Un amplificatore di instrumentazione (INA) è un blocco di guadagno a circuito chiuso di precisione con ingresso differenziale e (di solito) uscita single-ended, ottimizzato per alta reiezione in modo comune (CMRR), alta impedenza di ingresso e basso offset/deriva. È lo standard per interfacce sensori (ponte, termocoppia, RTD, EEG, ECG).
Vantaggi
1. Eccezionale Rapporto di Reiezione in Modo Comune (CMRR)
- Tipico: 90–130 dB (DC–60 Hz), 80–100 dB a 1 kHz.
- Meccanismo: Topologia a 3 op-amp (o 2 op-amp / feedback corrente indiretto) rifiuta simmetricamente VCM amplificando VDIFF.
- Critico per: Sensori a ponte (estensimetro, pressione) dove VCM ≈ VCC/2 (2,5 V) e VDIFF = 10–100 mV.
2. Molto Alta Impedenza di Ingresso (Zin > 1 GΩ || < 10 pF)
- Buffer non invertenti a ogni ingresso → nessun carico di sorgenti ad alta impedenza (elettrodi pH, piezo, ponti ad alto valore).
- Elimina la necessità di amplificatori buffer separati.
3. Impostazione di Guadagno Precisa (1 Resistenza o Digitale)
- Classico 3-op-amp: G = 1 + (2R/RG). Una RG esterna imposta guadagno 1–10.000.
- Programmabile Digitalmente (es. AD8253, PGA281): G = 1, 2, 4, 8… 1024 via SPI/I²C.
- Accuratezza di Guadagno: 0,01–0,1% (vs. 1–5% per diff amp discreto con op-amp).
- Deriva di Guadagno: 1–5 ppm/°C (resistenze interne abbinate).
4. Bassa Tensione di Offset e Deriva
| Parametro | Op-Amp Generico | INA di Precisione (es. AD8429, INA828) |
|---|
| VOS (max) | 1–5 mV | 10–50 µV |
| TCVOS | 5–15 µV/°C | 0,1–0,5 µV/°C |
| IB | 10–100 nA | 0,1–5 nA (ingresso JFET/CMOS) |
5. Opzioni di Uscita Differenziale (INA Moderni)
- Dispositivi come AD8475, INA849, PGA900 forniscono vera uscita differenziale → guida ADC differenziale direttamente, rifiuta rimbalzo di massa, raddoppia gamma dinamica.
6. Funzionalità Integrate
- Pin di riferimento (shift di livello), spegnimento, rilevamento guasto, filtro RFI (AD8226), indurimento EMI.
Svantaggi e Compromessi
1. Costo Più Alto
- $0,50–$5,00 (vs. $0,10–$0,50 per doppio op-amp). Giustificato da resistenze rifilate, abbinamento wafer-level, tempo di test.
2. Banda Limitata vs. Guadagno
- Prodotto Guadagno-Banda (GBW) fisso. G=100 → BW = GBW/100.
- Tipico: 1–5 MHz GBW → 10–50 kHz a G=100. Non per RF/IF.
- INA ad alta velocità (es. AD8429: 34 MHz GBW) costano di più.
3. Vincoli di Gamma di Tensione in Modo Comune (VCM)
- 3-op-amp classico: gamma VCM si restringe all'aumentare del guadagno (diamond plot).
- Feedback corrente indiretto (es. AD8237, INA333): input/output rail-to-rail, ma CMRR inferiore ad alto guadagno.
- Devi controllare il diamond plot nel datasheet per la tua VCM, Guadagno, VS.
4. Rumore: Non Sempre Inferiore ai Migliori Op-Amp
- Rumore tensione: 4–10 nV/√Hz (tipico). Migliori op-amp: 0,9 nV/√Hz (ADA4627).
- Rumore corrente: INA JFET/CMOS hanno In basso — buono per sorgenti ad alta impedenza.
- Ad alto guadagno, il rumore di tensione domina → INA paragonabile ai migliori op-amp.
5. Consumo di Potenza
- 3-op-amp: 0,5–2 mA/quiescente. INA a micropotenza (INA333, AD8237): 20–50 µA — ma GBW/CMRR inferiori.
6. Dimensioni Package e Numero Pin
- 8–16 pin (vs. 8 per doppio op-amp). Potrebbe richiedere più area PCB.
Quando Usare un INA vs. Op-Amp Diff Amp
| Usa INA Quando | Usa Op-Amp Diff Amp Quando |
|---|
| Sensore a ponte (estensione, pressione, cella di carico) | Shift di livello semplice, guadagno < 10 |
| CMRR elevato necessario (> 80 dB) | Costo critico, performance adeguate |
| Sorgente ad alta impedenza (> 100 kΩ) | Alta banda (> 1 MHz a guadagno) |
| Guadagno di precisione (accuratezza 0,1%) | Single-supply, I/O rail-to-rail necessario |
| Deriva bassa critica (µV/°C) | Uscita differenziale non necessaria |
Migliori INA per Categoria (2024)
| Categoria | Dispositivo | Specifica Chiave |
|---|
| Migliore Precisione Complessiva | AD8429 (Analog Devices) | 0,1 µV/°C, 34 MHz GBW, 100 dB CMRR |
| Micropotenza / Batteria | INA333 (TI) / AD8237 (ADI) | 25 µA, 500 kHz GBW, 90 dB CMRR |
| Basso Costo / Alto Volume | INA321 / INA322 (TI) | $0,45, 1,2 MHz, 94 dB CMRR |
| Alta Tensione (±18 V) | INA828 / AD8221 | 36 V alimentazione, 5 nV/√Hz, 100 dB CMRR |
| Programmabile Digitalmente | PGA281 (TI) / AD8253 (ADI) | G=1–1024, SPI, 1 ppm/°C deriva guadagno |
| Uscita Differenziale | AD8475 / INA849 | Guida SAR ADC direttamente |
Gli INA sono lo strumento giusto per il sensing differenziale di precisione. Scegli in base a gamma VCM, guadagno, banda, potenza e budget — verifica sempre il diamond plot.
