Programozható erősítő erősítő mosfet és tranzisztor segítségével

A mérőiparban nagyon fontos funkcionális blokk a programozható erősítés erősítő (PGA). Ha Ön elektronikus rajongó vagy főiskolai hallgató, akkor valószínűleg látott olyan multimétert vagy oszcilloszkópot, amely nagyon értékes feszültségeket mér, mivel az áramkör beépített PGA-val rendelkezik egy erős ADC mellett, amely segíti a pontos mérési folyamatot.

Manapság a polcról beszerezhető PGA erősítő op-amp alapú, nem invertáló erősítőt kínál, felhasználó által programozható erősítési faktorral. Ez a fajta eszköz nagyon nagy bemeneti impedanciával, széles sávszélességgel és választható bemeneti feszültség referenciával rendelkezik, amely az IC-be van építve. De ezek a funkciók költségekkel járnak, és számomra nem érdemes ennyire költséges chipet elhelyezni egy általános alkalmazás számára.

Tehát ezeknek a helyzeteknek a kiküszöbölésére egy Op-amp-ból, MOSFET-ből és Arduino-ból álló megoldást találtam ki, amely révén programozatosan tudtam változtatni az op-amp erősítésén. Tehát ebben az oktatóanyagban bemutatom, hogyan készíthet saját programozható erősítőt egy LM358 op-amp és MOSFETS segítségével, és a tesztelés mellett megvitatom az áramkör néhány előnyét és hátrányát.

Az Op-Amp alapjai

Ezen áramkör működésének megértéséhez nagyon fontos tudni, hogy hogyan működik egy operációs erősítő. Tudjon meg többet az Op-amp-ról az op-amp tesztelő áramkör követésével.

A fenti ábrán látható egy műveleti-erősítő. Az erősítő alapvető feladata a bemeneti jel felerősítése, az erősítés mellett az op-erősítő különféle műveleteket is végezhet, például összegezhet, megkülönböztethet, integrálhat stb. Tudjon meg többet az összegző erősítőről és a differenciálerősítőről.

Az Op-amp-nak csak három terminálja van. A (+) előjelű terminált invertáló bemenetnek, a (-) előjelű terminált invertáló bemenetnek nevezzük. E két terminál mellett a harmadik terminál a kimeneti terminál.

Egy op-amp csak két szabályt követ

Az op-amp bemenetekből nem áramlik be vagy ki.
Az op-amp megpróbálja a bemeneteket azonos feszültségszinteken tartani.

Tehát a két szabály tisztázásával elemezhetjük az alábbi áramköröket. Ismerjen meg többet az Op-amp-ról különböző Op-amp alapú áramkörökön keresztül.

Programozható erősítéserősítő működik

A fenti ábra alapvető ötletet ad a nyers PGA erősítőm áramköri elrendezéséről. Ebben az áramkörben az op-amp nem invertáló erősítőként van konfigurálva, és mint mindannyian tudjuk, hogy egy nem invertáló áramköri elrendezéssel, a visszacsatolási ellenállás vagy a bemeneti ellenállás megváltoztatásával megváltoztathatjuk az op-erősítő erősítését, amint az a fenti áramköri elrendezésből is látszik, csak egyenként kell kapcsolnom a MOSFET-eket az op-amp erősítésének megváltoztatásához.

A teszt szakaszban csak annyit tettem, hogy egyesével kapcsoltam a MOSFET-eket, és összehasonlítottam a mért értékeket a gyakorlati értékekkel, és az eredményeket az alábbi "áramkör tesztelése" szakaszban figyelheti meg.

Szükséges alkatrészek

Arduino Nano - 1
LM358 IC - 1
LM7805 szabályozó - 1
BC548 általános NPN tranzisztor - 2
BS170 Általános N-csatornás MOSFET - 2
200K ellenállás - 1
50K ellenállás - 2
24K ellenállás - 2
6.8K ellenállás - 1
1K ellenállás - 4
4.7K ellenállás - 1
220R, 1% ellenállás - 1
Általános tapintható kapcsoló - 1
Borostyánsárga LED 3mm - 2
Általános kenyérlemez - 1
Általános jumper huzalok - 10
Tápegység ± 12V - 1

Sematikus ábrája

A programozható erősítés erősítő bemutatásához az áramkört forrasztatlan kenyérlemezre építik a vázlat segítségével; A kenyérlemez belső parazita induktivitásának és kapacitásának csökkentése érdekében az összes alkatrészt a lehető legközelebb helyezték el.

És ha kíváncsi vagy, miért van a fürtök fürtje a kenyérlemezemben? hadd mondjam el, hogy jó földkapcsolatot létesítsen, mivel a kenyérlemez belső földi csatlakozásai nagyon gyengék.

Itt az áramkör op-amp - ja nem invertáló erősítőként van konfigurálva, és a 7805 feszültségszabályozó bemeneti feszültsége 4,99 V.

Az R6 ellenállás mért értéke 6,75K, R7 pedig 220,8R, ez a két ellenállás feszültségosztót alkot, amelyet az op-amp bemeneti tesztfeszültségének előállítására használnak. Az R8 és R9 ellenállások a T3 és T4 tranzisztor bemeneti alapáramának korlátozására szolgálnak. Az R10 és R11 ellenállásokat a T1 és T2 MOSFET kapcsolási sebességének korlátozására használják, ellenkező esetben ez oszcillációt okozhat az áramkörben.

Ebben a blogban meg akarom mutatni neked a BOS helyett a MOSFET használatának okát, ezért az áramköri elrendezést.

Arduino kód a PGA-hoz

Itt az Arduino Nano-t használják a tranzisztor bázisának és a MOSFET-ek kapujának vezérléséhez, valamint egy multimétert használnak a feszültségszintek megjelenítésére, mert az Arduino beépített ADC-je nagyon gyenge munkát végez, amikor az alacsony szintet mérik feszültségszintek.

A projekt teljes Arduino kódját az alábbiakban adjuk meg. Mivel ez egy nagyon egyszerű Arduino kód, nem kell könyvtárakat tartalmaznunk. De meg kell határoznunk néhány konstansot és bemeneti tüskét, amint az a kódban látható.

A void setup () a fő funkcionális blokk, ahol az összes be- és kimenet olvasási és írási műveletét a követelményeknek megfelelően hajtják végre.

#define BS170_WITH_50K_PIN 9 #define BS170_WITH_24K_PIN 8 #define BC548_WITH_24K_PIN 7 #define BC548_WITH_50K_PIN 6 #define BUTTON_PIN 5 #define LED_PIN1 2 #define LED_PIN2 3 #define PRESSED_CONFIDENCE_LEVEL 5000 int button_is_pressed = 0; int debounce_counter = 0; void setup () {pinMode (BS170_WITH_50K_PIN, OUTPUT); pinMode (BS170_WITH_24K_PIN, OUTPUT); pinMode (BC548_WITH_24K_PIN, OUTPUT); pinMode (BC548_WITH_50K_PIN, OUTPUT); pinMode (LED_PIN1, OUTPUT); pinMode (LED_PIN2, OUTPUT); pinMode (BUTTON_PIN, INPUT); } void loop () {bool val = digitalRead (BUTTON_PIN); // a bemeneti érték olvasása, ha (val == LOW) {debounce_counter ++; if (debounce_counter> PRESSED_CONFIDENCE_LEVEL) {debounce_counter = 0; gomb_nyomva van ++; } if (button_is_pressed == 0) {digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, LOW);digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, LOW); digitalWrite (LED_PIN2, LOW); } if (button_is_pressed == 2) {digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, LOW); digitalWrite (LED_PIN2, HIGH); } if (button_is_pressed == 3) {digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, HIGH); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, HIGH); digitalWrite (LED_PIN2, HIGH); } if (button_is_pressed == 1) {digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, HIGH);digitalWrite (LED_PIN2, LOW); } if (button_is_pressed> = 4) {button_is_pressed = 0; }}}

Számítások a programozható erősítés erősítőhöz

Az alábbiakban a PGA erősítő áramkör mért értékeit mutatjuk be.

Vin = 4,99 V R7 = 220,8 Ω R6 = 6,82 KΩ R5 = 199,5 K R4 = 50,45 K R3 = 23,99 K R2 = 23,98 K R1 = 50,5 K

Jegyzet! Az ellenállás mért értékei azért láthatók, mert a mért ellenállási értékekkel szorosan összehasonlíthatjuk az elméleti és a gyakorlati értékeket.

Most a feszültségosztó számológéppel végzett számítás látható alább,

A feszültségosztó kimenete 0,1564V

A nem invertáló erősítő erősítésének kiszámítása a 4 ellenálláshoz

Vout, ha R1 a kiválasztott ellenállás

Vout = (1+ (199,5 / 50,5)) * 0,1564 = 0,77425V

Vout, ha R2 a kiválasztott ellenállás

Vout = (1+ (199,5 / 23,98)) * 0,1564 = 1,45755V

Vout, ha R3 a kiválasztott ellenállás

Vout = (1+ (199,5 / 23,99)) * 0,1564 = 1,45701V

Vout, ha R4 a kiválasztott ellenállás

Vout = (1+ (199,5 / 50,45)) * 0,1564 = 0,77486V

Mindezt azért tettem, hogy az elméleti és gyakorlati értékeket a lehető legközelebb hasonlítsam össze.

Minden elvégzett számítással továbbléphetünk a tesztelési szakaszra.

Programozható erősítés erősítő áramkör tesztelése

A fenti kép a kimeneti feszültséget mutatja, amikor a MOSFET T1 be van kapcsolva, így az áram átfolyik az R1 ellenálláson.

A fenti kép a kimeneti feszültséget mutatja, amikor a T4 tranzisztor be van kapcsolva, ezért az áram átfolyik az R4 ellenálláson.

A fenti kép a kimeneti feszültséget mutatja, amikor a MOSFET T2 be van kapcsolva, ezért az áram az R2 ellenálláson áramlik .

A fenti kép a kimeneti feszültséget mutatja, amikor a T3 tranzisztor be van kapcsolva, ezért az áram átfolyik az R3 ellenálláson.

Amint az a sematikus ábrán látható, hogy T1, T2 MOSFET, T3, T4 pedig tranzisztor. Tehát, ha MOSFET-eket használunk, a hiba 1–5 mV tartományban van, de amikor tranzisztort használunk kapcsolóként, 10–50 mV tartományban kapunk hibát.

A fenti eredmények alapján egyértelmű, hogy a MOSFET a goto megoldás az ilyen típusú alkalmazásokhoz, és az elméleti és gyakorlati hibákat az op-amp offszet hibája okozhatja.

Jegyzet! Felhívjuk figyelmét, hogy két LED-et adtam hozzá csak a tesztelés céljából, és nem találja őket a tényleges sematikus ábrán, bináris kódot mutat, amely megmutatja, hogy melyik pin aktív

A programozható erősítés erősítői előnyei és hátrányai

Mivel ez az áramkör olcsó, egyszerű és egyszerű, sokféle alkalmazásban megvalósítható.

Itt a MOSFET-t kapcsolóként használják, hogy az ellenálláson átáramló összes áramot a földre vigye, ezért a hőmérséklet hatása nem biztos, és korlátozott eszközeimmel és tesztberendezéseimmel nem tudtam megmutatni a változó hőmérséklet hatásait a az áramkör.

A BJT használata a MOSFET-ek mellett az a célkitűzés, hogy meg akarom mutatni, milyen rossz lehet egy BJT egy ilyen alkalmazáshoz.

A visszacsatoló ellenállások és a bemeneti ellenállások értékeinek a KΩ tartományban kell lenniük, mert alacsonyabb ellenállási értékek esetén több áram folyik át a MOSFET-en, így több feszültség csökken a MOSFET-en, kiszámíthatatlan eredményeket okozva.

További fejlesztés

Az áramkör tovább módosítható a teljesítményének javítása érdekében, például hozzáadhatjuk a szűrőt a nagyfrekvenciás zajok elutasításához.

Mivel ebben a tesztben LM358 zselés bab-erősítőt használnak, az op-erősítő eltolási hibái nagy szerepet játszanak a kimeneti feszültségnél. Tehát tovább javítható az LM358 helyett instrumentális erősítő használatával.

Ez az áramkör csak demonstrációs célokra készült. Ha ennek az áramkörnek a gyakorlati alkalmazásán gondolkodik, akkor az abszolút stabilitás eléréséhez chopper típusú op-amp és nagy pontosságú 0,1 ohmos ellenállást kell használnia.

Remélem tetszett ez a cikk, és valami újat tanultál belőle. Ha kétségei vannak, kérje az alábbi megjegyzéseket, vagy használhatja fórumunkat a részletes megbeszéléshez.