CLASE # 5
EL AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN
De hecho este tema ya lo deben tener bien aprendido desde sus clases de circuitos electrónicos, el amplificador de instrumentación básico se puede realizar utilizando 3 amplificadores operacionales básicos y una serie de resistencias en un arreglo como el siguiente:
Figura 1: Amplificador de instrumentación de 3 OPAMs
Y se puede hacer el análisis por nodos para obtener la función de transferencia simplificando la tarea un poco a la hora de separar la etapa pre amplificadora de la etapa diferencial, ustedes ya deben de conocer bien todas las configuraciones de OPAM'S
Figura 2: Etapas pre amplificadora y diferencial de un amplificador de instrumentación
Para aquellos que no las recuerdan bien les anexo la siguiente imagen:
Figura 3: Algunas configuraciones de amplificadores operacionales y sus voltajes de salida, relacionados con los voltajes de entrada.
Ahora bien el analisis del circuito en la configuración AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN por NODOS les aparece en los videos 1 y 3, y en el video 2 aparecen algunos de sus usos y aplicaciones para obtener señales biomédicas.
Video 1
Video 2
Video 3
Otro de los puntos básicos a la hora de diseñar un amplificador de instrumentación con OPAM's para uso biomédico es la consulta de los datasheets de los circuitos que se pueden usar para hacerlo, en este caso para fines de explicación escogeré dos DATASHEETS de amplificadores operacionales que se utilizan frecuentemente en este tipo de diseños.
Obvio que todo buen ingeniero puede utilizar una infinidad de componentes distintos en sus diseños, esto se debe principalmente a la facilidad de conseguirlos dentro de sus respectivos países.
En la actualidad, ya existen amplificadores de instrumentación en paquete esto es que dentro de cada C.I. ya están contenidos los 3 OPAM'S obvio que esto ayuda un poco pero también puede complicar pues en muchos de estos circuitos sólo se puede cambiar la resistencia para dar la ganancia y no es posible variar el CMRR. Tal es el caso del conocido circuito AD620 cuyo DATASHEET pueden consultar en el siguiente link:
Antiguamente, los ingenieros contaban con manuales de circuitos de papel para consultar los circuitos que les interesaba utilizar y sus características, eso sigue siendo una buena práctica para los ingenieros pues muchos de ustedes cuando sólo consultan desde sus dispositivos las hojas de especificaciones técnicas de estos circuitos se enfocan sólo en cómo se conectan las patitas de los circuitos y no analizan bien todas las características del producto que están utilizando lo cuál redunda mucho en la calidad y el uso del producto que están utilizando.
Como les comentaba, esto es sólo un repaso de lo que ustedes ya deben conocer de otras materias que ya deben de haber cursado, en caso contrario les toca a ustedes la responsabilidad de estudiar más a fondo este tema, aquí yo sólo me concentraré en la función de transferencía del amplificador de instrumentación y otras caracterísitcas que considero de interés.
Los que deseen profundizar más sobre este tema pueden consultar el libro de Webster, en el capítulo 3, les anexo el link, nuevamente:
ESTE ES EL LINK DEL LIBRO "MEDICAL INSTRUMENTATION APPLICATION & DESIGN DE JOHN G. WEBSTER :d
ESTE TEXTO ES MUY IMPORTANTE ES UNO DE LOS BÁSICOS DEL CURSO.
Como comentabamos con anterioridad lo importante en cada uno de estos amplificadores de intrumentación de OPAM'S es llegar a obtener la función de transferencia que si bien recordarán vieron cuando estudiaron el capítulo 1 del libro de Webster.
Figura 4: Valor de amplificación diferencial y a modo común de un amplificador de instrumentación de 3 OPAMs
Figura 5 Uno de los puntos de ajuste de ganancia de un amplificador de instrumentación
Figura 6 Amplificador de instrumentación con una resistencia variable :D
Ahora bien, ya que tenemos esta función de transferencia es importante el poder hacer el cálculo de las resistencias del circuito que nos darán la ganancia, pero también es importante el recordar que cuando se hace un diseño con OPAM's discreto es importante hacer también el ACOPLO DE IMPLEDANCIAS ENTRE LAS DISTINTAS ETAPAS, y en el caso del amplificador de instrumentación tienen 2 etapas, la etapa pre amplificadora y la etapa diferencial.
Con todos estos conocimientos más la tarjeta de transductores que hicieron de la tabla 1.1 del webster podremos empezar a trabajar en el diseño de nuestros amplificadores de instrumentación para obtener las distintas señales de los biopotenciales. :D
Favor de hacer las siguientes actividades y contestar las preguntas:
1. Hacer el análisis de nodos completo de un amplificador de instrumentación de la figura 1 utilizando impedancias y obtener la Función de Transferencia del mismo (Recuerden que cuando se trabaja con impedancias están trabajando en el plano S y utilizan Transformadas de Laplace.
2. Explicar porqué estoy sugiriendo que se utilice impedancias y Transformada de Laplace para el análisis de este circuito, justificar su respuesta.
3. Explicar en base al análisis de los DATASHEETS de los OPAM LM741 y TL081 ¿Cuál es más conveniente para ser usado en los diseños de circuitos de uso biomédico y en la obtención de las señales de Biopotenciales y justificar su respuesta.
4. De la Figura 4, Podrían ¿explicar la diferencia entre ganancia a modo diferencial y ganancia a modo común? de un amplificador de instrumentación.
5. En la figura 5 aparece una resistencia que se puede variar para ajustar la ganancia de un Amplificador de instrumentación, ¿Podrían indicar otra resistencia dentro de ese circuito que sirva para ajustar o dar más ganancia a un amplificador de instrumentación? indicar cuál es y en donde se localiza.
6. De la figura 6, explicar ¿Porqué razón se varia R3? y ¿Cuál es el propósito de hacerlo?
7. Favor de explicar que es el CMRR ¿Cuál es su fórmula y sus unidades?
8. Favor de explicar todas las características, ventajas y desventajas del uso del circuito integrado (CI)
AD 620.
9. Haciendo uso de la tabla 1.1 del Webster que ya deben tener enmicada, favor de hacer el cálculo de los valores de las resistencias del amplificador de instrumentación para obtener la señal de ECG.
10. Haciendo uso de la tabla 1.1 del Webster que ya deben tener enmicada, favor de hacer el cálculo de los valores de las resistencias del amplificador de instrumentación para obtener la señal de EEG.
NOTA: LA PRIMERA EVALUACIÓN DEPARTAMENTAL SERÍA HASTA ESTE CUESTIONARIO
NO OLVIDAR ENTREGAR TODOS LOS CUESTIONARIOS RESUELTOS EN UNA SOLA CARPETA PARA SU EVALUACIÓN :D
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