- Základy operačného zosilňovača
- Obvod otvorenej slučky operačného zosilňovača (komparátory)
- Op-amp uzavretý obvod (zosilňovače)
- Diferenciálny zosilňovač alebo odčítač napätia
- Ako nastaviť zisk diferenciálneho zosilňovača?
- Simulácia obvodu diferenciálneho zosilňovača
- Testovanie obvodu diferenciálneho zosilňovača na hardvéri
Operačné zosilňovače boli pôvodne vyvinuté pre analógové matematické výpočty, odvtedy sa dnes osvedčili v mnohých dizajnových aplikáciách. Ako môj profesor správne povedal, operačné zosilňovače sú aritmetické kalkulačky napätia, môžu vykonávať sčítanie dvoch daných hodnôt napätia pomocou obvodu sčítavacieho zosilňovača a rozdiel medzi dvoma hodnotami napätia pomocou diferenciálneho zosilňovača. Okrem toho sa operačný zosilňovač bežne používa aj ako invertné zosilňovače a neinvertujúce zosilňovače.
Už sme sa naučili, ako môžeme použiť operačný zosilňovač ako sčítač napätia alebo sčítací zosilňovač, takže v tomto výučbe sa naučíme používať operačný zosilňovač ako diferenciálny zosilňovač na zistenie rozdielu napätia medzi dvoma hodnotami napätia. Tiež sa nazýva Voltage Subtractor. Vyskúšame tiež obvod odčítavača napätia na prepážke a skontrolujeme, či obvod funguje podľa očakávania.
Základy operačného zosilňovača
Predtým, ako sa ponoríme do diferenciálnych operačných zosilňovačov, poďme si rýchlo prejsť základy operačného zosilňovača. Op-Amp je päťkoncové zariadenie (jedno balenie) s dvoma svorkami (Vs +, Vs-) na napájanie zariadenia. Zo zostávajúcich troch svoriek sa dve (V +, V-) používajú na signály, ktoré sa nazývajú inverzná a neinvertujúca svorka, a zvyšná (Vout) je výstupná svorka. Základný symbol zosilňovača Op-Amp je uvedený nižšie.
Činnosť Op-Amp je veľmi jednoduchá, prijíma rozdielne napätie z dvoch pinov (V +, V-), zosilňuje ho hodnotou Gain a dáva ju ako výstupné napätie (Vout). Zisk zosilňovača Op-Amp môže byť veľmi vysoký, takže je vhodný pre zvukové aplikácie. Vždy nezabudnite, že vstupné napätie Op-Amp by malo byť menšie ako jeho prevádzkové napätie. Ak sa chcete dozvedieť viac informácií o operačnom zosilňovači, skontrolujte jeho použitie v rôznych obvodoch založených na operačných zosilňovačoch.
Pre ideálny Op-Amp bude vstupná impedancia veľmi vysoká, to znamená, že do Op-Amp neprúdi žiadny prúd cez vstupné piny (V +, V-). Aby sme pochopili fungovanie operačného zosilňovača, môžeme okruhy operačného zosilňovača všeobecne kategorizovať ako otvorené a uzavreté okruhy.
Obvod otvorenej slučky operačného zosilňovača (komparátory)
V obvode operačného zosilňovača s otvorenou slučkou nie je výstupný pin (Vout) spojený so žiadnym zo vstupných pinov, to znamená, že nie je k dispozícii spätná väzba. V takýchto podmienkach otvorenej slučky operačný zosilňovač funguje ako komparátor. Jednoduchý operačný komparátor je uvedený nižšie. Všimnite si, že pin Vout nie je spojený so vstupnými pinmi V1 alebo V2.
V tomto stave, ak je napätie dodávané do V1 väčšie ako V2, výstup Vout pôjde vysoko. Rovnako, ak sú napätia dodávané do V2 väčšie ako V1, výstup Vout bude nízky.
Op-amp uzavretý obvod (zosilňovače)
V obvode operačného zosilňovača s uzavretou slučkou je výstupný pin operačného zosilňovača spojený s ktorýmkoľvek zo vstupných pinov, aby sa poskytla spätná väzba. Táto spätná väzba sa nazýva spojenie s uzavretou slučkou. Počas uzavretej slučky operačný zosilňovač funguje ako zosilňovač, v tomto režime nachádza operačný zosilňovač mnoho užitočných aplikácií, ako je vyrovnávacia pamäť, sledovač napätia, invertujúci zosilňovač, neinvertujúci zosilňovač, sčítací zosilňovač, diferenciálny zosilňovač, odčítač napätia atď. pin Vout je pripojený k invertujúcej svorke, potom sa nazýva obvod negatívnej spätnej väzby (zobrazený nižšie) a ak je pripojený k neinvertujúcej svorke, nazýva sa ako obvod pozitívnej spätnej väzby.
Diferenciálny zosilňovač alebo odčítač napätia
Teraz sa pozrime na našu tému, Diferenciálny zosilňovač. Diferenciálny zosilňovač v zásade prijíma dve hodnoty napätia, zistí rozdiel medzi týmito dvoma hodnotami a zosilní ho. Výsledné napätie je možné získať z výstupného kolíka. Ďalej je znázornený základný obvod diferenciálneho zosilňovača.
Ale počkajte !, nie je to to, čo Op-Amp štandardne robí, aj keď nemá spätnú väzbu, má dva vstupy a poskytuje ich rozdiely na výstupnom kolíku. Prečo potom potrebujeme všetky tieto luxusné rezistory?
Áno, áno, ale operačný zosilňovač, ak sa používa v otvorenej slučke (bez spätnej väzby), bude mať veľmi vysoký nekontrolovaný zisk, čo prakticky nie je užitočné. Takže vyššie uvedený návrh používame na nastavenie hodnoty zisku pomocou odporov v slučke negatívnej spätnej väzby. V našom obvode nad rezistorom R3 pôsobí ako odpor negatívnej spätnej väzby a rezistory R2 a R4 tvoria delič potenciálov. Hodnotu zisku je možné nastaviť pomocou správnej hodnoty rezistorov.
Ako nastaviť zisk diferenciálneho zosilňovača?
Výstupné napätie diferenciálneho zosilňovača je uvedené vyššie môže byť daný pod vzorcom
Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)
Vyššie uvedený vzorec bol získaný z prenosovej funkcie vyššie uvedeného obvodu pomocou vety o superpozícii. Ale nechajme sa tým veľmi zaoberať. Vyššie uvedenú rovnicu môžeme ďalej zjednodušiť zvážením R1 = R2 a R3 = R4. Takže dostaneme
Vout = (R3 / R1) (V2-V1), keď R1 = R2 a R3 = R4
Z vyššie uvedeného vzorca môžeme vyvodiť záver, že pomer medzi R3 a R1 sa bude rovnať zisku zosilňovača.
Zisk = R3 / R1
Poďme nahradiť hodnoty rezistorov pre vyššie uvedený obvod a skontrolujte, či obvod funguje podľa očakávania.
Simulácia obvodu diferenciálneho zosilňovača
Hodnota odporu, ktorú som vybral, je 10k pre R1 a R2 a 22k pre R3 a R4. Simulácia obvodu pre rovnaké je uvedená nižšie.
Pre účely simulácie som dodal 4V pre V2 a 3,6V pre V1. Rezistor 22k a 10k podľa vzorcov nastaví zisk 2,2 (22/10). Takže odpočítanie bude 0,4 V (4 - 3,6) a bude sa vynásobiť hodnotou zisku 2,2, takže výsledné napätie bude 0,88 V, ako je uvedené vo vyššie uvedenej simulácii. Overme to isté pomocou vzorca, o ktorom sme hovorili vyššie.
Vout = (R3 / R1) (V2-V1), keď R1 = R2 a R3 = R4 = (22/10) (4-3,6) = (2,2) x (0,4) = 0,88v
Testovanie obvodu diferenciálneho zosilňovača na hardvéri
Teraz k tej najzábavnejšej časti, poďme skutočne vytvoriť ten istý obvod na nepájivej doske a skontrolujte, či sme schopní dosiahnuť rovnaké výsledky. Ja používam LM324 Op-Amp na vybudovanie okruhu a pomocou napájacieho modulu doštičku, ktoré sme postavili skôr. Tento modul môže poskytovať výstup 5 V a 3,3 V, takže na napájanie svojho operačného zosilňovača používam napájaciu lištu 5 V a napájaciu lištu 3,3 V ako V1. Potom som pomocou svojho RPS (regulovaného napájacieho zdroja) zaistil 3,7 V na kolíku V2. Rozdiel medzi napätiami je 0,4 a máme zisk 2,2, ktorý by nám mal dať 0,88 V, a to je presne to, čo som dostal. Na nasledujúcom obrázku je zobrazené nastavenie a multimetr s hodnotou 0,88 V.
To dokazuje, že naše chápanie diferenciálneho operačného zosilňovača je správne a teraz vieme, ako si ho samostatne navrhnúť s požadovanou hodnotou zisku. Kompletné fungovanie nájdete aj vo videu uvedenom nižšie. Tieto obvody sa častejšie používajú v aplikáciách na reguláciu hlasitosti.
Pretože obvod má rezistory na strane vstupného napätia (V1 a V2), neposkytuje veľmi vysokú vstupnú impedanciu a tiež má vysoký zosilnenie spoločného režimu, čo vedie k nízkemu pomeru CMRR. Na prekonanie týchto nevýhod existuje improvizovaná verzia diferenciálneho zosilňovača nazývaná prístrojový zosilňovač, ale to si nechajme na ďalší tutoriál.
Dúfam, že ste pochopili tento návod a bavilo vás učiť sa o diferenciálnych zosilňovačoch. Ak máte akékoľvek otázky, nechajte ich v sekcii komentárov alebo použite fóra pre ďalšie technické otázky a rýchlejšiu odpoveď.