� Instrumentacioni pojačavač je je tip diferencijalnog pojačavača sa diferencijalnimulazom i asimetričnim izlazom koji unutar sebe sadrži povratnu spregu.

�Namena: Najcešce se primenjuje za kondicioniranje signala i pojačanje malih signala.Tipična primena je pojačanje signala koji se se dobijaju na izlazu pretvarača

nelektričnih veličina u električne signale -transdjusera. Performanse instrumentacionog

pojačavača su optimizovane isključivo za akviziciju signala zbog čega ovo kolo nema

veliku fleksibilnost primene.

Zahtevi: Osnovna funkcija koju treba da ispuni instrumentacini pojačavač je da istovremeno pojača veoma mali ulazni signal (reda mikro volta) i potisne znatno veći

signal srednje vrednosti (reda volta).

Instrumentacioni pojačavač

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

signal srednje vrednosti (reda volta).

�Odlike:

• Poseduje diferencijalni ulaz i asimetričan izlaz

•Vrlo velika ulazna impedansa. Ulazne impedanse su balansirane

(izjednačene) i imaju veoma velike vrednosti koje su tipično veće od 109 Ω.

• Vrlo mala izlazna impedansa, koja je reda nekoliko mΩ.

• Male ulazne struje polarizacije, čija se tipična vrednost kreće od 1 nA do 50

nA

• Velika vrednost faktora potiskivanja, čije su tipične vrednosti 70 do 100dB.

Instrumentacioni pojačavač

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

• Velika vrednost faktora potiskivanja, čije su tipične vrednosti 70 do 100dB.

Odlike instrumentacionog pojačavača po kojima se razlikuje od OP:

• Primenjuje internu povratnu spregu koja se realizuje otpornom mrežom.

• Pojačanje je promenjivo i reguliše se otpornikom RG.

• Pojačanje nije veliko

• Namenjen je isključivo pojačanju diferencijalnog signala

Prednosti instrumentaionog pojačavača u primenama

koje se odnose na akvizicju signala� Za razliku od operacionog pojačavača instrumentacioni pojačavač je kolo

sa zatvorenom petljom, odnosno sadrži negativnu povratnu srpegu unutar

samog kola. Kod instrumentacionog pojačavča se povratna sprega

realizuje unutrašnjim otpornicima koji su odovjeni od ulaza za razliku od

operaciongo pojačavača gde se koriste spoljnji otpornici povezani sa

ulazima.

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

ulazima.

� Prednosti instrumentacionog pojačavača koje proističu iz ove osobine su:

• Uspešno potiskivanje srednju vrednost DC ili AC signala za razliku od

kola sa operacionim pojačavačem kod kojih je najčešće zajedno sa

signalom pojačan DC signal i šum.

• Vrednost pojačanja se može menjati u širokom opsegu pomoću

jednog otpornika a da to nema uticaj na faktor potiskivanja za razliku od

kola sa operacionim pojačavačima.

Primene instrumentacionog pojačavača

� Akvizicija podataka. Instrumentacioni pojačavači se koristi za pojačavanje

signala transdjusera (pretvarača nelektričnih veličina u električne signale).

Njihova prednost posebno dolazi do izražaja kada je signal transdjusera

niskog nivoa i sa izraženim prisustvom šuma. Neke od primena su merenja

pritiska, naprezanja, temperature. Ovi transdjuseri se često koriste u

kombinaciji sa otpornu mrežom u obliku mosta.

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

Primene instrumentacionog pojačavača

� Medicinska instrumentacija. Instrumentacioni pojačavači se šriokoprimenjuju u medicinskim uređajima kao što su EKG i EEG monitori,

monitori krvnog pritiska itd.

� Softver-programabilne aplikcije. Instrumentacioni pojačavači se mogukoristiti u kombinaciji sa programibilnim čipovima za softversku kontrolu

hardverskog sistema.

� Audio aplikacije. Zahvaljujući svojim dobrim osobinama mogu se koristiti

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

� Audio aplikacije. Zahvaljujući svojim dobrim osobinama mogu se koristitiza izdvajanje slabog signala u prisustvu izraženog šuma.

� Video aplikacije. Instrumentacioni pojačavači primenjuju se i za akvizicijuvideo podataka. Za ove namene primenjuju se instrumentacioni pojačavači

sa širokim propusnim opsegom.

� Monitoring i kontrola. Mogu se koristiti za monitoring rada motorapraćenjem struja i napona.

Karakteristike instrumentacionog pojačavača

� Faktor potiskivanja srednje vrednosti signala. Ovo je najznačajnijakarakteristika instrumentacionog pojačavača. Neophodno je da CMR ima

dovoljnu vrednost unutar frekvencijskog opsega signala koji se pojačava.

� Ulazni ofset napon i temperaturni drift. Ulazni ofset napon se možeeliminisati primenom spoljnjeg trimera dok se temperaturni drift ne može

eliminisati. Tipične vrednosti temperaturnog drifta su 1 do 10 µV/oC.� Ulazna impedansa. Ulazne impadanse invertujućeg i ineinvertujućeg

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

� Ulazna impedansa. Ulazne impadanse invertujućeg i ineinvertujućegulaza moraju biti velike i podešene na približno jednake vrednosti

(uparene). Ovo je neophodno da bi se izbeglo smanjenje nivoa signala na

ulazu. Tipična vrednost ulazne otpornosti je 109 do 1012 Ω.� Struje polarizacije i ofset struje. Struje polarizacije ulaznih bipolarnihtranzistora su neizbežne. One unose određenu grešku i nastoji se da budu

što manje. Tipične vrednosti struja polarizacija kod bipolarnih pojačavača

su 1nA do 50nA. Ukoliko je unutrašnja otpornost signala veoma velika ne

mogu se normalno polarisati ulazni tranzistori i zato se paralelno sa ulazom

vezuju velike otpornosti.

Karakteristike instrumentacionog pojačavača� Šum. S obzirom da je namenjen pojačanju signala veoma malih vrednostine sme se dopustiti da instrumentacioni pojačavač dodatno unosi šum.

Poželjna nivo šuma na ulazu je 10 nV/(Hz)0.5.

� Nelinearnost Ovo karakteristika se ne može podesiti spoljnjim trimerima.Najčešće se specificira kao procenat punog opsega signala. Tipična

vrednost nelinearnosti instrumentacionog pojačavača je 0.01%.

� Selekcija pojačanja Potrebno je omogućiti jednostavno podešavanjepojačanja instrumentacionog pojačavača. Uobičajena je primena jednog

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

pojačanja instrumentacionog pojačavača. Uobičajena je primena jednog

spoljnjeg otpornika za podešavanje pojačanja. Loša strana ovog rešenja je

da pojačanje zavisi od temperature. Zato se često primenjuju dva otpornika

za podešavanje pojačanja pri čemu je pojačanje srazmerno odnosu tih

otpornika.

� Propusni opseg Instrumentacioni pojačavač mora da obezbediodgovarajući propusni opseg za aplikaciju u kojoj se koristi. Tipična

vrednost jediničnog pojačanja je u opsegu 500 kHz do 4 MHz. Adekvatan

propusni opseg se jednostavnije realizuje kada je pojačanje manje, mnogo

je teže dobiti širok propusni opseg pri većim pojačanjima.

� Pojačanje se podešava promenjivim otpornikom koji je izolovan od

ulaznog signala.

� Instrumentacioni pojačavač čije se pojačanje podešava softverski naziva

se PGA pojačavač (Programmable Gain Amplifier).

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

� Ulazni stepen je sačinjen od dva operaciona pojačavača. Oba ova operaciona

pojačavča su u konfiguraciji neinvertujućeg pojačavača. Predviđeno je da se

pojačanje prvog stepena podešava pomoću promenjivog otpornika RG.

� Drugi stepen čini diferencijalini pojačavač koji tipično ima pojačanje 1 ali može da

ima i veće pojačanje.

Instrumentacioni pojačavač realizovan sa tri operaciona pojačavača

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

Napon na izlazu operacionih pojačavača u prvom stepenu instrumentacionog

pojačavača V1 i V2 mogu se odrediti iz sledećeg sistema jednačina:

Instrumentacioni pojačavač realizovan sa tri operaciona pojačavača

FDIN

FDIN

G

D

G

ININD

RIVV

RIVV

R

V

R

VVI

⋅+=

⋅−=

=−

=

+

−

−+

2

1

121122G

VVVG

VVV DCM

DCM +=−=

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

121122GVVGVV CMCM +=−=

G

F

R

RG ⋅+= 211

Gde je G1 pojačanje prvog stepena

koje iznosi:

� Može se uočiti da se pojačava samo

diferencijalna komponenta signala dok se

srednja vrednost signala prenosi sa

jediničnim pojačanjem.

• Drugi pojačavački stepen pretstavlja diferencijalni pojačavač. Realizovan je

upotrebom jednom operacionog pojačavača, A3, i dva para otpornika R1 i R2.

Pojačanje ovog stepena iznosi i tipično iznosi -1, ali se može povećati.

Instrumentacioni pojačavač realizovan sa tri operaciona pojačavača

1

2

R

R−

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

� Iako je srednja vrednost ulaznog signala potisnuta ova komponenta signala

ne može biti neograničeno velika. Pri dovoljnoj vrednosti VCM operacioni

pojačavači prvog stepena ulaze u zasićenje.

Povećanje opsega zajedničkog ulaznog napon

� Dozvoljeni opseg zajedničkog ulaznog

napona može se odrediti iz izraza za

napon ulaznih operacionih pojačavača,

A1 i A2

V

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

� Odavde sledi da je povećanje

dozvoljene vrednosti VCM moguće

jedino ukoliko se smanji pojačanje

ulaznog stepna G1.

satD

CM VV

GVV ≤

⋅+=2

12,1

'1

'12,1

22. G

VVG

VVconstV DCM

DCM ⋅+=⋅+==

� Ukoliko se smanji pojačanje ulaznog stepena neophodno je uvesti dodatno

pojačanje u izlaznom stepenu.

Povećanje opsega zajedničkog ulaznog napon

� U standardnom rešenju

instrumentacionog pojačavača drugi

pojačavački stepen ima pojačanje 1

odnosno usvaja se R1=R2.

� Najjednostavnije rešenje da se

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

� Najjednostavnije rešenje da se

poveća pojačanje je da se usvoje

drugačije vrednosti za otpornike u

izlaznom pojčačavakom stepenu tako

da važi:

� Neodstatak ovog rešenja je uvođenje

velikih otpornosti u kolo pojačavača

što ima za posledicu povećanje šuma.

'1

'2

G

GG TOT=

1

'2'

2R

RG =

� Drugi način za povećanje opsega srednje vrednosti signala na ulazu je

primena naponskog delitelja u povratnoj sprezi od izlaza do invertujućeg

ulaza operacionog pojačavača A3.

�Izlazni napon ovog kola može se izraziti kao

� Prednost ovog kola je da difrencijalno pojačanje zavisi od odnosa

otpornika R3 i R4. Na ovaj način može se postići zadovoljavajuće pojačanje

bez upotrebe velikih otpornosti. Mala izlazna otpornost buffera A4

omogućava održavanje visoke vrednosti CMRR.

Povećanje opsega zajedničkog ulaznog napon

+⋅−=

3

4

1

20 1

R

R

R

RV

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

� U pojedinim primenama instrumentacionog pojačavača potrebno je

umanjiti veliku vrednost DC diferencijalnog napona ulaznog signala.

Primera radi u medicinskim merenjima se javlja DC difrenecijalni napon koji

je više stotina puta veći od AC diferencijalnog napona koji predstavlja

koristan signal (reda mV).

� Neposredna primena aktivnog filtra pre instrumentacionog pojačavača

nije dobro rešenje jer se na taj način umanjuje CMRR.

� Uticaj velike vrednosti DC difrencijalnog napona rešava se u sledeća tri

Potiskivanje DC diferencijalnog napona

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

� Uticaj velike vrednosti DC difrencijalnog napona rešava se u sledeća tri

koraka:

1. Ograničavanje pojačanja ulaznog stepena G1 da bi se izbegla

pojava zasićenja u ulaznim operacionim pojačavačima A1 i A2.

2. Primena filtra propusnika niskih frekvencija u izlaznom stepenu da

bi se eliminisao difrencijalni DC signal.

3. Primena većeg pojačanja u izlaznom stepenu da bi se povećao

nivo naizmenične komponente signala.

� Jedna od načina da se potisne DC diferencijalni signal prikazana je na

slici. Izlaznom stepenu instrumentacionog pojačavača dodato je kolo

delitelja i kolo NF filtra.

�Kolo delitelja vraća signal od izlaza kao invertujućem ulau i služi za

poećanje pojačanja izlaznog stepena.

� NF filtar vraća signal od izlaza ka neinvertujućem ulazu i služi za

potiskivanje jednosmernog diferencijalnog signala.

Potiskivanje DC diferencijalnog napona

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

� Naponi na ulazima operacionog pojačavača mogu se izraziti kao :

� Izjednačavanjem ova dva napona dobija se izraz za naponsko pojačanje

izlaznog stepena:

Potiskivanje DC diferencijalnog napona

+⋅+=

43

301

22 RR

RVVVn

⋅⋅

⋅−=

intint

02 1

22CR

j

VVVp ω

+⋅=

−=

'

'0

2

12

0

1f

fj

f

fj

GVV

VVn

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

Gde je:

'0f

3

42 1

R

RG +=

2intint

'0

2

1

GCRf

⋅⋅⋅⋅=

π

� Drugi način da se potisne DC diferencijalni signal je da se usvoji

pojačanje izlaznog stepena od G2=1 i da se potrebna vrednost dodatnog

pojačanja ostvari u odvojenom pojačavačkom stepenu.

� Dodatni pojačavački stepen pored dodatnog pojačanja može da obavi i

funkciju potiskivanja visoko frekvencijskog šuma. Potrebno je da bude

realizovan od niskošumnog operacionog pojačavača.

Potiskivanje DC diferencijalnog napona

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

� Isprojektovati EKG pojačavač primenom instrumentacionog pojačavača

koji sadrži tri rail-to-rail operaciona pojačavača čije napajanje iznosi ±5V.

Pojačavač treba da bude u mogućnosti da izdvoji koristan signal pri

sledećim vrednostima signala na ulazu: srednja vredenost signala 1.5 V,

jednosmerni diferencijalni napon od 0.4 V, AC diferencijalni signal od

1 mV. Potrebno je da koristan signal koji čine frekvencije signala veće od

Dan 4. Zadatak 1

ANALOGNA ELEKTRONSKA KOLA

1 mV. Potrebno je da koristan signal koji čine frekvencije signala veće od

0.05 Hz na izlazu bude maksimalne moguće amplitude.