision supérieures lorsqu'ils sont utilisés dans les tests et les mesures.
• Les amplificateurs d'instrumentation sont disponibles dans des circuits intégrés à des fins commerciales.

Amplificateur d'instrumentation 2 ampli op

Les amplificateurs d'instrumentation typiques sont constitués de 3 amplificateurs, mais il est également possible de créer un amplificateur d'instrumentation à l'aide de deux amplificateurs opérationnels. L'image ci-dessous représente le a 2 ampli op circuit d'amplification d'instrumentation basé.

analyse de bruit d'amplificateur d'instrumentation

Il existe des types particuliers d'amplificateurs d'instrumentation disponibles pour mesurer le signal le plus faible dans un environnement bruyant. Ils sont connus sous le nom d'amplificateurs d'instrumentation de bruit. Ces types d'amplificateurs d'instrumentation sont utilisés pour l'analyse du bruit.

Amplificateur d'instrumentation pour la détection de courant

Des amplificateurs de détection de courant séparés sont disponibles sur le marché pour la détection de courant. Mais un amplificateur d'instrumentation peut également faire fonctionner la détection de courant. La principale différence entre les deux amplificateurs réside dans la topologie d'entrée.

Foire aux Questions

1. Pourquoi utiliser un amplificateur d'instrumentation?

Réponse Les amplificateurs d'instrumentation fournissent un gain plus élevé, un CMRR plus élevé, des impédances d'entrée plus élevées, des impédances de sortie plus faibles. Ainsi, nous pouvons observer qu'il possède des propriétés très proches d'un ampli opérationnel idéal. C'est pourquoi un amplificateur d'instrumentation est utilisé.

2. Quand utiliser un amplificateur d'instrumentation?

Réponse IDes amplificateurs d'instrumentation sont nécessaires chaque fois que l'utilisateur a besoin d'un gain plus élevé avec une meilleure stabilité du système pour amplifier un signal. Si l'utilisateur avait besoin de résultats de test et de mesures très précis, l'amplificateur d'instrumentation est une solution.

3. Qu'est-ce qu'un amplificateur d'instrumentation pour cellule de charge?

Réponse Les performances de l'amplificateur d'instrumentation augmentent progressivement lors de la connexion de la cellule de charge. L'amplificateur fournit un CMRR plus élevé, des impédances d'entrée plus élevées et améliore ainsi les performances. La connexion détaillée de l'amplificateur d'instrumentation avec cellule de charge est indiquée dans l'image ci-dessous. (Point à noter - Connectez toute la terre.

4. Qu'est-ce qu'un schéma de circuit d'un amplificateur d'instrumentation pour un biosignal avec un gain de mille?

Réponse La connexion standard de l'amplificateur d'instrumentation fournit un gain spécifique. Mais ajouter une résistance externe vous donnera un coup de pouce de mille.

5. Quel est le principe de fonctionnement d'un amplificateur d'instrumentation?

Réponse Le principe de fonctionnement de l'amplificateur d'instrumentation est le même que celui d'un amplificateur différentiel. Il prend les tensions d'entrée et amplifie la différence pour fournir cette différence amplifiée comme sortie.

Fondamentalement: Sortie = Gain * (Entrée1 - Entrée2)

6. Quels sont les avantages de l'utilisation d'un amplificateur d'instrumentation par rapport à un amplificateur différentiel ordinaire pour mesurer des signaux et des tensions faibles?

Réponse Les avantages sont -

• Exactitude et précision dans Mesure: Les amplificateurs d'instrumentation sont utilisés à des fins de test et de mesure. Les amplificateurs d'instruments n'ont pas besoin de faire correspondre les impédances d'entrée. C'est pourquoi ils sont si utiles pour les tests. Les meilleures valeurs paramétriques comme un CMRR plus élevé, une impédance d'entrée élevée gagnent également des avantages.
• Gain: les amplificateurs d'instrumentation fournissent des valeurs plus élevées pour la croissance en boucle ouverte. C'est un avantage plus clair qui est également une exigence essentielle pour les amplificateurs.
• Stabilité du système: à l'intérieur des amplificateurs d'instrumentation, tous les amplificateurs opérationnels normaux sont connectés en rétroaction négative. Comme nous le savons, la rétroaction négative stabilise le système; la stabilité de l'amplificateur d'instrumentation est également élevée.
• Évolutivité: les amplificateurs d'instrumentation sont incroyablement évolutifs. Il offre la possibilité de mettre à l'échelle le signal au niveau d'entrée. C'est pourquoi l'amplification globale est bien supérieure à celle des autres amplificateurs. La plage de mise à l'échelle est également élevée pour cette raison.
• Accessibilité: les amplificateurs d'instrumentation sont fournis dans des circuits intégrés. Des circuits intégrés à huit broches sont disponibles. Ainsi, il est plus facile à manipuler et à utiliser. De plus, il n'y a pas beaucoup de facteurs à gérer lors de l'amplification. L'utilisateur doit bien connaître le signal d'entrée.

7. Pourquoi le CMRR est-il important dans l'amplificateur d'instrumentation?

Réponse Le CMRR est un paramètre essentiel pour mesurer les performances d'un ampli opérationnel. CMRR estime la quantité de signal de mode commun qui apparaîtra dans la mesure de sortie. L'amplificateur d'instruction, étant un amplificateur opérationnel explicitement utilisé à des fins de mesure et de test, doit avoir le CMRR le plus bas. C'est un besoin de base pour l'ampli-op; sinon, cela affectera la mesure.

8. Quelle est la différence entre un amplificateur d'instrumentation et un additionneur inverseur utilisant deux amplificateurs opérationnels?

Réponse La différence sera dans le fonctionnement et ainsi que dans les valeurs paramétriques. Les entrées pour un amplificateur d'instrumentation ne sont jamais fournies dans les bornes inverseuses. Donc, il y aura des changements. En outre, les amplificateurs d'instrumentation ont des circuits tampons, et leurs rétroactions sont des rétroactions négatives qui augmentent la stabilité du système. Il y a donc des écarts massifs par rapport aux résultats réels.

9. À quoi sert un tampon dans un amplificateur d'instrumentation?

Réponse Le tampon à l'intérieur de l'amplificateur d'instrumentation est utile à bien des égards. Le tampon augmente l'impédance d'entrée, ce qui est très nécessaire. Il élimine également la différence entre deux tensions d'entrée; ainsi, la valeur de la tension de décalage diminue. Elle affecte également la CMRR.

10. Quelles sont les bonnes règles de base pour la construction d'amplificateurs d'instrumentation?

Réponse Il n'y a pas de règles aussi strictes et rapides pour la conception ou la construction d'amplificateurs d'instrumentation. Mais il existe quelques bonnes pratiques. Certains d'entre eux sont: a) Concevez le circuit symétriquement, b) Implémentez le gain dans le premier étage, c) Considérez les facteurs de CMRR, les effets du thermocouple et les valeurs de résistance, d) Concevez le deuxième étage.

11. Comment supprimer la tension de décalage dans l'amplificateur d'instrumentation?

Réponse La tension de décalage de tout amplificateur est amovible en alimentant un courant réglable à partir d'une source de tension. Une résistance de haute valeur doit être placée entre le courant et l'ampli-op.

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