Ganancia de amplificación de instrumentación

Hay tres amplificadores operacionales en este circuito. Cualquiera de los tres nodos de salida puede saturarse dependiendo de los dos voltajes de entrada. Todos de ellos deben estar dentro del rango de salida de los amplificadores para que el circuito funcione como un amplificador de instrumentación. También hay un rango de modo común de entrada para el LM324 que se extiende hasta aproximadamente 10 V, pero ignoremos eso por ahora, es solo un factor en U1A / U1B de todos modos.

El rango máximo de entradas (asumiendo que los amplificadores operacionales ideales con salidas de riel a riel) se lograrán cuando el voltaje de modo común de entrada sea la mitad del voltaje de suministro unipolar (o en el medio de un rango bipolar), por lo que 6V en este caso.

Si una de las entradas está en tierra o en +12, incluso con los amplificadores operacionales ideales (ese límite en los rieles), la única entrada posible en la otra entrada es exactamente la misma, la menor diferencia causará una o la otro de U1A / U1B para saturar. La realidad no es tan agradable, por lo que los amplificadores no funcionarán con una entrada conectada a tierra, punto. Para que la entrada de U1A se ponga a tierra y cualquier voltaje positivo en la entrada de U1B, la salida de U1A tiene que ir por debajo de la tierra, lo que no se puede hacer. Cualquier voltaje negativo en la entrada U1B significaría que la salida de U1B tendría que volver a ser negativa, imposible nuevamente.

El amplificador de salida (idealmente) no puede saturarse en el carril positivo, ya que el caso más desfavorable es +12 (U1B out = 12V, U1A out = 0V), pero se saturará si la salida de U1A es mayor que U1B, ya que no puede ir por debajo de cero, incluso idealmente.

Si tiene 1.0V en la entrada de U1A, entonces el voltaje mínimo aceptable en U1B es 1.0V (saturación de salida). El máximo aceptable se establecerá mediante la saturación de U1A a 0 V, lo que ocurrirá (idealmente) a + 1,02 V en U1B (la corriente a través de R2 es 10uA, por lo que el voltaje en U1B debe ser 1,0V + 10uA * 2K = 1,02V. Tenga en cuenta que la tensión de salida solo puede alcanzar un máximo de 2.02V = 101 * (1.02V - 1.00V).

Puede repetir este análisis a varios voltajes de entrada y sustituir el rango de salida real, etc. si desea una respuesta completa, pero debe determinar el voltaje máximo / mínimo en el que ninguno de los amplificadores saturado.

Desde una hoja de datos de un amplificador de instrumentación de estilo de 3 amplificadores, puede ver lo que soy hablando de (presentado un poco diferente, en términos de voltaje de modo común y voltaje de salida en lugar de los dos voltajes de entrada). Tu caso es más como la línea azul.

EDITADO PARA CORREGIR EL ERROR U1A

Supongamos que U1A y U1B funcionan "normalmente", es decir, sus redes de resistencias tienen los voltajes apropiados. U1A tiene la entrada + puesta a tierra, por lo que la entrada - también debe estar conectada a tierra.

Ahora mira a U2. El extremo superior de R1 se mantiene en el suelo (pozo, tierra virtual), por lo que U1B actúa como un amplificador operacional no inversor estándar, con una ganancia de 51. Con una entrada de 2 voltios, la salida de U1B debe ser de 102 voltios. . Estoy seguro de que estará de acuerdo en que será difícil hacerlo con una fuente de alimentación de 12 voltios.

Dado que el voltaje en R1 es de 2 voltios, 1 mA debe fluir a través de él. 1 mA a través de 100k de R2 impulsará la salida de U1A a -100 voltios. Una vez más, estoy seguro de que estará de acuerdo en que esto será difícil dada la fuente de alimentación.

Entonces, la diferencia del amplificador U1C tomará la diferencia de 102 y -100, para un voltaje de salida nominal de 202 voltios. Nuevamente, estoy seguro de que usted, etc, etc., etc. Mientras que esto es exactamente lo que se predice para el circuito (una ganancia de 101 veces 2 voltios es 202 voltios), ninguno de los amplificadores operacionales es capaz de funcionar como requieren sus resistencias Debido a las limitaciones causadas por su elección de fuente de alimentación y amplificador operacional. Si tuviera una fuente de alimentación de +/- 250 voltios y amplificadores operacionales que coincidan, estaría bien. En cambio, cada amplificador operacional está limitado a voltajes mucho más bajos, y el cambio de R1 simplemente no ayuda. Aunque si incrementas R1 a aproximadamente 100k obtendrás algo correcto, o al menos podrás ver los cambios en la salida con R1 variable. Dado que U1A no puede producir voltajes negativos, el circuito aún no funcionará correctamente, pero al menos las cosas cambiarán lo suficiente como para verlos cambiar. Si conectas el pin 11 a un suministro de -12 voltios, podrás jugar con R1 a 100k.

Pruebe su simulación con la entrada de U1A + atada a 2 voltios, y la entrada de U1B a 2.05 voltios. Esto, si la teoría es correcta, le dará una salida de aproximadamente 5 voltios, o a medio camino entre V + y tierra, que es un lugar práctico para comenzar. Ahora puedes jugar con R1.

Pero ten cuidado. ¿Recuerdas aquellas compensaciones que mencioné? Para un 324 esto puede ser de hasta 3 mV. Esto no importará mucho para U1A, pero representa más del 50% de la diferencia entre las dos entradas, por lo que su salida nominal de 5 voltios podría ser de +/- 3 voltios. Tendrá que tener esto en cuenta, a menos que su simulador le permita establecer el desplazamiento a cero.