- Osnove op-amp
- Op-amp vezje z odprto zanko (primerjalniki)
- Op-amp vezje z zaprto zanko (ojačevalniki)
- Diferencialni ojačevalnik ali odštevalnik napetosti
- Kako nastaviti ojačanje diferencialnega ojačevalnika?
- Simulacija vezja diferencialnega ojačevalnika
- Testiranje vezja diferencialnega ojačevalnika na strojni opremi
Op-ampi so bili prvotno razviti za analogne matematične izračune, od takrat pa so se danes izkazali za koristne v številnih oblikovalskih aplikacijah. Kot so pravilno povedali moji profesorji, so op-ojačevalniki aritmetični napetostni kalkulatorji, lahko seštejejo dve dani vrednosti napetosti s pomočjo vezja seštevalnega ojačevalnika in razlike med dvema napetostnima vrednostma z uporabo diferenčnega ojačevalnika. Poleg tega se Op-Amp pogosto uporablja tudi kot obrnjeni ojačevalniki in neinvertirni ojačevalniki.
Že smo se naučili, kako lahko op-ojačevalnik uporabimo kot napetostni seštevalnik ali seštevalni ojačevalnik, zato se bomo v tej vadnici naučili, kako uporabiti op-ojačevalnik kot diferenčni ojačevalnik za iskanje napetostne razlike med dvema vrednostima napetosti. Imenuje se tudi odvzemnik napetosti. Preizkusili bomo tudi vezje odštevalnika napetosti na plošči in preverili, ali vezje deluje po pričakovanjih.
Osnove op-amp
Preden se potopimo v diferencialne ojačevalnike, na hitro poiščimo osnove op-ojačevalnika. Op-amp je pet terminalna naprava (en paket) z dvema terminaloma (Vs +, Vs-) za napajanje naprave. Od preostalih treh terminalov se dva (V +, V-) uporabljata za signale, ki se imenujejo Inverting and Non-Inverting terminal, preostali (Vout) pa je izhodni terminal. Osnovni simbol Op-ampera je prikazan spodaj.
Delovanje op-ojačevalnika je zelo preprosto, saj vzame različno napetost iz dveh zatičev (V +, V-), ga ojača z vrednostjo ojačenja in jo da kot izhodno napetost (Vout). Dobiček op-ojačevalnika je lahko zelo velik, zato je primeren za avdio aplikacije. Vedno ne pozabite, da mora biti vhodna napetost Op-ampera manjša od njegove delovne napetosti. Če želite izvedeti več o op-amp, preverite njegovo uporabo v različnih vezjih, ki temeljijo na op-amp.
Za idealen op-ojačevalnik bo vhodna impedanca zelo velika, to pomeni, da skozi vhodne nožice (V +, V-) tok ne bo tekel v ali iz op-amp-a. Za razumevanje delovanja op-amp-a lahko vezja op-amp na splošno kategoriziramo kot odprto zanko in zaprto zanko.
Op-amp vezje z odprto zanko (primerjalniki)
V vezju op-amp z odprto zanko izhodni zatič (Vout) ni povezan z nobenim od vhodnih zatičev, to pomeni, da povratne informacije niso zagotovljene. V takih pogojih z odprto zanko op-amp deluje kot primerjalnik. Preprost primerjalnik op-amp je prikazan spodaj. Upoštevajte, da zatič Vout ni povezan z vhodnimi zatiči V1 ali V2.
Če je v tem stanju napetost, ki je dovedena do V1, večja od V2, bo izhodni Vout visok. Če so napetosti, dovedene do V2, večje od V1, bo izhodni Vout nizek.
Op-amp vezje z zaprto zanko (ojačevalniki)
V vezju op-amp z zaprto zanko je izhodni zatič op-amp-a povezan z enim od vhodnih zatičev, da se zagotovi povratna informacija. Ta povratna informacija se imenuje povezava z zaprto zanko. V zaprti zanki Op-amp deluje kot ojačevalnik, v tem načinu pa op-amp najde veliko uporabnih aplikacij, kot so medpomnilnik, napetostni sledilnik, invertirni ojačevalnik, neinvertirni ojačevalnik, seštevalni ojačevalnik, diferencialni ojačevalnik, napetostni odštevalnik itd. zatič Vout je povezan z invertirnim terminalom, potem se imenuje negativno povratno vezje (prikazano spodaj) in če je priključen na neinvertirni terminal, se imenuje pozitivno povratno vezje.
Diferencialni ojačevalnik ali odštevalnik napetosti
Zdaj pa pojdimo na našo temo, Diferencialni ojačevalnik. Diferencialni ojačevalnik v bistvu sprejme dve napetostni vrednosti, najde razliko med tema dvema vrednostma in jo ojača. Nastalo napetost lahko dobite iz izhodnega zatiča. Osnovno diferencialno ojačevalno vezje je prikazano spodaj.
Toda počakajte !, ali ni to tisto, kar Op-Amp počne privzeto, tudi če nima povratnih informacij, potrebuje dva vhoda in na izhodnem zatiču poda njihove razlike. Zakaj potem rabimo vse te modne upore?
No ja, toda op-ojačevalnik, ki se uporablja v odprti zanki (brez povratnih informacij), bo imel zelo visok nenadzorovan dobiček, kar praktično ni koristno. Torej uporabljamo zgornjo zasnovo za nastavitev vrednosti dobička z uporabo uporov v negativni povratni zanki. V našem vezju nad uporom R3 deluje kot upor z negativno povratno informacijo in upori R2 in R4 tvorita potencialni delilnik. Vrednost dobička lahko nastavite z uporabo prave vrednosti uporov.
Kako nastaviti ojačanje diferencialnega ojačevalnika?
Izhodna napetost diferencialnega ojačevalnika prikazano zgoraj, se lahko izračuna po spodnji formuli
Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)
Zgornja formula je bila pridobljena iz prenosne funkcije zgornjega vezja z uporabo izreka superpozicije. Toda v to se ne spuščajmo veliko. Zgornjo enačbo lahko dodatno poenostavimo z upoštevanjem R1 = R2 in R3 = R4. Torej bomo dobili
Vout = (R3 / R1) (V2-V1), kadar je R1 = R2 in R3 = R4
Iz zgornje formule lahko sklepamo, da bo razmerje med R3 in R1 enako ojačitvi ojačevalnika.
Dobiček = R3 / R1
Zdaj nadomestimo vrednosti uporov za zgornje vezje in preverimo, ali vezje deluje po pričakovanjih.
Simulacija vezja diferencialnega ojačevalnika
Vrednost upora, ki sem jo izbral, je 10k za R1 in R2 in 22k za R3 in R4. Simulacija vezja za isto je prikazana spodaj.
Za simulacijo sem dobavil 4 V za V2 in 3,6 V za V1. Upor 22k in 10k po formulah bo določil dobiček 2,2 (22/10). Torej bo odštevanje 0,4 V (4-3,6) in pomnoženo z vrednostjo ojačenja 2,2, tako da bo posledična napetost 0,88 V, kot je prikazano v zgornji simulaciji. Preverimo tudi isto z uporabo formule, o kateri smo že govorili.
Vout = (R3 / R1) (V2-V1), kadar je R1 = R2 in R3 = R4 = (22/10) (4-3,6) = (2,2) x (0,4) = 0,88v
Testiranje vezja diferencialnega ojačevalnika na strojni opremi
Zdaj pa k zabavnemu delu, v resnici zgradimo isto vezje na plošči in preverimo, ali lahko dosežemo enake rezultate. Za izdelavo vezja uporabljam LM324 Op-Amp in uporabljam napajalni modul Breadboard, ki smo ga zgradili prej. Ta modul lahko zagotovi 5V in 3,3V izhod, zato uporabljam 5V napajalno tirnico za napajanje svojega op-amp in 3,3V napajalno tirnico kot V1. Nato sem s pomočjo RPS (regulirano napajanje) na pin V2 priskrbel 3,7 V. Razlika med napetostmi je 0,4 in dobimo 2,2, kar bi nam moralo dati 0,88 V in točno to sem dobil. Spodnja slika prikazuje nastavitev in multimeter z odčitkom 0,88V.
To dokazuje, da je naše razumevanje diferencialnega ojačevalnika pravilno in zdaj vemo, kako ga oblikovati sami s potrebno vrednostjo ojačenja. Celotno delo najdete tudi v spodnjem videoposnetku. Ta vezja se pogosteje uporabljajo v aplikacijah za nadzor glasnosti.
Ker pa ima vezje upore na strani vhodne napetosti (V1 in V2), ne zagotavlja zelo visoke vhodne impedance in ima tudi visok skupni dobiček, kar vodi do nizkega razmerja CMRR. Da bi odpravili te pomanjkljivosti, obstaja improvizirana različica diferencialnega ojačevalnika, imenovana instrumentacijski ojačevalnik, vendar pustimo to za drugo vajo.
Upam, da ste razumeli vadnico in uživali v učenju o diferencialnih ojačevalcih. Če imate kakršna koli vprašanja, jih pustite v oddelku za komentarje ali uporabite forume za več tehničnih vprašanj in hitrejši odziv.