- Qu'est-ce qu'un CI d'amplificateur d'instrumentation?
- Comprendre l'amplificateur d'instrumentation
- Différence entre l'amplificateur différentiel et l'amplificateur d'instrumentation
- Amplificateur d'instrumentation utilisant un ampli-op (LM358)
- Simulation de l'amplificateur d'instrumentation
- Test du circuit de l'amplificateur d'instrumentation sur le matériel
Presque tous les types de capteurs et de transducteurs convertissent les paramètres du monde réel tels que la lumière, la température, le poids, etc. en valeurs de tension pour que nos systèmes électroniques les comprennent. La variation de ce niveau de tension nous aidera à analyser / mesurer les paramètres du monde réel, mais dans certaines applications comme les capteurs biomédicaux, cette variation est très faible (signaux de bas niveau) et il est très important de garder une trace même de la variation infime de obtenir des données fiables. Dans ces applications, un amplificateur d'instrumentation est utilisé.
Un amplificateur d'instrumentation aka INO ou in-ampères comme son nom l'indique amplifie la variation de tension et fournit une sortie différentielle comme tout autre ampli-op. Mais contrairement à un amplificateur normal, les amplificateurs d'instrumentation auront une impédance d'entrée élevée avec un bon gain tout en offrant une réjection de bruit en mode commun avec des entrées entièrement différentielles. Ce n'est pas grave si vous ne l'obtenez pas maintenant, dans cet article, nous en apprendrons davantage sur ces amplificateurs d'instrumentation et, comme ces circuits intégrés sont relativement chers que les amplis opérationnels, nous apprendrons également à utiliser un ampli opérationnel normal comme LM385 ou LM324 pour construire Amplificateur d'instrumentation et utilisez-le pour nos applications. Les amplificateurs opérationnels peuvent également être utilisés pour construire un circuit d'additionneur de tension et de soustracteur de tension.
Qu'est-ce qu'un CI d'amplificateur d'instrumentation?
Outre les amplificateurs opérationnels IC normaux, nous avons un type spécial d'amplificateurs pour amplificateur d'instrumentation comme INA114 IC. Ce n'est rien de plus que quelques amplificateurs opérationnels normaux combinés pour certaines applications spécifiques. Pour en savoir plus, consultez la fiche technique de l'INA114 pour son schéma de circuit interne.
Comme vous pouvez le voir, le circuit intégré accepte deux tensions de signal V IN - et V IN +, considérons-les comme V1 et V2 à partir de maintenant pour faciliter la compréhension. La tension de sortie (V O) peut être calculée à l'aide des formules
V O = G (V2 - V1)
Où, G est le gain de l'ampli-op et peut être réglé à l'aide de la résistance externe R G et calculé à l'aide des formules ci-dessous
G = 1+ (50 kΩ / RG)
Remarque: La valeur 50k ohm n'est applicable que pour le circuit intégré INA114 car il utilise des résistances de 25k (25 + 25 = 50). Vous pouvez calculer la valeur pour d'autres circuits respectivement.
Donc, fondamentalement, maintenant, si vous le regardez, un In-amp fournit simplement la différence entre deux sources de tension avec un gain qui peut être réglé par une résistance externe. Cela vous semble-t-il familier? Sinon, jetez un œil à la conception de l'amplificateur différentiel et revenez.
Oui !, c'est exactement ce que fait un amplificateur différentiel et si vous regardez de plus près, vous pouvez même constater que l'amplificateur opérationnel A3 dans l'image ci-dessus n'est rien d'autre qu'un circuit d'amplificateur différentiel. Donc, en termes simples, un ampli d'instrumentation est encore un autre type d'amplificateur différentiel mais avec plus d'avantages comme une impédance d'entrée élevée et un contrôle de gain facile, etc. Ces avantages sont dus aux deux autres amplis opérationnels (A2 et A1) dans la conception, nous en apprendrons plus dans la rubrique suivante.
Comprendre l'amplificateur d'instrumentation
Pour comprendre complètement l'amplificateur d'instrumentation, décomposons l'image ci-dessus en blocs significatifs, comme indiqué ci-dessous.
Comme vous pouvez le voir, l'In-Amp est juste une combinaison de deux circuits d'amplification opérationnelle Buffer et d'un circuit d'amplification opérationnelle différentielle. Nous avons appris individuellement la conception de ces deux amplificateurs opérationnels, nous allons maintenant voir comment ils sont combinés pour former un amplificateur opérationnel différentiel.
Différence entre l'amplificateur différentiel et l'amplificateur d'instrumentation
Nous avons déjà appris à concevoir et à utiliser un amplificateur différentiel dans notre article précédent. Le peu d'inconvénient considérable de l'amplificateur différentiel est qu'il a une impédance d'entrée très faible en raison des résistances d'entrée et un CMRR très faible en raison du gain de mode commun élevé. Ceux-ci seront surmontés dans un amplificateur d'instrumentation en raison du circuit tampon.
De plus, dans un amplificateur différentiel, nous devons changer beaucoup de résistances pour changer la valeur de gain de l'amplificateur, mais dans un amplificateur différentiel, nous pouvons contrôler le gain en ajustant simplement une valeur de résistance.
Amplificateur d'instrumentation utilisant un ampli-op (LM358)
Construisons maintenant un amplificateur d'instrumentation pratique en utilisant un ampli-op et vérifions son fonctionnement. Le circuit d'amplificateur d'instrumentation ampli-op que j'utilise est donné ci-dessous.
Le circuit nécessite trois amplificateurs opérationnels tous ensemble; J'ai utilisé deux CI LM358. Le LM358 est un ampli-op à double boîtier qui contient deux amplis-op dans un seul boîtier, nous en avons donc besoin de deux pour notre circuit. De même, vous pouvez également utiliser trois amplis opérationnels LM741 monobloc ou un ampli op LM324 quad.
Dans le circuit ci-dessus, l'ampli-op U1: A et U1: B agit comme un tampon de tension, ce qui aide à obtenir une impédance d'entrée élevée. L'ampli-op U2: A agit comme un ampli-op différentiel. Étant donné que toutes les résistances de l'amplificateur opérationnel différentiel sont de 10k, il agit comme un amplificateur différentiel à gain unitaire, ce qui signifie que la tension de sortie sera la différence de tension entre la broche 3 et la broche 2 de U2: A.
La tension de sortie du circuit amplificateur d'instrumentation peut être calculée à l'aide des formules ci-dessous.
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))
Où, R = valeur de résistance du circuit. Ici R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 qui vaut 10k
Rg = résistance de gain. Ici Rg = R1 qui vaut 22k.
Ainsi, la valeur de R et Rg décide du gain de l'amplificateur. La valeur du gain peut être calculée par
Gain = (1+ (2R / Rg))
Simulation de l'amplificateur d'instrumentation
Le circuit ci-dessus, lorsqu'il est simulé, donne les résultats suivants.
Comme vous pouvez le voir, les tensions d'entrée V1 sont de 2,8 V et V2 de 3,3 V. La valeur de R est 10k et la valeur de Rg est 22k. Mettre toutes ces valeurs dans les formules ci-dessus
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3,3-2,8) (1+ (2x10 / 22)) = (0,5) * (1,9) = 0,95 V
Nous obtenons la valeur de la tension de sortie à 0,95 V, ce qui correspond à la simulation ci-dessus. Ainsi, le gain du circuit ci-dessus est de 1,9 et la différence de tension est de 0,5 V. Donc, ce circuit mesurera fondamentalement la différence entre les tensions d'entrée et la multipliera par le gain et la produira comme tension de sortie.
Vous pouvez également remarquer que la tension d'entrée V1 et V2 apparaît aux bornes de la résistance Rg, cela est dû à la rétroaction négative de l'ampli-op U1: A et U1: B. Cela garantit que la chute de tension sur Rg est égale à la différence de tension entre V1 et V2, ce qui fait passer une quantité égale de courant à travers les résistances R5 et R6, ce qui rend la tension sur les broches 3 et 2 égale sur l'ampli-op U2: A. Si vous mesurez la tension avant les résistances, vous pouvez voir la tension de sortie réelle de l'ampli-op U1: A et U1: B dont la différence sera égale à la tension de sortie comme indiqué ci-dessus dans la simulation.
Test du circuit de l'amplificateur d'instrumentation sur le matériel
Enough Theory permet de construire le même circuit sur une maquette et de mesurer les niveaux de tension. Ma configuration de connexion est indiquée ci-dessous.
J'ai utilisé l'alimentation électrique de la maquette que nous avons construite plus tôt. Cette carte pourrait fournir à la fois 5V et 3,3V. J'utilise le rail 5V pour alimenter mes deux amplis-op et le 3.3V comme tension d'entrée de signal V2. L'autre tension d'entrée V2 est réglée sur 2,8 V en utilisant mon RPS. Puisque j'ai également utilisé une résistance de 10k pour R et une résistance de 22k pour R1, le gain du circuit sera de 1,9. La différence de tension est de 0,5 V et le gain est de 1,9 produit, ce qui nous donnera 0,95 V comme tension de sortie qui est mesurée et affichée dans l'image à l'aide d'un multimètre. Le fonctionnement complet du circuit d'amplificateur d'instrumentation est montré dans la vidéo ci-dessous.
De même, vous pouvez modifier la valeur de R1 pour définir le gain selon les besoins en utilisant les formules décrites ci-dessus. Étant donné que le gain de cet amplificateur peut être contrôlé très facilement à l'aide d'une seule résistance, il est souvent utilisé dans le contrôle du volume des circuits audio.
J'espère que vous avez compris le circuit et apprécié apprendre quelque chose d'utile. Si vous avez des questions, laissez-les dans la section des commentaires ci-dessous ou utilisez le forum pour une réponse plus rapide.