- Hva er en instrumentasjonsforsterker IC?
- Forstå instrumentasjonsforsterkeren
- Forskjellen mellom differensialforsterker og instrumentasjonsforsterker
- Instrumentasjonsforsterker ved hjelp av Op-amp (LM358)
- Simulering av instrumentasjonsforsterker
- Testing av instrumentasjonsforsterkerkretsen på maskinvare
Nesten alle typer sensorer og transdusere konverterer virkelige parametere som lys, temperatur, vekt osv. Til spenningsverdier for at våre elektroniske systemer skal forstå det. Variasjonen i dette spenningsnivået vil hjelpe oss med å analysere / måle de virkelige parametrene, men i noen applikasjoner som biomedisinske sensorer er denne variasjonen veldig liten (signaler på lavt nivå), og det er veldig viktig å holde oversikt over til og med den lille variasjonen til få pålitelige data. I disse applikasjonene brukes en instrumentasjonsforsterker.
En instrumentasjonsforsterker aka INO eller in-ampere som navnet antyder forsterker variasjonen i spenning og gir en differensialutgang som alle andre op-ampere. Men i motsetning til en vanlig forsterker vil instrumentasjonsforsterkerne ha høy inngangsimpedans med god forsterkning, samtidig som de gir vanlig modus støyavvisning med fullt differensielle innganger. Det er greit hvis du ikke får det nå, i denne artikkelen vil vi lære om disse instrumentasjonsforsterkerne, og siden disse IC-ene er relativt dyre enn Op-forsterkere, vil vi også lære å bruke normal Op-amp som LM385 eller LM324 for å bygge en Instrumentasjonsforsterker og bruk den til våre applikasjoner. Op-forsterkere kan også brukes til å bygge spenningsadder og spenningstraktorkrets.
Hva er en instrumentasjonsforsterker IC?
Bortsett fra vanlige IC-forsterkere, har vi noen spesielle forsterkere for instrumentasjonsforsterker som INA114 IC. Det er ikke annet enn få normale op-forsterkere kombinert sammen for visse spesifikke applikasjoner. For å forstå mer om dette kan vi se på databladet til INA114 for det interne kretsskjemaet.
Som du kan se, tar IC to signalspenninger V IN - og V IN +, la oss betrakte dem som V1 og V2 fra nå av for å forstå. Utgangsspenningen (V O) kan beregnes ved hjelp av formlene
V O = G (V2 - V1)
Hvor G er forsterkningen til op-amp og kan stilles inn ved hjelp av den eksterne motstanden RG og beregnes ved hjelp av formlene nedenfor
G = 1+ (50k Ω / RG)
Merk: Verdien 50k ohm gjelder bare for INA114 IC siden den bruker motstander på 25k (25 + 25 = 50). Du kan beregne verdien for henholdsvis andre kretser.
Så hvis du ser på det, gir en In-amp bare forskjellen mellom to spenningskilder med en forsterkning som kan stilles inn av en ekstern motstand. Høres dette kjent ut? Hvis ikke, ta en titt på differensialforsterkerens design og kom tilbake.
Ja !, dette er nøyaktig hva en differensialforsterker gjør, og hvis du ser nærmere på, kan du til og med oppdage at op-amp A3 i bildet ovenfor ikke er noe annet enn en differensialforsterkerkrets. Så i lekmannstilstand er en Instrumentation-amp enda en annen differensialforsterker, men med flere fordeler som høy inngangsimpedans og enkel forsterkningskontroll osv. Disse fordelene skyldes de to andre op-ampene (A2 og A1) i designet, vi vil lære mer om det i neste overskrift.
Forstå instrumentasjonsforsterkeren
For å forstå instrumentasjonsforsterkeren fullstendig, la oss dele det ovennevnte bildet i meningsfylte blokker som vist nedenfor.
Som du kan se, er In-Amp bare en kombinasjon av to Buffer op-amp krets og en differensial op-amp krets. Vi har lært om begge disse op-amp designene hver for seg, nå skal vi se hvordan de kombineres for å danne en differensiell Op-amp.
Forskjellen mellom differensialforsterker og instrumentasjonsforsterker
Vi har allerede lært hvordan vi designer og bruker en differensialforsterker i vår forrige artikkel. Få betydelig ulempe med differensialforsterker er at den har veldig lav inngangsimpedans på grunn av inngangsmotstandene og har svært lav CMRR på grunn av den høye fellesmodusforsterkningen. Disse vil bli overvunnet i en instrumentasjonsforsterker på grunn av bufferkretsen.
Også i en differensialforsterker trenger vi å endre mange motstander for å endre forsterkningsverdien til forsterkeren, men i en differensialforsterker kan vi kontrollere forsterkningen ved å bare justere en motstandsverdi.
Instrumentasjonsforsterker ved hjelp av Op-amp (LM358)
La oss nå bygge en praktisk instrumentasjonsforsterker ved hjelp av op-amp og sjekke hvordan den fungerer. Den op-amp instrumentering forsterker krets som jeg bruker er gitt nedenfor.
Kretsen krever tre op-forsterkere alt sammen; Jeg har brukt to LM358 IC-er. LM358 er en dobbeltpakke op-amp, det vil si at den har to op-forsterkere i en pakke, så vi trenger to av dem for kretsen vår. På samme måte kan du også bruke tre enkeltpakke LM741 op-amp eller en quad-pakke LM324 op-amp.
I den ovennevnte kretsen fungerer op-amp U1: A og U1: B som en spenningsbuffer, dette hjelper til med å oppnå høy inngangsimpedans. Op-amp U2: A fungerer som en differensial op-amp. Siden alle motstandene til differensialforsterkeren er 10k, fungerer den som en enhetsforsterkningsdifferensialforsterker, noe som betyr at utgangsspenningen vil være forskjellen på spenningen mellom pin 3 og pin 2 i U2: A.
Den utgangsspenning Instrumentation forsterkerkretsen kan beregnes ved hjelp av den nedenfor formler.
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))
Hvor, R = Motstand verdier kretsen. Her R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 som er 10k
Rg = Gain Resistor. Her er Rg = R1som er 22k.
Så verdien av R og Rg bestemmer forsterkeren. Verdien av gevinst kan beregnes av
Gevinst = (1+ (2R / Rg))
Simulering av instrumentasjonsforsterker
Ovennevnte krets når simulert gir følgende resultater.
Som du kan se er inngangsspenningene V1 2,8V og V2 er 3,3V. Verdien av R er 10k og verdien av Rg er 22k. Å sette alle disse verdiene i formlene ovenfor
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3.3-2.8) (1+ (2x10 / 22)) = (0.5) * (1.9) = 0.95V
Vi får verdien av utgangsspenningen til å være 0,95V som samsvarer med simuleringen ovenfor. Så gevinsten til den ovennevnte kretsen er 1,9 og spenningsforskjellen er 0,5V. Så denne kretsen vil i utgangspunktet måle forskjellen mellom inngangsspenningene og multiplisere den med forsterkningen og produsere den som utgangsspenning.
Du kan også legge merke til at inngangsspenningen V1 og V2 vises over motstanden Rg. Dette skyldes negativ tilbakemelding fra Op-amp U1: A og U1: B. Dette sikrer at spenningsfallet over Rg er lik spenningsforskjellen mellom V1 og V2, som får lik mengde strøm til å strømme gjennom motstandene R5 og R6, noe som gjør spenningen på pinne 3 og pinne 2 lik på op-amp U2: A. Hvis du måler spenningen før motstandene, kan du se den faktiske utgangsspenningen fra op-amp U1: A og U1: B hvis forskjell vil være lik utgangsspenningen som vist ovenfor i simuleringen.
Testing av instrumentasjonsforsterkerkretsen på maskinvare
Nok teori lar faktisk bygge den samme kretsen på et brødbord og måle spenningsnivåene. Min tilkoblingsoppsett er vist nedenfor.
Jeg har brukt brødforsyningen som vi bygde tidligere. Dette kortet kan levere både 5V og 3,3V. Jeg bruker 5V-skinnen til å drive mine begge op-forsterkerne og 3.3V som signalinngangsspenning V2. Den andre inngangsspenningen V2 er satt til 2.8V ved bruk av min RPS. Siden jeg også har brukt 10k motstand for R og 22k motstand for R1, vil forsterkningen på kretsen være 1,9. Differansespenningen er 0,5V og forsterkningen er 1,9 produkt som vil gi oss 0,95V som utgangsspenning som måles og vises i bildet ved hjelp av et multimeter. Den komplette arbeider av instrumentering forsterker krets er show i videoen linket under.
På samme måte kan du endre verdien på R1 for å stille inn gevinsten etter behov ved å bruke formlene diskutert ovenfor. Siden forsterkningen av denne forsterkeren kan styres veldig enkelt ved hjelp av en enkelt motstand, brukes den ofte i volumkontroll for lydkretser.
Håper du forsto kretsen og likte å lære noe nyttig. Hvis du har spørsmål, la dem være i kommentarseksjonen nedenfor, eller bruk forumet for raskere respons.