Wzmacniacz różnicowy lub obwód odejmujący napięcie

Wzmacniacze operacyjne zostały pierwotnie opracowane do analogowych obliczeń matematycznych, od tego czasu okazały się przydatne w wielu zastosowaniach projektowych. Jak słusznie powiedzieli moi profesorowie, wzmacniacze operacyjne są arytmetycznymi kalkulatorami napięcia, mogą dodawać dwie podane wartości napięcia za pomocą obwodu wzmacniacza sumującego i różnicę między dwoma wartościami napięcia za pomocą wzmacniacza różnicowego. Oprócz tego wzmacniacz operacyjny jest również powszechnie używany jako wzmacniacze odwracające i nieodwracające.

Dowiedzieliśmy się już, w jaki sposób możemy używać wzmacniacza operacyjnego jako wzmacniacza napięcia lub wzmacniacza sumującego, więc w tym samouczku nauczymy się, jak używać wzmacniacza operacyjnego jako wzmacniacza różnicowego, aby znaleźć różnicę napięcia między dwiema wartościami napięcia. Nazywa się go również odejmowaniem napięcia. Spróbujemy również obwodu odejmującego napięcie na płytce stykowej i sprawdzimy, czy obwód działa zgodnie z oczekiwaniami.

Podstawy wzmacniacza operacyjnego

Zanim zagłębimy się w różnicowe wzmacniacze operacyjne, przejrzyjmy szybko podstawy wzmacniacza operacyjnego. Wzmacniacz operacyjny to urządzenie składające się z pięciu końcówek (pojedynczy pakiet) z dwoma zaciskami (Vs +, Vs-) do zasilania urządzenia. Z pozostałych trzech zacisków dwa (V +, V-) są używane dla sygnałów zwanych zaciskami odwracającymi i nieodwracającymi, a drugi (Vout) jest zaciskiem wyjściowym. Podstawowy symbol wzmacniacza operacyjnego pokazano poniżej.

Działanie wzmacniacza operacyjnego jest bardzo proste, pobiera różne napięcie z dwóch pinów (V +, V-), wzmacnia je o wartość wzmocnienia i podaje jako napięcie wyjściowe (Vout). Wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego może być bardzo wysokie, dzięki czemu nadaje się do zastosowań audio. Zawsze pamiętaj, że napięcie wejściowe wzmacniacza operacyjnego powinno być niższe niż jego napięcie robocze. Aby dowiedzieć się więcej o wzmacniaczu operacyjnym, sprawdź jego zastosowanie w różnych obwodach opartych na wzmacniaczach operacyjnych.

W przypadku idealnego wzmacniacza operacyjnego impedancja wejściowa będzie bardzo wysoka, co oznacza, że ​​żaden prąd nie będzie płynął do ani z wzmacniacza operacyjnego przez piny wejściowe (V +, V-). Aby zrozumieć działanie wzmacniacza operacyjnego, możemy ogólnie podzielić obwody wzmacniacza operacyjnego na pętlę otwartą i zamkniętą.

Obwód pętli otwartej wzmacniacza operacyjnego (komparatory)

W obwodzie wzmacniacza operacyjnego z otwartą pętlą pin wyjściowy (Vout) nie jest połączony z żadnym z pinów wejściowych, co oznacza, że nie jest dostarczane sprzężenie zwrotne. W takich warunkach otwartej pętli wzmacniacz operacyjny działa jako komparator. Poniżej przedstawiono prosty komparator wzmacniacza operacyjnego. Zauważ, że pin Vout nie jest połączony z pinami wejściowymi V1 lub V2.

W tym stanie, jeśli napięcie dostarczane do V1 jest większe niż V2, wyjście Vout przejdzie w stan wysoki. Podobnie, jeśli napięcia dostarczane do V2 są większe niż V1, wyjście Vout będzie niskie.

Obwód pętli zamkniętej wzmacniacza operacyjnego (wzmacniacze)

W obwodzie wzmacniacza operacyjnego z zamkniętą pętlą styk wyjściowy wzmacniacza operacyjnego jest połączony z dowolnym stykiem wejściowym, aby zapewnić sprzężenie zwrotne. To sprzężenie zwrotne nazywa się połączeniem w pętli zamkniętej. Podczas zamkniętej pętli wzmacniacz operacyjny działa jako wzmacniacz, w tym trybie wzmacniacz operacyjny znajduje wiele przydatnych zastosowań, takich jak bufor, wtórnik napięcia, wzmacniacz odwracający, wzmacniacz nieodwracający, wzmacniacz sumujący, wzmacniacz różnicowy, odejmujący napięcie itp. pin Vout jest podłączony do zacisku odwracającego, wtedy nazywany jest obwodem ujemnego sprzężenia zwrotnego (pokazany poniżej), a jeśli jest podłączony do zacisku nieodwracającego, nazywany jest obwodem dodatniego sprzężenia zwrotnego.

Wzmacniacz różnicowy lub odejmowanie napięcia

Przejdźmy teraz do naszego tematu Wzmacniacz różnicowy. Wzmacniacz różnicowy zasadniczo przyjmuje dwie wartości napięcia, znajduje różnicę między tymi dwoma wartościami i wzmacnia ją. Wynikowe napięcie można uzyskać z pinu wyjściowego. Poniżej przedstawiono podstawowy obwód wzmacniacza różnicowego.

Ale czekaj !, czy to nie jest to, co domyślnie robi wzmacniacz operacyjny, nawet jeśli nie ma sprzężenia zwrotnego, pobiera dwa wejścia i podaje ich różnice na pinie wyjściowym. W takim razie po co nam te wszystkie wymyślne rezystory?

No tak, ale wzmacniacz operacyjny użyty w otwartej pętli (bez sprzężenia zwrotnego) będzie miał bardzo wysokie niekontrolowane wzmocnienie, co praktycznie nie jest przydatne. Tak więc używamy powyższego projektu, aby ustawić wartość wzmocnienia za pomocą rezystorów w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego. W naszym obwodzie powyżej rezystor R3 działa jako rezystor ujemnego sprzężenia zwrotnego, a rezystory R2 i R4 tworzą dzielnik potencjału. Wartość wzmocnienia można ustawić za pomocą odpowiednich wartości rezystorów.

Jak ustawić wzmocnienie wzmacniacza różnicowego?

Napięcia wyjściowego wzmacniacza różnicowego przedstawionego powyżej można otrzymać wzoru

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

Powyższy wzór uzyskano z transmitancji powyższego układu za pomocą twierdzenia o superpozycji. Ale nie zajmujmy się tym zbytnio. Możemy dodatkowo uprościć powyższe równanie, biorąc pod uwagę R1 = R2 i R3 = R4. Więc dostaniemy

Vout = (R3 / R1) (V2-V1), gdy R1 = R2 i R3 = R4

Z powyższego wzoru możemy wywnioskować, że stosunek między R3 i R1 będzie równy wzmocnieniu wzmacniacza.

Zysk = R3 / R1

Teraz podstawmy wartości rezystorów dla powyższego obwodu i sprawdźmy, czy obwód działa zgodnie z oczekiwaniami.

Symulacja obwodu wzmacniacza różnicowego

Wartość rezystora, który wybrałem to 10k dla R1 i R2 oraz 22k dla R3 i R4. Symulacja obwodu dla tego samego jest pokazana poniżej.

Na potrzeby symulacji podałem 4V dla V2 i 3,6V dla V1. Rezystor 22k i 10k zgodnie z wzorami ustawi wzmocnienie na 2,2 (22/10). Tak więc odejmowanie wyniesie 0,4 V (4-3,6) i zostanie pomnożone przez wartość wzmocnienia 2,2, więc otrzymane napięcie wyniesie 0,88 V, jak pokazano w powyższej symulacji. Sprawdźmy to samo, korzystając ze wzoru, o którym mówiliśmy wcześniej.

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

Testowanie obwodu wzmacniacza różnicowego na sprzęcie

A teraz najfajniejsza część, zbudujmy ten sam obwód na płytce prototypowej i sprawdźmy, czy jesteśmy w stanie osiągnąć te same wyniki. Używam wzmacniacza operacyjnego LM324 do budowy obwodu i używam modułu zasilania Breadboard, który zbudowaliśmy wcześniej. Ten moduł może zapewnić wyjście 5 V i 3,3 V, więc używam szyny zasilającej 5 V do zasilania mojego wzmacniacza operacyjnego i szyny zasilającej 3,3 V jako V1. Następnie użyłem mojego RPS (regulowanego zasilacza), aby zapewnić 3,7 V na pinie V2. Różnica między napięciami wynosi 0,4 i mamy wzmocnienie 2,2, co powinno dać nam 0,88 V i dokładnie to dostałem. Poniższy rysunek przedstawia konfigurację i multimetr z odczytem 0.88V.

Dowodzi to, że nasze rozumienie różnicowego wzmacniacza operacyjnego jest poprawne i teraz wiemy, jak samodzielnie zaprojektować jeden z wymaganą wartością wzmocnienia. Całość pracy można również znaleźć na poniższym filmie. Obwody te są częściej używane w aplikacjach regulacji głośności.

Ale ponieważ obwód ma rezystory po stronie napięcia wejściowego (V1 i V2), nie zapewnia on bardzo wysokiej impedancji wejściowej, a także ma wysokie wzmocnienie w trybie wspólnym, co prowadzi do niskiego współczynnika CMRR. Aby przezwyciężyć te wady, istnieje improwizowana wersja wzmacniacza różnicowego zwanego wzmacniaczem oprzyrządowania, ale zostawmy to na inny samouczek.

Mam nadzieję, że zrozumiałeś samouczek i podobała Ci się nauka o wzmacniaczach różnicowych. Jeśli masz jakieś pytania, zostaw je w sekcji komentarzy lub skorzystaj z forum, aby uzyskać bardziej techniczne pytania i szybszą odpowiedź.