Entendiendo y Diseñando un Amplificador de Instrumentación

¿Qué es un Amplificador de Instrumentación?

Un amplificador de instrumentación permite a los ingenieros ajustar la ganancia de un circuito alterando una sola resistencia, a diferencia de un amplificador diferencial convencional que requiere cambios en múltiples resistencias. Construido sobre la base del amplificador diferencial, añade una única resistencia ajustable que desbloquea esta comodidad.

Cómo Funciona el Circuito

El diseño combina una etapa diferencial bufferizada con tres resistencias adicionales que conectan las dos secciones buffer. Todas las resistencias son iguales excepto R_gain.

La realimentación negativa en el op‑amp superior‑izquierdo fuerza la tensión en el punto 1 (la parte superior de R_gain) a igualar V_1, mientras que el op‑amp inferior bloquea la tensión en el punto 2 (la parte inferior de R_gain) a V_2. Esto crea una caída de tensión a través de R_gain igual a la diferencia entre V_1 y V_2. Como las corrientes de entrada de los op‑amps son despreciables, la misma corriente fluye a través de las dos resistencias adyacentes a R_gain, produciendo una caída de tensión entre los puntos 3 y 4 dada por:

El amplificador diferencial estándar de la derecha amplifica esta caída por un factor de uno —siempre que las resistencias circundantes sean iguales.

Por Qué Usar un Amplificador de Instrumentación

Aunque el diseño parece complejo, esta configuración ofrece dos grandes beneficios:

• Impedancia de entrada extremadamente alta en V_1 y V_2, porque cada una se conecta directamente a la entrada no inversora de su op‑amp.
• Ajuste de ganancia simple, mediante una sola resistencia, vía R_gain.

Reorganizando la álgebra se obtiene la expresión de ganancia de tensión global:

En la práctica, cambiar solo R_gain basta para alterar la ganancia diferencial. Aunque modificar otras resistencias también puede ajustar la ganancia, requeriría cambios perfectamente balanceados para mantener la simetría del circuito. Nótese que establecer R_gain a infinito (circuito abierto) produce la ganancia mínima de 1.

Conclusión Clave

• Un amplificador de instrumentación ofrece alta impedancia de entrada y control de ganancia sin esfuerzo mediante una sola resistencia, lo que lo hace ideal para circuitos de medición de precisión.

Lecturas Adicionales

• Hoja de trabajo de Circuitos OpAmp Sumador y Restador