Differenciálerősítő vagy feszültség levonó áramkör

Az Op-Amps-t eredetileg analóg matematikai számításokhoz fejlesztették ki, azóta mára számos tervezési alkalmazásban hasznosnak bizonyultak. Amint professzoraim helyesen mondták, az op-amperek számtani feszültségszámológépek, két megadott feszültségérték hozzáadását végezhetik el az összegző erősítő áramkörével, és két feszültségérték közötti különbséget differenciálerősítővel. Ettől eltekintve az Op-Amp-ot általában invertáló erősítőként és nem invertáló erősítőként is használják.

Már megtanultuk, hogyan használhatjuk az Op-Amp-ot feszültség-összeadóként vagy összegző erősítőként, ezért ebben az oktatóanyagban megtanuljuk, hogyan kell az op-amp-ot differenciálerősítőként használni a két feszültségérték közötti feszültségkülönbség megtalálásához. Feszültség kivonónak is hívják. Kipróbáljuk a feszültség levonó áramkört egy kenyérlapon is, és ellenőrizzük, hogy az áramkör a várt módon működik-e.

Az Op-Amp alapjai

Mielőtt belemerülnénk a differenciál Op-erősítőkbe, gyorsan nézzük át az Op-Amp alapjait. Az Op-Amp egy öt terminálos készülék (egy csomag), két terminállal (Vs +, Vs-) az eszköz áramellátásához. A fennmaradó három terminál közül kettőt (V +, V-) használnak jelek számára, amelyeket invertáló és nem invertáló terminálnak hívnak, a fennmaradó (Vout) pedig a kimeneti terminál. Az Op-Amp alapvető szimbóluma az alábbiakban látható.

Az Op-Amp működése nagyon egyszerű, felveszi a két tüskétől eltérő feszültséget (V +, V-), erősítéssel erősíti azt és kimeneti feszültségként adja meg (Vout). Az Op-Amp erősítése nagyon magas lehet, így alkalmas audio alkalmazásokhoz. Mindig emlékezzen arra, hogy az Op-Amp bemeneti feszültségének kisebbnek kell lennie, mint az üzemi feszültség. Ha többet szeretne megtudni az op-amp-ról, ellenőrizze annak alkalmazását a különböző op-amp alapú áramkörökben.

Ideális Op-Amp esetén a bemeneti impedancia nagyon magas lesz, vagyis nem áram áramlik be vagy ki az Op-Amp-ba a bemeneti csapokon keresztül (V +, V-). Az op-amp működésének megértése érdekében széles körben kategorizálhatjuk az op-amp áramköröket nyitott és zárt hurokként.

Op-amp nyitott hurkú áramkör (összehasonlítók)

Nyitott hurkú op-amp áramkörben a kimeneti tű (Vout) nincs csatlakoztatva egyik bemeneti csaphoz sem, vagyis nincs visszacsatolás. Ilyen nyílt hurkú körülmények között az op-amp komparátorként működik. Az alábbiakban egy egyszerű op-amp komparátor látható. Figyelje meg, hogy a Vout tű nem csatlakozik a V1 vagy V2 bemeneti csapokhoz.

Ebben az esetben, ha a V1-be táplált feszültség nagyobb, mint V2, akkor a Vout kimenet magas lesz. Hasonlóképpen, ha a V2-re táplált feszültségek nagyobbak, mint V1, akkor a Vout kimenet alacsony lesz.

Op-amp zárt hurkú áramkör (erősítők)

Zárt hurkú op-amp áramkörben az op-amp kimeneti csatlakozója a bemeneti tűk bármelyikéhez csatlakozik, hogy visszajelzést adjon. Ezt a visszacsatolást zárt hurok kapcsolatnak hívják. Zárt hurok alatt egy Op-erősítő erősítőként működik, ebben az üzemmódban egy op-erősítő számos hasznos alkalmazást talál, például puffert, feszültségkövetőt, inverteres erősítőt, nem inverteres erősítőt, összegző erősítőt, differenciálerősítőt, feszültségvonót stb. a Vout csap csatlakozik az Invertáló terminálhoz, majd negatív visszacsatolási áramkörnek hívják (az alább látható), és ha a Nem Invertáló terminálhoz csatlakozik, akkor Pozitív visszacsatoló áramkörnek hívják.

Differenciálerősítő vagy feszültség levonó

Most térjünk rá a témánkra, a Differenciálerősítőre. A differenciálerősítő alapvetően két feszültségértéket vesz fel, megtalálja a különbséget e két érték között és felerősíti. Az így kapott feszültség a kimeneti csapból szerezhető be. Az alábbiakban egy alapvető differenciálerősítő áramkört mutatunk be.

De várj !, nem ezt teszi az Op-Amp alapértelmezés szerint akkor is, ha nincs visszajelzése, két bemenetre van szükség, és megadja a különbségeket a kimeneti tűn. Akkor miért van szükségünk ezekre a fantasztikus ellenállásokra?

Igen, de az op-amp, ha nyílt hurokban (visszacsatolás nélkül) használjuk, nagyon magas, ellenőrizetlen erősítéssel rendelkezik, ami gyakorlatilag nem hasznos. Tehát a fenti terv alapján állítjuk be az erősítés értékét az ellenállások segítségével egy negatív visszacsatolási ciklusban. A fenti áramkörünkben az R3 negatív visszacsatolásos ellenállóként működik, az R2 és R4 ellenállások potenciálosztót alkotnak. Az erősítés értéke az ellenállások megfelelő értékének használatával állítható be.

Hogyan állítsuk be a differenciálerősítő erősítését?

A differenciálerősítő kimeneti feszültségét az alábbi képlettel lehet megadni

Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)

A fenti képletet a fenti áramkör átviteli függvényéből nyertük szuperpozíciós tétel alkalmazásával. De ne foglalkozzunk ezzel sokat. A fenti egyenletet tovább egyszerűsíthetjük, ha figyelembe vesszük R1 = R2 és R3 = R4. Tehát megkapjuk

Vout = (R3 / R1) (V2-V1), ha R1 = R2 és R3 = R4

A fenti képlet alapján arra következtethetünk, hogy R3 és R1 aránya megegyezik az erősítő erősítésével.

Nyereség = R3 / R1

Most cseréljük le az ellenállások értékeit a fenti áramkörre, és ellenőrizzük, hogy az áramkör a várt módon működik-e.

Differenciálerősítő áramkör szimulációja

Az általam választott ellenállás értéke Rk és R2 esetén 10k, R3 és R4 esetén 22k. Az áramkör szimulációja az alábbiakban látható.

Szimuláció céljából 4 V-ot adtam V2-re és 3,6 V-ot V1-re. A 22k és 10k ellenállás a képletek szerint 2,2 (22/10) erősítést állít be. Tehát a kivonás 0,4 V (4-3,6) lesz, és meg fog szorozni a 2,2 erősítési értékkel, így a kapott feszültség 0,88 V lesz, amint azt a fenti szimuláció mutatja. Ellenőrizzük ugyanezt a korábban tárgyalt képlet segítségével is.

Vout = (R3 / R1) (V2-V1), ha R1 = R2 és R3 = R4 = (22/10) (4-3,6) = (2,2) x (0,4) = 0,88v

A differenciálerősítő áramkör tesztelése hardveren

A szórakoztató részhez valójában építsük fel ugyanazt az áramkört a kenyérlapon, és ellenőrizzük, képesek vagyunk-e ugyanazokat az eredményeket elérni. Az áramkör megépítéséhez az LM324 Op-Amp- ot használom, és a korábban épített Breadboard tápegység modult használom. Ez a modul 5 V és 3,3 V kimenetet képes biztosítani, ezért az 5 V-os sínt használom az op-amp és a 3,3 V-os sín V1-es táplálásához. Ezután az RPS-t (Szabályozott tápegység) használtam, hogy 3,7 V feszültséget adjak a V2 tűhöz. A feszültségek közötti különbség 0,4, és 2,2 erősítésünk van, aminek 0,88 V-ot kell adnunk, és pontosan ezt kaptam. Az alábbi kép a beállítást és a multimétert mutatja, rajta a 0,88 V leolvasással.

Ez azt bizonyítja, hogy a differenciális op-amp értésünk helyes, és most már tudjuk, hogyan tervezhetünk meg egyet a szükséges erősítési értékkel. A teljes munka megtalálható az alábbi videóban is. Ezeket az áramköröket gyakrabban használják a hangerőszabályzó alkalmazásokban.

De mivel az áramkör ellenállásokkal rendelkezik a bemeneti feszültség oldalán (V1 és V2), ez nem nyújt túl nagy bemeneti impedanciát, és nagy közös módú erősítéssel is rendelkezik, ami alacsony CMRR arányhoz vezet. E hátrányok kiküszöbölésére létezik a differenciálerősítő improvizált változata, az úgynevezett műszeres erősítő, de hagyjuk ezt egy másik oktatóanyagra.

Remélem, megértette az oktatóanyagot, és örömmel tanulta a differenciálerősítőket. Ha bármilyen kérdése van, hagyja őket a megjegyzés részben, vagy használja a fórumot további technikai kérdések és gyorsabb válaszadás érdekében.