Instrumentationsforstærkerkredsløb ved hjælp af op

Næsten alle typer sensorer og transducere konverterer virkelige parametre som lys, temperatur, vægt osv. Til spændingsværdier, så vores elektroniske systemer kan forstå det. Variationen i dette spændingsniveau hjælper os med at analysere / måle de virkelige parametre, men i nogle applikationer som biomedicinske sensorer er denne variation meget lille (signaler på lavt niveau), og det er meget vigtigt at holde styr på selv den lille variation til få pålidelige data. I disse applikationer anvendes en instrumentationsforstærker.

En instrumentationsforstærker aka INO eller in-ampere, som navnet antyder, forstærker variationen i spænding og giver en differentiel output som enhver anden op-amp. Men i modsætning til en normal forstærker vil instrumentationsforstærkerne have høj indgangsimpedans med god forstærkning, samtidig med at de giver støjafvisning i almindelig tilstand med fuldt differentiale indgange. Det er okay, hvis du ikke får det nu, i denne artikel lærer vi om disse instrumentationsforstærkere, og da disse IC'er er relativt dyre end Op-forstærkere, lærer vi også, hvordan man bruger normal Op-forstærker som LM385 eller LM324 til at opbygge en Instrumentationsforstærker og brug den til vores applikationer. Op-forstærkere kan også bruges til at opbygge spændingsadder og spændingstraktorkredsløb.

Hvad er en instrumentationsforstærker IC?

Bortset fra normale op-forstærkere IC har vi nogle specielle forstærkere til instrumentationsforstærker som INA114 IC. Det er intet andet end få normale op-forstærkere kombineret til bestemte specifikke applikationer. For at forstå mere om dette kan vi se på databladet til INA114 for dets interne kredsløbsdiagram.

Som du kan se IC tager i to signal spændinger V _IN - og V _IN +, lad os overveje dem som V1 og V2 fra nu for at lette forståelsen. Udgangsspændingen (V _O) kan beregnes ved hjælp af formlerne

V _O = G (V2 - V1)

Hvor G er forstærkningen af op-amp og kan indstilles ved hjælp af den eksterne modstand _RG og beregnes ved hjælp af nedenstående formler

G = 1+ (50k Ω / RG)

Bemærk: Værdien 50k ohm gælder kun for INA114 IC, da den bruger modstande på 25k (25 + 25 = 50). Du kan beregne værdien for henholdsvis andre kredsløb.

Så dybest set nu, hvis du ser på det, giver en In-amp bare forskellen mellem to spændingskilder med en forstærkning, der kan indstilles af en ekstern modstand. Lyder det velkendt? Hvis ikke, kig på Differential forstærkerens design og kom tilbage.

Ja !, dette er præcis, hvad en Differentialforstærker gør, og hvis du ser nærmere på, kan du endda finde ud af, at op-amp A3 i ovenstående billede kun er et Differentialforstærkerkredsløb. Så i lægmandssprog er en instrumentationsforstærker endnu en slags differentiel forstærker, men med flere fordele som høj indgangsimpedans og nem forstærkningskontrol osv. Disse fordele skyldes de to andre op-forstærkere (A2 og A1) i designet, vi lærer mere om det i næste overskrift.

Forståelse af instrumentationsforstærkeren

For at forstå instrumentationsforstærkeren fuldstændigt, lad os nedbryde det ovenstående billede i meningsfulde blokke som vist nedenfor.

Som du kan se, er In-Amp kun en kombination af to Buffer op-amp kredsløb og et differentielt op-amp kredsløb. Vi har lært om begge disse op-amp design individuelt, nu vil vi se, hvordan de kombineres til at danne en differentiel Op-amp.

Forskel mellem differensforstærker og instrumentationsforstærker

Vi har allerede lært, hvordan man designer og bruger en differentialforstærker i vores tidligere artikel. Få betydelige ulemper ved differentiel forstærker er, at den har meget lav indgangsimpedans på grund af indgangsmodstandene og har meget lav CMRR på grund af den høje fælles forstærkning. Disse overvindes i en instrumentationsforstærker på grund af bufferkredsløbet.

Også i en differentialforstærker er vi nødt til at ændre mange modstande for at ændre forstærkerens forstærkningsværdi, men i en differentialforstærker kan vi styre forstærkningen ved blot at justere en modstandsværdi.

Instrumentationsforstærker ved hjælp af Op-amp (LM358)

Lad os nu bygge en praktisk instrumentationsforstærker ved hjælp af op-amp og kontrollere, hvordan den fungerer. Det op-amp instrumentationsforstærkerkredsløb, som jeg bruger, er angivet nedenfor.

Kredsløbet kræver tre op-forstærkere alt sammen; Jeg har brugt to LM358 IC'er. LM358 er en dobbelt pakke op-forstærker, det vil sige, at den har to op-forstærkere i en pakke, så vi har brug for to af dem til vores kredsløb. På samme måde kan du også bruge tre enkeltpakke LM741 op-amp eller en quad-pakke LM324 op-amp.

I ovenstående kredsløb fungerer op-amp U1: A og U1: B som en spændingsbuffer, dette hjælper med at opnå høj indgangsimpedans. Op-amp U2: A fungerer som en differentiel op-amp. Da alle modstandene til differentiel op-amp er 10k, fungerer det som en enhedsforstærkerdifferentialforstærker, hvilket betyder, at udgangsspændingen vil være forskellen i spænding mellem pin 3 og pin 2 i U2: A.

Den udgangsspænding Instrumentation forstærkerkredsløb kan beregnes under anvendelse af nedenstående formler.

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))

Hvor, R = Modstandsværdi kredsløbet. Her er R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7, hvilket er 10k

Rg = Gain Resistor. Her er Rg = R1som er 22k.

Så værdien af R og Rg bestemmer forstærkerens forstærkning. Værdien af gevinsten kan beregnes ved hjælp af

Forstærkning = (1+ (2R / Rg))

Simulering af instrumentationsforstærker

Ovenstående kredsløb, når det er simuleret, giver følgende resultater.

Som du kan se er indgangsspændingerne V1 2,8V, og V2 er 3,3V. Værdien af R er 10k og værdien af Rg er 22k. At sætte alle disse værdier i ovenstående formler

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3.3-2.8) (1+ (2x10 / 22)) = (0.5) * (1.9) = 0.95V

Vi får værdien af udgangsspændingen til at være 0,95V, hvilket svarer til ovenstående simulering. Så gevinsten for ovenstående kredsløb er 1,9, og spændingsforskellen er 0,5V. Så dette kredsløb må dybest set måle forskellen mellem indgangsspændingerne og multiplicere det med forstærkningen og producere det som udgangsspænding.

Du kan også bemærke, at indgangsspændingen V1 og V2 vises over modstanden Rg, dette skyldes den negative feedback fra Op-amp U1: A og U1: B. Dette sikrer, at spændingsfaldet over Rg er lig med spændingsforskellen mellem V1 og V2, hvilket får den samme strøm til at strømme gennem modstandene R5 og R6, hvilket gør spændingen på pin 3 og pin 2 lig med op-amp U2: A. Hvis du måler spændingen før modstande, kan du se den faktiske udgangsspænding fra op-amp U1: A og U1: B, hvis forskel vil være lig med udgangsspændingen som vist ovenfor i simuleringen.

Test af instrumentationsforstærkerens kredsløb på hardware

Nok teori lader faktisk bygge det samme kredsløb på et brødbræt og måle spændingsniveauerne. Min forbindelsesopsætning vises nedenfor.

Jeg har brugt den strømforsyning, vi byggede tidligere. Dette kort kunne levere både 5V og 3,3V. Jeg bruger 5V-skinnen til at drive mine begge op-forstærkere og 3.3V som signalindgangsspænding V2. Den anden indgangsspænding V2 er indstillet til 2,8 V ved hjælp af min RPS. Da jeg også har brugt 10k modstand til R og 22k modstand til R1, vil kredsløbets forstærkning være 1,9. Forskellen spænding er 0,5V og forstærkningen er 1,9 produkt, hvoraf giver os 0,95V som udgangsspænding, der måles og vises i billedet ved hjælp af et multimeter. Den komplette bearbejdning af instrumentationsforstærkerkredsløb vises i videoen, der er linket nedenfor.

På samme måde kan du ændre værdien af R1 for at indstille forstærkningen efter behov ved hjælp af formlerne beskrevet ovenfor. Da forstærkerens forstærkning kan styres meget let ved hjælp af en enkelt modstand, bruges den ofte til lydstyrkekontrol til lydkredsløb.

Håber du forstod kredsløbet og nød at lære noget nyttigt. Hvis du har spørgsmål, skal du lade dem være i kommentarfeltet nedenfor eller bruge forummet til hurtigere svar.