Come realizzare un amplificatore di strumentazione

Un amplificatore di strumentazione (a volte abbreviato come In-Amp, o INA) è un tipo di amplificatore differenziale che è stato dotato di amplificatori buffer di ingresso, che eliminano la necessità di adattamento dell’impedenza di ingresso e quindi rendono l’amplificatore particolarmente adatto per l’uso in apparecchiature di misurazione e di prova. Altre caratteristiche includono offset in DC molto basso, bassa deriva, bassa rumorosità, guadagno ad anello aperto molto elevato, rapporto di reiezione di modo comune molto elevato e impedenze di ingresso molto elevate. Ecco come costruirli o procurarseli.

Gli amplificatori di strumentazione vengono utilizzati dove sono richieste grande precisione e stabilità del circuito sia a breve che a lungo termine. L’amplificatore di strumentazione elettronica è quasi sempre composto, internamente, da 3 amplificatori operazionali. Questi sono disposti in modo che vi sia un amplificatore operazionale per bufferizzare ciascun ingresso (+, -) e uno per produrre l’uscita desiderata con un’adeguata corrispondenza dell’impedenza per un buon funzionamento.

Il cosiddetto “rapporto di reiezione di modo comune” (CMRR) di un amplificatore differenziale quantifica la capacità del dispositivo di rifiutare segnali di modo comune, cioè quelli che appaiono simultaneamente e in fase su entrambi gli ingressi. È richiesto un CMRR elevato quando un segnale differenziale deve essere amplificato in presenza di un ingresso di modo comune grande, come una interferenza elettromagnetica. Quindi, più elevato è il rapporto di reiezione di modo comune e meglio è.

Schema di un tipico amplificatore di strumentazione

Un amplificatore di strumentazione è un tipo speciale di amplificatore differenziale, nel quale le impedenze sui due ingressi sono molto elevate (il che si traduce in correnti di ingresso molto piccole). Di solito è possibile cambiare il guadagno dell’amplificatore di strumentazione ruotando una singola resistenza variabile, in pratica un trimmer o un potenziometro esterno (ed è possibile regolare l’offset DC, cioè la componente continua che è presente all’uscita, con un’altra resistenza variabile).

Come in qualsiasi amplificatore differenziale, l’uscita dell’amplificatore di strumentazione (o INA) è un segnale che rappresenta la differenza (amplificata) dei due segnali all’ingresso. Per le loro caratteristiche, gli INA sono dispositivi versatili impiegati in varie applicazioni: bilance, amplificatori per termocoppie, per elettrocardiografi, elettroencefalografi, elettromiografi, etc. Sono ottimi anche al posto degli amplificatori di rilevamento corrente basati sul rilevare una tensione su una resistenza di shunt.

Oggi esistono amplificatori di strumentazione in commercio sotto forma di moduli low-cost (ne puoi trovare alcuni esempi qui). Una soluzione di questo genere offre amplificatori molto ben abbinati e la capacità di utilizzare resistenze variabili si traduce in una buona reiezione del modo comune (CMR) e precisione di guadagno. In ogni caso, una soluzione fai-da-te che utilizzi amplificatori operazionali e componenti discreti in genere sarà più costosa e comporterà prestazioni degradate.

Due esempi di moduli amplificatori di strumentazione (quello a sinistra è il noto AD620) acquistabili per pochi euro ad es. qui.

Differenze principali con altri tipi di amplificatori

Il termine amplificatore di strumentazione (INA) è spesso utilizzato in modo improprio, facendo riferimento all’applicazione piuttosto che all’architettura del dispositivo. Storicamente, qualsiasi amplificatore che era considerato di precisione (cioè implementando una sorta di correzione dell’offset di ingresso) era considerato un INA, poiché era progettato per l’uso in sistemi di misurazione. Gli INA sono correlati agli amplificatori operazionali poiché si basano sugli stessi elementi costitutivi di base.

Ma un INA è un dispositivo specializzato, progettato per una funzione specifica, al contrario di un blocco fondamentale. A questo proposito, gli INA non sono amplificatori operazionali, poiché sono progettati per funzionare in modo diverso. Forse la differenza più notevole tra un INA e un amplificatore operazionale in termini di utilizzo è la mancanza di un circuito di feedback dall’uscita dell’amplificatore operazionale all’ingresso e quel loop di feedback determina la funzione del circuito dell’amplificatore.

Questa flessibilità è il motivo per cui gli amplificatori operazionali sono onnipresenti in un’ampia varietà di applicazioni. Un INA, d’altra parte, ha questo feedback internamente, quindi non c’è un feedback esterno ai piedini di ingresso. Per un INA, la configurazione è limitata a uno o due resistenze esterne, o forse a un registro programmabile, per impostare il guadagno dell’amplificatore. Gli INA, invece, sono progettati e usati per le loro capacità di guadagno differenziale e di rifiuto in modalità comune (CMR).

La shield di amplificatore di strumentazione duale per Arduino che sfrutta l’INA125 Burr-Brown. Può essere collegata facilmente ad Arduino.

L’INA amplifica la differenza tra gli ingressi invertenti e non invertenti mentre rifiuta qualsiasi segnale comune ad entrambi gli ingressi, senza che sia presente alcun componente di modo comune all’uscita dell’INA. Un amplificatore operazionale configurato per il guadagno (invertente o non invertente) amplifica il segnale di ingresso del guadagno ad anello chiuso impostato, ma il segnale di modo comune rimarrà all’uscita dell’amplificatore operazionale, il che limita la gamma dinamica dell’uscita.

Come accennato, gli INA vengono utilizzati per estrarre un piccolo segnale in presenza di una grande modalità comune, ma questo componente della modalità comune può assumere molte forme: ad esempio, una grande tensione in corrente continua (DC) comune a entrambi gli ingressi. A maggior ragione, quando si tratta di segnali di interferenza, essi possono assumere molte forme. Una fonte comune è l’interferenza a 50 o 60 Hz dalle linee elettriche, per non parlare delle armoniche.

Un moderno circuito integrato amplificatore di strumentazione duale a guadagno programmabile ed alte prestazioni, come l’AD8221 di Analog Devices. 

I sensori sono un ottimo modo per trasferire i dati in un sistema di misurazione: misurano le quantità fisiche che vengono trasformate in una tensione. Ci sarà sempre rumore in qualsiasi sistema e un amplificatore operazionale (op-amp) può essere usato per rimuovere parte di quel rumore. Ma un amplificatore operazionale in una configurazione differenziale rimuove qualsiasi segnale di disturbo comune a entrambi gli ingressi dell’amplificatore operazionale.

Un amplificatore operazionale affronta solo la superficie del processo di portare una misura del mondo reale di una quantità fisica in un sistema digitale. Spesso, dovrai fare più lavoro sul segnale prima che sia pronto per il campionamento con un convertitore da analogico a digitale (ADC). I circuiti op-amp fondamentali sono progettati per eseguire operazioni matematiche. Ciò significa che possiamo usare un amplificatore operazionale per aggiungere, sottrarre, moltiplicare o dividere.

Esempio di circuito sommatore realizzato con un operazionale.

Usando un amplificatore operazionale, possiamo ad esempio prendere diverse tensioni e sommarle per ottenere una somma di più ingressi. Dopodiché possiamo prendere quella somma e dividerla per il numero di input che abbiamo aggiunto insieme per ottenere un valore medio di tutti gli input. E, sempre all’interno dello stesso circuito operazionale, possiamo amplificare il segnale con un guadagno desiderato scegliendo i valori della resistenza di retroazione in modo appropriato.

Un altro uso per un amplificatore operazionale è quello di inseguitore (follower) di tensione. Nella configurazione di inseguitore di tensione abbiamo un guadagno di 1 (guadagno unitario), quindi otteniamo la stessa tensione che inseriamo. Questo può sembrare uno spreco di un amplificatore operazionale, ma è cruciale quando vogliamo isolare una parte di un circuito da un altro. L’alta impedenza di un inseguitore (o buffer) di tensione è ciò che riduce il carico di un circuito che viene misurato.

Esempi di circuiti inseguitore di tensione invertenti e non invertenti realizzati con un operazionale.

Come costruire un amplificatore di strumentazione

Naturalmente, se vuoi sperimentare con gli amplificatori di strumentazione e vedere (ad es. su un oscilloscopio) come possono migliorare il tuo segnale, puoi costruirne uno tuo. Un design di base per un amplificatore di strumentazione – come illustrato in precedenza – prevede l’utilizzo di tre amplificatori operazionali. L’idea di base è infatti quella di usare due amplificatori operazionali per bufferizzare i segnali di ingresso e un terzo per cancellare il rumore di modo comune.

Gli amplificatori A1 e A2 sono configurati come non invertenti con guadagno. L’amplificatore A3 è configurato, invece, come amplificatore differenziale usando l’amplificatore A1 come ingresso invertente e l’A2 come ingresso non invertente. Come puoi vedere dal diagramma, puoi modificare il guadagno sugli stadi di input secondo necessità. Il misterioso amplificatore di strumentazione ha solo tre amplificatori operazionali? Sì e no. Quando lo costruisci tu stesso, in effetti è così.

Schema di un tipico amplificatore di strumentazione, con il relativo guadagno.

Ma quando acquisti un circuito integrato di amplificatore di strumentazione, hai questi amplificatori operazionali con le resistenze di guadagno, presenti all’interno del chip, preimpostate e abbinate in modo preciso. Inoltre, gli stessi amplificatori operazionali sono realizzati esattamente sullo stesso pezzo di silicio, perciò è probabile che anche le differenze di temperatura tra parti diverse siano minime. In breve, il circuito è fatto con tolleranze che sarebbero costose o complicate da replicare con singole parti.

Dunque, quando avrai deciso di progettare qualche esperimento o di costruire uno strumento che richiede un amplificatore di strumentazione, probabilmente vorrai prenderne uno già pronto su Internet. In entrambi i casi, l’amplificatore in-amp può aiutare il tuo piccolo e debole voltaggio del sensore a diventare qualcosa di adatto per il prossimo stadio di “condizionamento” del segnale: la conversione da analogico a digitale (ADC), che puoi fare con Arduino (10 bit) o con ADC più professionali.

Ma ecco come realizzare un amplificatore di strumentazione in pratica. Di seguito è mostrato il circuito generico di un amplificatore di strumentazione semplificato (v. figura) rispetto a quello standard. Qui le resistenze contrassegnate con R1 sono state messe in corto circuito e la Rg è stata rimossa. Ciò si traduce in un percorso di feedback negativo in serie e il guadagno di A1 e A2 sarà 1. La rimozione di R1 e Rg semplifica l’equazione del guadagno (Av), che pertanto sarà Av = R3 / R2.

Un amplificatore di strumentazione semplificato (sotto) confrontato con quello originale tradizionale (mostrato sopra).

Di seguito è mostrato invece il progetto pratico di un circuito amplificatore di strumentazione basato sull’amplificatore operazionale μA741. L’amplificatore funziona con alimentazione duale +/- 12V DC e ha un guadagno di 10, con una buona linearità (in genere circa lo 0,01%). È possibile ottenere un’elevata precisione del guadagno utilizzando resistenze a film metallico di precisione per tutte le resistenze. Se hai bisogno di un guadagno variabile 0-10, sostituisci Rg con un potenziometro da 5 kOhm.

Invece di utilizzare il μA741, è possibile utilizzare qualsiasi operazionale ma la tensione di alimentazione deve essere modificata in base all’amplificatore operazionale. Un singolo circuito integrato operazionale LM324 è una buona scelta. Dei 4 operazionali presenti nell’LM324, tre possono essere usati per IC1, IC2, IC3 e il rimanente può essere lasciato solo. Ciò riduce di molto le dimensioni del modulo e rende compatto il circuito. La tensione di alimentazione per l’LM324 può essere fino a +/-16 Vcc (usa +/-15V).

Il progetto di un amplificatore di strumentazione che potete realizzare, basato sul μA741.

Il guadagno massimo di questo amplificatore dipenderà innanzitutto dall’ingresso. L’LM324 inizierà a saturare a Vcc = 1,5 V. Se l’ingresso moltiplicato per il guadagno è sopra questo valore, l’amplificatore operazionale saturerà e fornirà un’uscita errata. Inoltre, una resistenza più piccola selezionata per Rg creerà un grande guadagno, mentre un resistenza grande creerà un piccolo guadagno.

Un tipico amplificatore di strumentazione, infatti, ha sette resistenze. Queste resistenze sono collocate tra gli amplificatori operazionali come mostrato nelle figure di questo articolo. Gli amplificatori di strumentazione sono unici nel fatto che i valori delle resistenze possono essere scelti in modo tale che una sola resistenza determini il guadagno complessivo. Ciò può essere fatto se i valori di tutte le altre resistenze sono scelti correttamente: in pratica, se R3 = R2 e R1 = 25 kOhm.

Difatti, se R3 = R2, il guadagno diventa Av = 1 + 2R1/Rg. Questa equazione consente di decidere il guadagno da una sola resistenza, Rg. Ad esempio, per consentire un guadagno elevato, seleziona R1 tra 25 kOhm e 1 MOhm. Se usi come Rg una resistenza fissa e adotti i valori suggeriti per le altre resistenze, potrai trovare nella tabella seguente i valori di Rg da adottare per ottenere un determinato guadagno.

Un circuito didattico di amplificatore di strumentazione.

Come usare un amplificatore di strumentazione

Gli amplificatori di strumentazione trovano ampio impiego nell’acquisizione di dati nel mondo reale. Tuttavia, i progettisti spesso li applicano erroneamente. Un amplificatore di strumentazione (INA) è un blocco di guadagno ad anello chiuso con un ingresso differenziale. In genere è presente un ingresso di riferimento che consente all’utente di spostare in alto o in basso la tensione di uscita. La figura qui sotto mostra un circuito preamplificatore a ponte, una tipica applicazione degli INA.

Quando si rileva un segnale, i valori della resistenza ponte cambiano, sbilanciando il ponte e causando una variazione della tensione differenziale attraverso di esso. L’uscita del segnale è questa tensione differenziale, che si collega direttamente agli ingressi dell’amplificatore di strumentazione. Inoltre, in condizioni di segnale zero, su entrambe le linee è presente anche una tensione continua (DC). Questa tensione DC è la stessa, o in modalità comune, su entrambe le linee di ingresso.

I progettisti possono utilizzare amplificatori di strumentazione nei classici circuiti a ponte. Qui, la tensione di modo comune DC può essere facilmente una grande percentuale della tensione di alimentazione.

Nella sua funzione primaria, l’amplificatore di strumentazione normalmente rifiuta la tensione DC di modo comune o qualsiasi altra tensione comune ad entrambe le linee, come rumore e ronzio, e amplifica la tensione del segnale differenziale, la differenza di tensione tra le due linee. Per molte applicazioni, ciò è essenziale per l’estrazione di segnali deboli in presenza di tensioni di rumore, ronzio o offset DC. Gli INA impediscono che il segnale di modo comune appaia sull’uscita.

Un problema di applicazione comune che riguarda i dispositivi monolitici di INA in commercio nella configurazione a tre amplificatori operazionali si verifica quando le tensioni di ingresso in modo comune DC rendono inattivo un circuito in-amp a alimentazione singola. I progettisti spesso selezionano correttamente una cosiddetta alimentazione singola (cioè non duale) negli INA, in modo da poter far funzionare il circuito da una bassa tensione di alimentazione singola. Ma poi si mettono nei guai.

Ad esempio, prendiamo il caso di un circuito INA a ponte gestito da una tensione di alimentazione singola a 5 V DC (vedi figura). Molti progettisti semplicemente collegano a terra il terminale di ingresso di riferimento dell’amplificatore, VREF, come farebbero normalmente per il funzionamento con alimentazione duale (V+ e V-). In questo caso semplificato, con un circuito a ponte che utilizza resistenze di uguale valore, le uscite dei buffer (segnale zero) A1 e A2 sono entrambe a 2,5 V DC.

Un circuito di amplificatore di strumentazione a tre amplificatori operazionali può presentare un intervallo di tensione di modo comune ridotto.

Questa situazione si verifica perché i buffer dell’amplificatore funzionano al guadagno unitario per le tensioni di modo comune. Con entrambi i buffer che applicano gli stessi 2,5 V DC alla sezione “sottrazione di uscita” dell’amplificatore di strumentazione, si tenta di passare a 0 V. In realtà, anche i buoni amplificatori “rail-to-rail” non possono oscillare fino all’alimentazione negativa – in questo caso, “terra” o 0 V – quindi esiste già un errore abbastanza grande.

Chiaramente, qualsiasi segnale proveniente dal ponte che altrimenti proverebbe a far oscillare l’uscita negativa dell’amplificatore di strumentazione non cambia affatto. Quindi, il circuito è sostanzialmente non funzionante e un progettista inconsapevole potrebbe facilmente non notare questo problema perché l’uscita dell’amplificatore di strumentazione sembra essere quasi uguale a quella che sarebbe senza una tensione di modo comune applicata. Come risolvere il problema?

Una soluzione a questo problema comune è applicare metà della tensione di alimentazione, 2,5 V, al piedino di riferimento dell’amplificatore di strumentazione, in modo che l’uscita di A3 sia centrata sull’alimentazione centrale. L’uscita può ora oscillare sia sopra che sotto questa tensione di alimentazione media. Tuttavia, a parità di altre condizioni, i circuiti a bassa tensione ad alimentazione singola hanno in genere una gamma dinamica inferiore rispetto ai loro cugini ad alimentazione duale.

Un problema simile si verifica quando basse tensioni di alimentazione e un elevato guadagno dell’amplificatore rendono inattivo il circuito dell’amplificatore di strumentazione. Ciò si verifica più comunemente quando tali amplificatori operano ad alti guadagni, come 1000 (vedi figura).

Elevato guadagno e basse tensioni di alimentazione possono provocare il clipping del buffer dell’amplificatore di strumentazione.

In queste circostanze, un ingresso di 10 mV-picco-picco moltiplica un guadagno di 1000, creando un segnale di 10 V-picco-picco tra le uscite di A1 e A2. Quando si utilizzano alimentazioni a ± 15 V, questa situazione potrebbe essere possibile. Tuttavia, l’amplificatore in diventerà non funzionante se un’alimentazione singola a 5 V o anche una duale a 5 V alimenta il circuito. E, se il circuito è un amplificatore a ponte con la sua tensione di modo comune DC intrinsecamente alta, aggiunge ulteriori complicazioni.