- Основи на Op-Amp
- Op-amp верига с отворен контур (компаратори)
- Op-amp верига със затворен цикъл (усилватели)
- Диференциален усилвател или изваждач на напрежение
- Как да настроите печалбата на диференциален усилвател?
- Симулация на схема на диференциален усилвател
- Тестване на веригата на диференциалния усилвател на хардуер
Операционните усилватели първоначално са разработени за аналогови математически изчисления, оттогава днес те се оказаха полезни в много приложения за проектиране. Както правилно казаха моите професори, операционните усилватели са аритметични калкулатори на напрежение, те могат да извършват добавяне на две зададени стойности на напрежението, използвайки схема за сумиране на усилвателя и разлика между две стойности на напрежението, използвайки диференциален усилвател. Освен това Op-Amp се използва често и като инвертиращи усилватели и неинвертиращи усилватели.
Вече научихме как можем да използваме Op-усилвател като усилвател на напрежение или сумиращ усилвател, така че в този урок ще научим как да използваме op-усилвателя като диференциален усилвател, за да намерим разликата в напрежението между две стойности на напрежението. Нарича се още изваждач на напрежението. Също така ще изпробваме веригата за изваждане на напрежението на макет и ще проверим дали веригата работи, както се очаква.
Основи на Op-Amp
Преди да се потопим в диференциалните Op-усилватели, нека бързо прегледаме основите на Op-Amp. Op-Amp е пет терминално устройство (единичен пакет) с два терминала (Vs +, Vs-) за захранване на устройството. От останалите три терминала два (V +, V-) се използват за сигнали, които се наричат Инвертиращ и Неинвертиращ терминал, а останалият (Vout) е изходният терминал. Основният символ на Op-Amp е показан по-долу.
Работата на Op-Amp е много проста, тя приема различното напрежение от два щифта (V +, V-), усилва го със стойност на усилване и го дава като изходно напрежение (Vout). Усилването на Op-Amp може да бъде много голямо, което го прави подходящ за аудио приложения. Винаги помнете, че входното напрежение на Op-Amp трябва да е по-малко от работното му напрежение. За да научите повече за операционния усилвател, проверете приложението му в различни схеми, базирани на операционни усилватели.
За идеален Op-усилвател входният импеданс ще бъде много висок, т.е. токът няма да тече във или извън Op-Amp през входните щифтове (V +, V-). За да разберем работата на операционния усилвател, можем широко да категоризираме веригите на операционния усилвател като отворен контур и затворен контур.
Op-amp верига с отворен контур (компаратори)
В схема с усилвател с отворен контур изходният щифт (Vout) не е свързан с нито един от входните щифтове, т.е. не се предоставя обратна връзка. В такива условия с отворен цикъл операционният усилвател работи като компаратор. Един прост сравнителен усилвател е показан по-долу. Забележете, че щифтът на Vout не е свързан с входни щифтове V1 или V2.
При това състояние, ако напрежението, подавано към V1, е по-голямо от V2, изходният Vout ще се повиши. По същия начин, ако напреженията, подавани към V2, са по-големи от V1, тогава изходният Vout ще намалее.
Op-amp верига със затворен цикъл (усилватели)
В затворена верига на операционния усилвател изходният щифт на операционния усилвател е свързан с който и да е от входния щифт, за да осигури обратна връзка. Тази обратна връзка се нарича връзка със затворен цикъл. По време на затворен цикъл Op-усилвателят работи като усилвател, по време на този режим op-amp намира много полезни приложения като буфер, последовател на напрежението, инвертиращ усилвател, неинвертиращ усилвател, сумиращ усилвател, диференциален усилвател, изваждащ напрежение и др. щифтът Vout е свързан към инвертиращия терминал, тогава той се нарича верига за отрицателна обратна връзка (показана по-долу) и ако е свързан към неинвертиращия терминал, се нарича верига за положителна обратна връзка.
Диференциален усилвател или изваждач на напрежение
Сега нека да влезем в нашата тема, Диференциален усилвател. Диференциалният усилвател по същество приема две стойности на напрежението, намира разликата между тези две стойности и го усилва. Полученото напрежение може да се получи от изходния щифт. Основна диференциална усилвателна схема е показана по-долу.
Но изчакайте !, не е ли това, което Op-Amp прави по подразбиране, дори когато няма обратна връзка, отнема два входа и предоставя техните разлики на изходния щифт. Тогава защо са ни нужни всички тези изискани резистори?
Е, да, но оп-усилвателят, когато се използва в отворен цикъл (без обратна връзка), ще има много висока неконтролирана печалба, което на практика не е полезно. Така че използваме горния дизайн, за да зададем стойността на печалбата, като използваме резистори в отрицателна обратна връзка. В нашата верига над резистора R3 действа като резистор с отрицателна обратна връзка и резисторите R2 и R4 образуват потенциален делител. Стойността на печалбата може да бъде зададена с помощта на правилната стойност на резисторите.
Как да настроите печалбата на диференциален усилвател?
На изходното напрежение на диференциалния усилвател показано по-горе може да се прилага по-долу формула
Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)
Горната формула е получена от трансферната функция на горната схема, използвайки теорема за суперпозицията. Но нека не навлизаме много в това. Можем допълнително да опростим горното уравнение, като разгледаме R1 = R2 и R3 = R4. Така че ще получим
Vout = (R3 / R1) (V2-V1), когато R1 = R2 и R3 = R4
От горната формула можем да заключим, че съотношението между R3 и R1 ще бъде равно на усилването на усилвателя.
Печалба = R3 / R1
Сега, нека заместим стойностите на резисторите за горната верига и проверим дали веригата работи според очакванията.
Симулация на схема на диференциален усилвател
Стойността на резистора, която избрах, е 10k за R1 и R2 и 22k за R3 и R4. Симулацията на веригата за същото е показана по-долу.
За целите на симулацията доставих 4V за V2 и 3.6V за V1. Резисторът 22k и 10k според формулите ще зададе коефициент на усилване 2.2 (22/10). Така че изваждането ще бъде 0,4 V (4-3,6) и ще се умножи със стойността на усилването 2,2, така че полученото напрежение ще бъде 0,88 V, както е показано в горната симулация. Нека също да проверим същото, използвайки формулата, която обсъдихме по-рано.
Vout = (R3 / R1) (V2-V1), когато R1 = R2 и R3 = R4 = (22/10) (4-3.6) = (2.2) x (0.4) = 0.88v
Тестване на веригата на диференциалния усилвател на хардуер
Сега към забавната част, нека всъщност да изградим една и съща схема на борда и да проверим дали можем да постигнем същите резултати. Използвам LM324 Op-Amp за изграждане на веригата и използвам модула за захранване Breadboard, който изградихме по-рано. Този модул може да осигури 5V и 3.3V изход, така че използвам 5V захранваща шина, за да захранвам моя операционен усилвател и 3.3V захранваща шина като V1. След това използвах моето RPS (регулирано захранване), за да осигуря 3.7V към щифта V2. Разликата между напреженията е 0,4 и имаме коефициент на усилване 2,2, който трябва да ни даде 0,88 V и точно това получих. На снимката по-долу е показана настройката и мултицетът с показанието 0.88V върху него.
Това доказва, че нашето разбиране за диференциалния усилвател е правилно и сега знаем как да проектираме самостоятелно такъв с необходимата стойност на печалбата. Пълната работа може да бъде намерена и във видеото, дадено по-долу. Тези схеми се използват по-често в приложения за контрол на силата на звука.
Но тъй като веригата има резистори от страната на входното напрежение (V1 и V2), тя не осигурява много висок входен импеданс и също така има висок общ коефициент на усилване, което води до ниско съотношение CMRR. За да се преодолеят тези недостатъци, има импровизирана версия на диференциален усилвател, наречена инструментален усилвател, но нека оставим това за друг урок.
Надявам се, че сте разбрали урока и сте се радвали да научите за диференциални усилватели. Ако имате някакви въпроси, оставете ги в раздела за коментари или използвайте форумите за повече технически въпроси и по-бърз отговор.