Nella precedente puntata “Corso di Elettronica per ragazzi - Puntata 19“ abbiamo spiegato il funzionamento dell’amplificatore operazionale sommatore e dell’amplificatore differenziale. Di quest’ultimo, abbiamo studiato l’amplificatore costituito da un solo operazionale e la versione con tre operazionali con cui abbiamo realizzato il progetto di un amplificatore differenziale per strumentazione. In questa nuova puntata, completeremo lo studio dell’amplificatore differenziale per strumentazione mediante un’esercitazione di simulazione con il software Proteus con cui vedremo il funzionamento virtuale di questo amplificatore.

Introduzione - Amplificatori per strumentazione

Nella precedente Puntata 19 del Corso di Elettronica per ragazzi abbiamo trattato l’amplificatore differenziale per strumentazione dal punto di vista teorico/progettuale. Nella seguente parte introduttiva faremo una descrizione specifica degli amplificatori per strumentazione. Gli amplificatori per strumentazione sono elementi costitutivi essenziali dei sistemi di acquisizione dati e vengono utilizzati per estrarre e amplificare segnali di bassissimo livello da un ambiente con alti livelli di rumore e interferenze elettromagnetiche. Una decina di anni fa, sono stati creati molti amplificatori operazionali monolitici e amplificatori per strumentazione monolitici a tre operazionali. Poiché negli amplificatori monolitici i componenti attivi e passivi sono implementati all'interno dello stesso substrato semiconduttore, possono essere strettamente “matched” (ossia abbinati con le stesse caratteristiche e proprietà). Ciò garantirà che gli amplificatori forniscano un CMRR (Rapporto di reiezione di modo comune) elevato. Inoltre, questi componenti rimarranno abbinati anche nel comportamento alle variazioni di temperatura, garantendo buone prestazioni in un ampio range di temperature. Rispetto agli amplificatori per strumentazione monolitici fabbricati dai produttori di circuiti integrati analogici, gli amplificatori per strumentazione monolitici con componenti passivi discreti consentono flessibilità a basso costo e talvolta possono fornire prestazioni ottime, come un'elevata larghezza di banda.

Un amplificatore per strumentazione è un tipo di amplificatore differenziale dotato di uno stadio separatore ad alta impedenza di ingresso che elimina la necessità di adattare l'impedenza di ingresso e rende l'amplificatore particolarmente adatto per l'uso in apparecchiature di misurazione e test. Altre importanti caratteristiche includono un offset in corrente continua molto basso, bassa deriva, basso livello di rumore, guadagno elevato, rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) molto elevato e impedenze di ingresso molto elevate. Gli amplificatori per strumentazione vengono utilizzati laddove è richiesta grande precisione e stabilità di funzionamento.

Il guadagno dell’amplificatore differenziale per strumentazione

La misurazione di basse tensioni di segnali richiede guadagni estremamente elevati. Per meglio seguire la descrizione di questo concetto, in Figura 1 riportiamo lo schema elettrico dell’amplificatore differenziale per strumentazione che abbiamo mostrato nella Figura 4 della Puntata 19 del corso.

Figura 1: Schema elettrico dell’amplificatore differenziale per strumentazione

Se si richiede un guadagno molto elevato utilizzando un normale amplificatore differenziale, la tensione di uscita viene influenzata a causa del disadattamento dei resistori R3 e R4, che comporta significative tensioni di modo comune all'uscita Vo. Sebbene in un amplificatore per strumentazione la regolazione del guadagno si ottenga attraverso la variazione della resistenza di un solo resistore (in questo caso di R1) del primo stadio costituito dagli operazionali OPAMP1 e OPAMP2, non è richiesto un adattamento della resistenza R1 con l’impedenza di uscita del dispositivo interfacciato all’ingresso di questo stadio. Ciò consente all'amplificatore differenziale di acquisire la differenza di due segnali di ingresso e di rigettare qualsiasi segnale di modo comune presente, il che è molto critico quando si amplificano piccoli segnali.

Rispetto ad un amplificatore differenziale standard, un amplificatore differenziale per strumentazione genera un rumore inferiore e un rapporto di reiezione di modo comune più elevato. Il CMRR è parametro importante perché solitamente è necessario misurare una piccola tensione differenziale fornita da una coppia di segnali d’ingresso di una sorgente esterna che può oscillare generando un segnale indesiderato aggiuntivo.

Come accennato sopra, un amplificatore per strumentazione ha la peculiarità di consentire di regolare il guadagno dell’amplificatore mediante la variazione della resistenza di un solo resistore. L’amplificatore differenziale per strumentazione che abbiamo presentato nella Puntata 19 ha la proprietà di regolare il suo guadagno variando il valore di resistenza del resistore R1. In pratica, per regolare il guadagno si tratta di variare la resistenza di un elemento resistivo collegato fra i nodi V1 e V2 riferiti ai terminali negativi degli operazionali OPAMP1 e OPAMP2. Per questo scopo, collegheremo in serie al resistore R1 un potenziometro che abbiamo denominato RV1. In Figura 2 riportiamo lo schema elettrico dell’amplificatore differenziale per strumentazione in cui è stato inserito il potenziometro RV1 in serie al resistore R1.

Figura 2: Schema elettrico dell’amplificatore differenziale per strumentazione con regolazione di guadagno

Come potete vedere in Figura 2, rispetto allo schema dell’amplificatore differenziale per strumentazione precedente riportato in Figura 1, al resistore R1 è stato inserito in serie il potenziometro RV1; nella serie R1-RV1, il resistore R1 ha la funzione di limitare il guadagno massimo che si avrebbe con RV1 regolato alla resistenza di 0 ohm, RV1 regola il guadagno da un minimo ad un valore massimo. Nella stessa Puntata 19 abbiamo calcolato l’amplificazione differenziale (o guadagno) di tensione dell’amplificatore differenziale con la formula seguente:

Ad=Vo/(V2-V1) = R4/R3*(1+2*R2/R1)

Ora, considerando che nello schema di Figura 2 R1 è in serie al potenziometro RV1, nella formula del guadagno, al posto di R1 dobbiamo inserire R1+RV1, che andiamo a sostituire nella stessa formula di Ad:

Ad=Vo/(V2-V1) = R4/R3*(1+2*R2/(R1+RV1))

Quindi, con l’inserimento del potenziometro RV1 e considerando di valore fisso la resistenza dei resistori R1, R2, R3 e R4, il guadagno viene regolato solo dal potenziometro RV1, ovvero dal valore minimo determinato da R1+RV1 con RV1 regolato alla massima resistenza, fino al valore massimo determinato da R1 con RV1 regolato a 0 ohm. Sebbene sembri un pò complesso realizzare un amplificatore differenziale per strumentazione, per contro offre alcuni vantaggi: impedenze estremamente elevate agli ingressi non invertenti dei rispettivi amplificatori operazionali OPAMP1 e OPAMP2, guadagno regolabile utilizzando un singolo resistore a resistenza variabile (potenziometro o trimmer).

Ipotizzando di avere nel circuito di Figura 2 R3=R4, dalla formula precedente dell’amplificazione otteniamo un'espressione generale semplificata per calcolare il guadagno di tensione complessivo dell'amplificatore per strumentazione:

Ad=1+2*R2/(R1+RV1)

Tuttavia, è certamente possibile modificare il guadagno differenziale dell'amplificatore modificando i valori di alcuni degli altri resistori, ma ciò richiederebbe modifiche bilanciate del valore del resistore affinché il circuito rimanga simmetrico. Dalla formula precedente, si noti che il guadagno minimo si ottiene regolando RV1 per il massimo valore di resistenza, inoltre, per R1+RV1 >> R2, il valore del guadagno tende a 1. Un amplificatore per strumentazione, come il nostro amplificatore differenziale, è in sostanza un circuito che presenta elevate impedenze di ingresso e facilità di regolazione del guadagno attraverso la variazione della resistenza di un singolo resistore.

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