1. LABORATORIO DE DISEÑO DE CIRCUITOS ANALOGICOS
Práctica No. 1. AMPLIFICADOR DE INTRUMETACION
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y Telecomunicaciones - E³T
“Perfecta combinación entre energía e intelecto”
Grupo O2
Sandra Carolina Celis Ovalle
Andrés Felipe Pinto Becerra
Fabián Ariza Ariza
INTRODUCCION
Los amplificadores de instrumentación surgen ante
la necesidad de medir tensiones de un nivel muy
bajo en presencia de señales indeseadas (ruidos).
Normalmente estas tensiones diferenciales de bajo
nivel se encuentran superpuestas a tensiones de
modo común elevadas, como pueden ser las
interferencias debidas a la frecuencia de la red, o a
la tensión de polarización; con lo cual se debe
recurrir al empleo de algún dispositivo que
presente un rechazo del modo común (CMRR)
muy elevado, para eliminar sus efectos en la
salida.
De este modo, el amplificador de instrumentación
responde a las siguientes características:
 Ganancia: seleccionable, estable, lineal.
 Entrada diferencial: con CMRR alto.
 Error despreciable debido a las corrientes y
tensiones de offset.
 Impedancia de entrada alta.
 Impedancia de salida baja.
El amplificador de instrumentación sujeto a la
práctica de laboratorio tiene como criterios de
diseño: A= 1000 [V/V]; F= 10 [kHz]. La selección
de amplificadores se liga a ciertos parámetros que
cumplan los criterios de diseño.
DISEÑO
Para realizar el amplificador de instrumentación se
utilizan amplificadores operacionales y diferentes
resistencias, donde es importante resaltar que para
un OPAM su comportamiento en frecuencia es la
de un filtro pasa bajas, cuya frecuencia de corte
depende en gran medida de la ganancia que
desarrolle el amplificador, es decir a mayor
ganancia menor ancho de banda.
Según las especificaciones del diseño es necesario
utilizar más de una etapa de amplificación, por dos
motivos, primero la distribución de la ganancia
entre diferentes etapas es necesaria para no
reducir el ancho de banda del amplificador de
instrumentación, segundo se debe usar una
topología especifica que elimine las variaciones de
la fuente en la entrada, esto se lleva a cabo con
una etapa de amplificación diferencial. Dado lo
anterior se propone la siguiente topología.
Figura 1. Topología del amplificador de Instrumentación
 Etapa pre-amplificadora
Se buscan las tensión en los nodos A y B (Va, Vb)
en términos de la entrada diferencial V1 y V2. Al
aplicar c.c. virtual y Kirschoff de corrientes en el
nodo A se obtiene lo siguiente:
De igual forma en el nodo B se obtiene:
Restando (2) y (1):

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Entonces, la ganancia diferencial de la etapa pre-
amplificadora es:
 Etapa Diferencial
Con Ref (Referencia) conectada a masa, la tensión
de salida de un amplificador diferencial está dada
por la siguiente expresión:
 Total
Al sustituir (1) y (2) en la anterior ecuación y
teniendo en cuenta que Vd=Vb-Va y
Vcm=(Va+Vb)/2, se obtiene:
De donde se deduce que:
 La ganancia en modo común será cero si
. Esto se logra si se asume
que: (R2/R1=R4/R3).
 Para facilitar el diseño, si ,
entonces: Ra=Rb.
De este modo
Para nuestro diseño elegimos el valor de las
resistencias de la siguiente forma:
Ra=Rb=20k
R2=R4=50
R1=R3=2k
Rg=1k
Con estos valores se desarrolla una ganancia por
cada etapa de:
Etapa pre-amplificadora Ganancia de 41V/V
Etapa diferencial Ganancia de 25 V/V
Ganancia Total de 1025 V/V
Cada etapa de amplificación representa un filtro
pasa bajas cuya frecuencia de corte disminuye con
la ganancia, entonces la respuesta en frecuencia
del amplificador de instrumentación es regida por
la etapa que usa un OPAM para desarrollar mayor
ganancia la cual es la etapa diferencial. En la etapa
de pre-amplificación se utilizan 2 OPAM cada uno
tiene una ganancia de 20.5 V/V y la etapa
diferencial tiene una ganancia de 25 V/V.
Ancho de banda: La frecuencia de corte es
inversamente proporcional a la ganancia de lazo
cerrado y directamente proporcional al ancho de
banda de ganancia unitaria.
=120
SELECCIÓN DE COMPONENTES
OPAM LM358 TL084 OPA37 AD843
Ancho de banda
de ganancia
unitaria [MHz]
0.7 3 8 34
Tensión de
desnivel [mV]
3 3 0.025 1
Corriente de
polarización [nA]
2 0.03 15 0.05
Corriente de
desnivel [nA]
-20 0.005 10 0.03
Rango tensión de
suministro [V]
[0 32]
[-18
18]
[-11
11]
[-18
18]
Es importante el ancho de banda de ganancia
unitaria puesto que ese valor junto con la ganancia

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de lazo cerrado del amplificador determina la
frecuencia de corte del filtro pasa bajos.
Puesto que cada etapa de amplificación desarrolla
una ganancia menor a mil, la frecuencia de tres
decibeles del filtro no se reduce significativamente
(para este diseño) y no es necesario utilizar el
amplificador operacional AD843, que tiene un
mejor desempeño en frecuencia y velocidad
comparado con los otros tres amplificadores pero
es difícil de conseguir en el mercado.
La tensión y corriente de desnivel, junto con la
corriente de polarización dan un nivel de DC a la
salida del amplificador de instrumentación. Según
la topología se puede afirmar que el efecto de
estos niveles de corriente y tensión en los OPAM’s
solo son amplificados en la etapa diferencial,
puesto que el nivel de DC que se genera en la
etapa de pre-amplificación es eliminada por la
etapa diferencial.
El rango de tensión de suministro, es fundamental
para poder definir la saturación de la señal a la
salida del amplificador de instrumentación, es
conveniente que ese rango abarque tensiones
negativas como positivas, puesto que de no ser así
las señales de entrada diferencial negativas no
serian amplificadas y se perdería información. Con
esto se descarta el amplificador LM358. Entonces
se desea un rango de excursión a la salida amplio
y por eso se descarta en la implementación el
amplificador operacional OPA37 aun que tenga
mejor ancho de banda.
Para la simulación se eligen los amplificadores
operacionales TL084 y OPA37. Y para la
implementación en el laboratorio el amplificador
operacional TL084 ya que cumple con los
requerimientos anteriormente mencionados.
SIMULACION
El circuito a simular es el ya presentado con
anterioridad, solo que las resistencias utilizadas no
son exactamente las calculadas por el método
analítico, así que primero se miden los valores de
las diferentes resistencias a usar. Ahora se tiene el
siguiente circuito:
Figura 2. Circuito a simular con entrada diferencial.
Figura 3. Circuito a simular con entrada modo común.
Simulación que se realizo con el amplificador
operacional TL084.
La respuesta en frecuencia a la entrada diferencial
es:
Frequency
1.0Hz 3.0Hz 10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz 300KHz 1.0MHz 3.0MHz 10MHz
V(U2A:OUT) 721.036784
0
0.4K
0.8K
1.2K
Figura 4. Ganancia diferencial del amplificador de instrumentación,
con TL084.
Los valores que muestra el cursor del simulador
es:

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La ganancia diferencial es de:
EL ancho de banda es de 116.999KHz.
La respuesta en frecuencia de la ganancia en
modo común es:
Frequency
1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHz
V(R2:2) 0.009180367
0
5m
10m
15m
Figura 5. Ganancia en modo común del amplificador de
instrumentación, con TL084.
Los valores que muestra el cursor del simulador
es:
Simulación que se realizo con el amplificador
operacional OPA37.
La respuesta en frecuencia a la entrada diferencial
es:
Frequency
1.0Hz 3.0Hz 10Hz 30Hz 100Hz 300Hz 1.0KHz 3.0KHz 10KHz 30KHz 100KHz 300KHz 1.0MHz 3.0MHz 10MHz
V(U3A:OUT) 721.1782
0
0.4K
0.8K
1.2K
Figura 6. Ganancia diferencia del amplificador de instrumentación,
con OPA37.
Los valores que muestra el cursor del simulador
es:
La ganancia diferencial es:
El ancho de banda es de 865.96 KHz.
La respuesta en frecuencia de la ganancia en
modo común es:
Frequency
1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz 100MHz
V(R2:2) 0.009613116
0
5m
10m
15m
Figura 7. Ganancia en modo común del amplificador de
instrumentación, con OPA37.
Los valores que muestra el cursor del simulador
es:

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MONTAJE
Se procede a realizar el montaje con el OPAM
TL084. Se realizan dos tipos de mediciones, la
primera para observar la ganancia diferencial y la
segunda para la ganancia en modo común.
La señal de entrada y salida es medida por medio
del canal uno y dos del osciloscopio
respectivamente.
 Ganancia diferencial: Dado que la señal
diferencial no se puede obtener de un solo
generador de funciones, se conecta su
salida positiva a una entrada del
amplificador de instrumentación y la
negativa a la otra, es bueno mencionar que
la señal de entrada del amplificador de
instrumentación está referenciada a tierra
(se conecto a tierra la salida negativa del
generador de funciones).
Figura 8. Medición de la amplificación a una entrada diferencial.
Se observa que la señal es amplificada
dada por la siguiente ecuación:
Avdiff = 22V/(20mV) = 1100 V/V
 Ganancia en modo común: Para esta
medición se conectan las dos entradas del
amplificador de instrumentación a un solo
nodo, la parte positiva del generador va al
nodo en común de las entradas y la parte
negativa se conecta a la tensión de
referencia (tierra).
Figura 9. Medición de la amplificación a una entrada en modo
común.
Se observa que la ganancia en modo
común es pequeña, su valor es:
Acm = (92mV)/(1.96V) = 0.047 V/V
CONCLUCIONES
 El modelo usado para la simulación del
amplificador TL084 difiere del OPAM usado
en el montaje, esto se observa en gran
medida en la ganancia de modo común,
donde en la simulación se obtiene la
ganancia esperada menor a 0.1%,
mientras en el montaje se midió una de
4.7% .
 Los resultados medidos presenta un error
del 7.87% en la ganancia diferencial y un
26.43% en la ganancia de modo común
tomando como dato teórico el hallado en la
simulación y el experimental observado en
la práctica del laboratorio, debido a
imperfecciones y baja precisión de los
elementos utilizados en el montaje, es decir
existe asimetría en el circuito montado, ya
que las resistencias no tienen el mismo
valor (según el diseño) y los amplificadores
no son completamente iguales.
 Para implementar un amplificador de
instrumentación cuyo comportamiento sea
mejor, es necesario usar resistencias de
precisión y amplificadores de mayor
calidad.

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