Um amplificador instrumentação (INA) é bloco ganho fechado precisão com entrada diferencial e (geralmente) saída single-ended, otimizado para alta rejeição modo comum (CMRR), alta impedância entrada e baixo offset/deriva. É front-end padrão para interfaces sensores (ponte, termopar, RTD, EEG, ECG).
Vantagens
1. Excepcional Razão Rejeição Modo Comum (CMRR)
- Típico: 90–130 dB (CC–60 Hz), 80–100 dB a 1 kHz.
- Mecanismo: Topologia 3-amp-ops (ou 2-amp-ops / realimentação corrente indireta) rejeita simetricamente VCM enquanto amplifica VDIFF.
- Crítico para: Sensores ponte (extensômetro, pressão) onde VCM ≈ VCC/2 (2,5 V) e VDIFF = 10–100 mV.
2. Impedância Entrada Muito Alta (Zin > 1 GΩ || < 10 pF)
- Buffers não-inversores em cada entrada → sem carga fontes alta impedância (eletrodos pH, piezo, pontes alto valor).
- Elimina necessidade amplificadores buffer separados.
3. Ajuste Precisão Ganho (1 Resistor ou Digital)
- Clássico 3-amp-ops: G = 1 + (2R/RG). Um RG externo define ganho 1–10.000.
- Programável Digitalmente (ex.: AD8253, PGA281): G = 1, 2, 4, 8… 1024 via SPI/I²C.
- Precisão Ganho: 0,01–0,1% (vs. 1–5% amp-op diff discreto).
- Deriva Ganho: 1–5 ppm/°C (resistores internos casados ratio).
4. Baixa Tensão Offset e Deriva
| Parâmetro | Amp-Op Uso Geral | INA Precisão (ex.: AD8429, INA828) |
|---|
| VOS (máx) | 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 (entrada JFET/CMOS) |
5. Opções Saída Diferencial (INAs Modernos)
- Dispositivos como AD8475, INA849, PGA900 fornecem saída diferencial verdadeira → drive ADC diferencial diretamente, rejeita bounce terra, dobra faixa dinâmica.
6. Recursos Integrados
- Pino referência (shift nível), shutdown, detecção falha, filtro RFI (AD8226), hardening EMI.
Desvantagens e Trade-offs
1. Custo Maior
- $0,50–$5,00 (vs. $0,10–$0,50 dual amp-op). Justificado por resistores aparados, matching nível wafer laser, tempo teste.
2. Largura Banda Limitada vs. Ganho
- Produto Ganho-Largura Banda (GBW) fixo. G=100 → BW = GBW/100.
- Típico: 1–5 MHz GBW → 10–50 kHz em G=100. Não para RF/IF.
- INAs alta velocidade (ex.: AD8429: 34 MHz GBW) custam mais.
3. Restrições Faixa Modo Comum Entrada (VCM)
- Clássico 3-amp-ops: Faixa VCM encolhe conforme ganho aumenta (gráfico diamante).
- Realimentação corrente indireta (ex.: AD8237, INA333): Entrada rail-to-rail e saída, mas CMRR menor ganho alto.
- Deve checar gráfico diamante no datasheet para seu VCM, Ganho, VS.
4. Ruído: Nem Sempre Menor Que Melhores Amp-ops
- Ruído tensão: 4–10 nV/√Hz (típico). Melhores amp-ops: 0,9 nV/√Hz (ADA4627).
- Ruído corrente: INAs entrada JFET/CMOS têm baixo In — bom para fontes alta-Z.
- Em ganho alto, ruído tensão domina → INA comparável melhores amp-ops.
5. Consumo Potência
- 3-amp-ops: 0,5–2 mA quiescente. INAs micropotência (INA333, AD8237): 20–50 µA — mas menor GBW/CMRR.
6. Tamanho Encapsulamento e Contagem Pinos
- 8–16 pinos (vs. 8 dual amp-op). Pode precisar área PCB maior.
Quando Usar INA vs. Amp-Op Amp Dif
| Use INA Quando | Use Amp-Op Diff Quando |
|---|
| Sensor ponte (extensômetro, pressão, célula carga) | Shift nível simples, ganho < 10 |
| CMRR alto necessário (> 80 dB) | Crítico custo, performance adequada |
| Fonte alta Z (> 100 kΩ) | Alta largura banda (> 1 MHz no ganho) |
| Ganho precisão (0,1% acurácia) | Single-supply, rail-to-rail I/O necessário |
| Baixa deriva crítica (µV/°C) | Saída diferencial não necessária |
Melhores INAs por Categoria (2024)
| Categoria | Dispositivo | Spec Chave |
|---|
| Melhor Precisão Geral | AD8429 (Analog Devices) | 0,1 µV/°C, 34 MHz GBW, 100 dB CMRR |
| Micropotência / Bateria | INA333 (TI) / AD8237 (ADI) | 25 µA, 500 kHz GBW, 90 dB CMRR |
| Baixo Custo / Alto Volume | INA321 / INA322 (TI) | $0,45, 1,2 MHz, 94 dB CMRR |
| Alta Tensão (±18 V) | INA828 / AD8221 | 36 V alimentação, 5 nV/√Hz, 100 dB CMRR |
| Programável Digitalmente | PGA281 (TI) / AD8253 (ADI) | G=1–1024, SPI, 1 ppm/°C deriva ganho |
| Saída Diferencial | AD8475 / INA849 | Drive ADC SAR diretamente |
INAs são a ferramenta certa para sensoriamento diferencial precisão. Escolha baseado em faixa VCM, ganho, largura banda, potência, orçamento — sempre verifique gráfico diamante.
