- Grundlæggende om Op-Amp
- Op-amp Open loop-kredsløb (komparatorer)
- Op-amp lukket kredsløb (forstærkere)
- Differentialforstærker eller spændings subtraherer
- Hvordan indstilles forstærkningen af en differentialforstærker?
- Simulering af differentieret forstærker kredsløb
- Test af differensforstærkerens kredsløb på hardware
Op-Amps blev oprindeligt udviklet til analoge matematiske beregninger, siden de i dag har vist sig at være nyttige i mange designapplikationer. Som mine professorer med rette sagde, op-forstærkere er aritmetiske spændingsregnemaskiner, de kan udføre tilføjelse af to givne spændingsværdier ved hjælp af Summing Amplifier kredsløb og forskel mellem to spændingsværdier ved hjælp af en Differential Amplifier. Bortset fra dette bruges Op-Amp også almindeligt som inverterende forstærkere og ikke-inverterende forstærkere.
Vi har allerede lært, hvordan vi kan bruge en Op-Amp som en Voltage Adder eller Summing Forstærker, så i denne tutorial lærer vi, hvordan man bruger op-amp som en Differential forstærker til at finde spændingsforskellen mellem to spændingsværdier. Det kaldes også Voltage Subtractor. Vi vil også prøve spændingstraktionskredsløbet på et brødbræt og kontrollere, om kredsløbet fungerer som forventet.
Grundlæggende om Op-Amp
Før vi dykker ned i de forskellige Op-forstærkere, lad os hurtigt løbe igennem det grundlæggende i Op-Amp. En Op-Amp er en fem terminalenhed (enkelt pakke) med to terminaler (Vs +, Vs-) til strømforsyning til enheden. Af de resterende tre terminaler anvendes to (V +, V-) til signaler, der kaldes den inverterende og ikke-inverterende terminal, og den resterende (Vout) er udgangsterminalen. Basissymbolet for en Op-Amp er vist nedenfor.
Arbejdet med en Op-Amp er meget enkel, det tager den forskellige spænding fra to ben (V +, V-), forstærker den med en Gain-værdi og giver den som udgangsspænding (Vout). Gevinsten ved en Op-Amp kan være meget høj, hvilket gør den velegnet til lydapplikationer. Husk altid, at Op-Amps indgangsspænding skal være mindre end dens driftsspænding. Hvis du vil vide mere om op-amp, skal du kontrollere dets anvendelse i forskellige op-amp-baserede kredsløb.
For en ideel op-forstærker vil indgangsimpedansen være meget høj, dvs. ingen strøm vil strømme ind eller ud af op-forstærkeren gennem indgangsstifterne (V +, V-). For at forstå funktionen af op-amp kan vi bredt kategorisere op-amp-kredsløbene som open loop og closed loop.
Op-amp Open loop-kredsløb (komparatorer)
I et open-loop op-amp kredsløb er output pin (Vout) ikke forbundet med nogen af input pinsene, der er ingen feedback. Under sådanne åbne loop-forhold fungerer op-amp som en komparator. En simpel op-amp-komparator er vist nedenfor. Bemærk, at Vout-stiften ikke er forbundet med indgangsstifterne V1 eller V2.
I denne tilstand, hvis spændingen leveret til V1 er større end V2, vil udgangen Vout blive høj. Ligeledes hvis de spændinger, der leveres til V2, er større end V1, vil output Vout ligge lavt.
Op-amp lukket kredsløb (forstærkere)
I et lukket kredsløb op-amp kredsløb er output-pin på op-amp forbundet med en af input-pin for at give en feedback. Denne feedback kaldes lukket kredsløb. Under lukket sløjfe fungerer en Op-forstærker som en forstærker, det er i denne tilstand, en op-forstærker finder mange nyttige applikationer som buffer, spændingsfølger, Inverterende forstærker, Ikke-inverterende forstærker, Summingsforstærker, Differentialforstærker, Spændings subtraherer osv. Hvis Vout-stiften er forbundet til den inverterende terminal, så kaldes den som negativ feedback-kredsløb (vist nedenfor), og hvis den er forbundet til den ikke-inverterende terminal, kaldes den som det positive feedback-kredsløb.
Differentialforstærker eller spændings subtraherer
Lad os nu komme ind på vores emne, Differential Amplifier. En differensforstærker tager dybest set to spændingsværdier, finder forskellen mellem disse to værdier og forstærker den. Den resulterende spænding kan opnås fra udgangsstiften. Et grundlæggende Differential forstærker kredsløb er vist nedenfor.
Men vent !, er det ikke, hvad en Op-Amp gør som standard, selvom den ikke har nogen feedback, det tager to indgange og giver deres forskelle på output pin. Så hvorfor har vi brug for alle disse smarte modstande til?
Nå ja, men op-amp, når det bruges i åben loop (uden feedback), vil have en meget høj ukontrolleret forstærkning, hvilket praktisk talt ikke er nyttigt. Så vi bruger ovenstående design til at indstille værdien af forstærkning ved hjælp af modstande i en negativ feedback-loop. I vores kredsløb over modstanden fungerer R3 som en negativ feedback-modstand, og modstandene R2 og R4 danner en potentialdeler. Værdien af forstærkning kan indstilles ved hjælp af den rigtige værdi af modstande.
Hvordan indstilles forstærkningen af en differentialforstærker?
Den udgangsspænding differentialforstærkeren vist ovenfor kan gives med nedenstående formel
Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)
Ovenstående formel blev opnået fra overføringsfunktionen af ovenstående kredsløb ved anvendelse af superpositionssætning. Men lad os ikke komme meget ind på det. Vi kan yderligere forenkle ovenstående ligning ved at overveje R1 = R2 og R3 = R4. Så vi får det
Vout = (R3 / R1) (V2-V1) når R1 = R2 og R3 = R4
Fra ovenstående formel kan vi konkludere, at forholdet mellem R3 og R1 vil være lig med forstærkerens forstærkning.
Forøgelse = R3 / R1
Lad os nu erstatte modstandsværdier for ovenstående kredsløb og kontrollere, om kredsløbet fungerer som forventet.
Simulering af differentieret forstærker kredsløb
Modstandsværdien, som jeg har valgt, er 10k for R1 og R2 og 22k for R3 og R4. Kredsløbssimuleringen for det samme er vist nedenfor.
Med henblik på simulering har jeg leveret 4V til V2 og 3.6V til V1. Modstanden 22k og 10k ifølge formlerne indstiller en forstærkning på 2,2 (22/10). Så subtraktionen bliver 0,4V (4-3,6), og den multipliceres med forstærkningsværdien 2,2, så den resulterende spænding bliver 0,88V som vist i ovenstående simulering. Lad os også kontrollere det samme ved hjælp af formlen, som vi diskuterede tidligere.
Vout = (R3 / R1) (V2-V1) når R1 = R2 og R3 = R4 = (22/10) (4-3.6) = (2.2) x (0.4) = 0.88v
Test af differensforstærkerens kredsløb på hardware
Nu til den sjove del, lad os faktisk bygge det samme kredsløb på brødbrættet og kontrollere, om vi er i stand til at opnå de samme resultater. Jeg bruger LM324 Op-Amp til at opbygge kredsløbet og bruger Breadboard-strømforsyningsmodulet, som vi byggede tidligere. Dette modul kan levere 5V og 3.3V output, så jeg bruger 5V power rail til at drive min op-amp og 3.3V power rail som V1. Derefter brugte jeg min RPS (reguleret strømforsyning) til at levere 3,7V til pin V2. Forskellen mellem spændingerne er 0,4, og vi har en forstærkning på 2,2, som skal give os 0,88V, og det er præcis, hvad jeg fik. Billedet nedenfor viser opsætningen og multimeteret med aflæsningen 0,88V på.
Dette beviser, at vores forståelse af differentiel op-amp er korrekt, og nu ved vi, hvordan man designer en på egen hånd med den krævede forstærkningsværdi. Det komplette arbejde kan også findes i videoen nedenfor. Disse kredsløb bruges oftere i volumenkontrolapplikationer.
Men da kredsløbet har modstande på indgangsspændingssiden (V1 og V2), giver det ikke meget høj indgangsimpedans og har også en høj common mode-forstærkning, der fører til lavt CMRR-forhold. For at overvinde disse ulemper findes der en improviseret version af differentialforstærker kaldet instrumentationsforstærkeren, men lad os lade det være til en anden tutorial.
Håber du forstod vejledningen og nød at lære om differentialforstærkere. Hvis du har spørgsmål, skal du lade dem være i kommentarsektionen eller bruge foraerne til mere tekniske spørgsmål og hurtigere svar.