Entendendo e Projetando um Amplificador de Instrumentação

O que é um Amplificador de Instrumentação?

Um amplificador de instrumentação dá aos engenheiros a capacidade de ajustar finamente o ganho de um circuito alterando apenas um resistor, ao contrário de um amplificador diferencial convencional que requer múltiplas mudanças de resistores. Construído sobre a base do amplificador diferencial, ele adiciona um único resistor ajustável que desbloqueia essa conveniência.

Como o Circuito Funciona

O design combina um estágio diferencial bufferizado com três resistores adicionais que conectam as duas seções de buffer. Todos os resistores são iguais, exceto o R_ganho.

Realimentação negativa no op-amp superior esquerdo força a tensão no ponto 1 (topo do R_ganho) a igualar V_1, enquanto o op-amp inferior trava a tensão no ponto 2 (base do R_ganho) em V_2. Isso cria uma queda de tensão através do R_ganho igual à diferença entre V_1 e V_2. Como as correntes de entrada dos op-amps são desprezíveis, a mesma corrente flui através dos dois resistores adjacentes ao R_ganho, produzindo uma queda de tensão entre os pontos 3 e 4 dada por:

O amplificador diferencial padrão à direita então amplifica essa queda por um fator de um — desde que os resistores circundantes sejam iguais.

Por Que Usar um Amplificador de Instrumentação?

Embora o layout pareça complexo, esta configuração oferece dois grandes benefícios:

• Impedância de entrada extremamente alta em V_1 e V_2, porque cada uma se conecta diretamente à entrada não-inversora de seu op-amp.
• Ajuste de ganho simples, via resistor único R_ganho.

Reorganizando a álgebra, obtemos a expressão geral de ganho de tensão:

Na prática, alterar apenas R_ganho é suficiente para alterar o ganho diferencial. Embora ajustar outros resistores também possa ajustar o ganho, isso exigiria mudanças perfeitamente balanceadas para manter o circuito simétrico. Note que definir R_ganho como infinito (circuito aberto) resulta no ganho mínimo de 1.

Conclusão Principal

• Um amplificador de instrumentação fornece alta impedância de entrada e controle de ganho sem esforço através de um único resistor, tornando-o ideal para circuitos de medição de precisão.

Leitura Adicional

• Planilha de Circuitos OpAmp Somador e Subtrator