- Grunnleggende om Op-Amp
- Op-amp Åpen sløyfekrets (komparatorer)
- Op-amp lukket krets (forsterkere)
- Differensialforsterker eller spenningssubstraktor
- Hvordan stille inn forsterkningen til en differensialforsterker?
- Simulering av differensialforsterkerkrets
- Testing av differensialforsterkerkretsen på maskinvare
Op-Amps ble opprinnelig utviklet for analoge matematiske beregninger, siden i dag har de vist seg å være nyttige i mange designapplikasjoner. Som professorene mine med rette sa, op-ampere er aritmetiske spenningsregnemaskiner, de kan utføre tillegg av to gitte spenningsverdier ved hjelp av Summing Amplifier-kretsen og forskjell mellom to spenningsverdier ved hjelp av en Differential Forsterker. Bortsett fra dette brukes Op-Amp også ofte som inverterende forsterkere og ikke-inverterende forsterkere.
Vi har allerede lært hvordan vi kan bruke en Op-Amp som en Voltage Adder eller Summing Amplifier, så i denne opplæringen vil vi lære å bruke op-amp som en Differensialforsterker for å finne spenningsforskjellen mellom to spenningsverdier. Det kalles også Voltage Subtractor. Vi vil også prøve spenningstraktorkretsen på et brødbord og sjekke om kretsen fungerer som forventet.
Grunnleggende om Op-Amp
Før vi dykker inn i de forskjellige op-forsterkere, la oss raskt gå gjennom det grunnleggende om Op-Amp. En Op-Amp er en fem terminalenhet (enkelt pakke) med to terminaler (Vs +, Vs-) for å drive enheten. Av de resterende tre terminalene brukes to (V +, V-) til signaler som kalles Inverterende og ikke-inverterende terminal, og den gjenværende (Vout) er utgangsterminalen. Grunnsymbolet til en Op-Amp er vist nedenfor.
Arbeidet til en Op-Amp er veldig enkelt, den tar inn den forskjellige spenningen fra to pinner (V +, V-), forsterker den med en Gain-verdi og gir den som utgangsspenning (Vout). Gevinsten av en Op-Amp kan være veldig høy, noe som gjør den egnet for lydapplikasjoner. Husk alltid at inngangsspenningen til Op-Amp skal være mindre enn driftsspenningen. For å lære mer om op-amp, sjekk applikasjonen i forskjellige op-amp-baserte kretser.
For en ideell op-forsterker vil inngangsimpedansen være veldig høy, det vil si at ingen strøm vil strømme inn eller ut av Op-forsterkeren gjennom inngangspinnene (V +, V-). For å forstå funksjonen til op-amp kan vi i stor grad kategorisere op-amp kretsene som open loop og closed loop.
Op-amp Åpen sløyfekrets (komparatorer)
I en åpen sløyfe-forsterkerkrets er ikke utgangspinnen (Vout) koblet til noen av inngangspinnene, det er ingen tilbakemelding. Under slike åpne loop-forhold fungerer op-amp som en komparator. En enkel op-amp-komparator er vist nedenfor. Legg merke til at Vout-pinnen ikke er koblet til inngangspinnene V1 eller V2.
I denne tilstanden, hvis spenningen som tilføres V1 er større enn V2, vil utgangen Vout bli høy. På samme måte hvis spenningene som leveres til V2 er større enn V1, vil utgangen Vout bli lav.
Op-amp lukket krets (forsterkere)
I en lukket sløyfe-forsterker-krets er utgangsstiften til op-forsterkeren koblet til den ene av inngangstappen for å gi tilbakemelding. Denne tilbakemeldingen kalles lukket sløyfetilkobling. Under lukket sløyfe fungerer en Op-amp som en forsterker, det er i denne modusen en op-amp finner mange nyttige applikasjoner som buffer, spenningsfølger, Inverterende forsterker, Ikke-inverterende forsterker, Summing forsterker, Differensialforsterker, Spennings subtraher osv. Hvis Vout-pinnen er koblet til den inverterende terminalen, så kalles den som negativ tilbakekoblingskrets (vist nedenfor), og hvis den er koblet til den ikke-inverterende terminalen, kalles den som den positive tilbakekoblingskretsen.
Differensialforsterker eller spenningssubstraktor
La oss nå komme inn på temaet vårt, Differensialforsterker. En differensialforsterker tar i utgangspunktet to spenningsverdier, finner forskjellen mellom disse to verdiene og forsterker den. Den resulterende spenningen kan oppnås fra utgangspinnen. En grunnleggende differensialforsterkerkrets er vist nedenfor.
Men vent !, er ikke dette en Op-Amp gjør som standard selv om den ikke har noen tilbakemelding, den tar to innganger og gir forskjellene på utgangspinnen. Så hvorfor trenger vi alle disse fancy motstandene for?
Vel ja, men op-amp når den brukes i åpen sløyfe (uten tilbakemelding) vil ha en veldig høy ukontrollert forsterkning som praktisk talt ikke er nyttig. Så vi bruker ovennevnte design for å sette verdien av forsterkningen ved hjelp av motstander i en negativ tilbakemeldingssløyfe. I vår krets over motstanden fungerer R3 som en negativ tilbakemeldingsmotstand og motstandene R2 og R4 danner en potensiell skillelinje. Verdien av forsterkning kan stilles inn ved å bruke riktig verdi på motstandene.
Hvordan stille inn forsterkningen til en differensialforsterker?
Den utgangsspenning fra operasjonsforsterkeren er vist ovenfor kan bli gitt ved den under formel
Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)
Ovennevnte formel ble oppnådd fra overføringsfunksjonen til ovennevnte krets ved bruk av superposisjonssetning. Men la oss ikke komme så mye inn på det. Vi kan ytterligere forenkle ligningen ovenfor ved å vurdere R1 = R2 og R3 = R4. Så vi får
Vout = (R3 / R1) (V2-V1) når R1 = R2 og R3 = R4
Fra formelen ovenfor kan vi konkludere med at forholdet mellom R3 og R1 vil være lik forsterkeren til forsterkeren.
Gevinst = R3 / R1
La oss nå erstatte motstandsverdier for kretsen ovenfor og sjekke om kretsen fungerer som forventet.
Simulering av differensialforsterkerkrets
Motstandsverdien jeg har valgt er 10k for R1 og R2 og 22k for R3 og R4. Kretssimuleringen for det samme er vist nedenfor.
For simuleringsformål har jeg levert 4V for V2 og 3.6V for V1. Motstanden 22k og 10k ifølge formlene vil sette en forsterkning på 2,2 (22/10). Så subtraksjonen vil være 0,4V (4-3,6) og den vil bli multiplisert med forsterkningsverdien 2,2 slik at den resulterende spenningen blir 0,88V som vist i simuleringen ovenfor. La oss også verifisere det samme ved hjelp av formelen som vi diskuterte tidligere.
Vout = (R3 / R1) (V2-V1) når R1 = R2 og R3 = R4 = (22/10) (4-3.6) = (2.2) x (0.4) = 0.88v
Testing av differensialforsterkerkretsen på maskinvare
Nå til den morsomme delen, la oss faktisk bygge den samme kretsen på brødplaten og sjekke om vi kan oppnå de samme resultatene. Jeg bruker LM324 Op-Amp for å bygge kretsen og bruker Breadboard-strømforsyningsmodulen som vi bygde tidligere. Denne modulen kan gi 5V og 3.3V utgang, så jeg bruker 5V power rail for å drive min op-amp og 3.3V power rail som V1. Så brukte jeg RPS-en min (Regulated Power Supply) for å gi 3,7V til pinnen V2. Forskjellen mellom spenningene er 0,4 og vi har en forsterkning på 2,2 som skal gi oss 0,88V og det er akkurat det jeg fikk. Bildet nedenfor viser oppsettet og multimeteret med avlesningen 0.88V på.
Dette beviser at vår forståelse av differensial op-amp er riktig, og nå vet vi hvordan vi skal designe en alene med den nødvendige forsterkningsverdien. Komplett arbeid kan også bli funnet i videoen gitt nedenfor. Disse kretsene brukes oftere i volumkontrollapplikasjoner.
Men siden kretsen har motstander på inngangsspenningssiden (V1 og V2), gir den ikke veldig høy inngangsimpedans og har også en høy felles modusforsterkning som fører til lavt CMRR-forhold. For å overvinne disse ulempene finnes det en improvisert versjon av differensialforsterker kalt instrumentasjonsforsterkeren, men la oss la det være til en annen opplæring.
Håper du forsto opplæringen og likte å lære om differensialforsterkere. Hvis du har spørsmål, kan du legge dem i kommentarseksjonen eller bruke forumene for mer tekniske spørsmål og raskere svar.