- Co to jest układ scalony wzmacniacza oprzyrządowania?
- Zrozumienie wzmacniacza oprzyrządowania
- Różnica między wzmacniaczem różnicowym a wzmacniaczem oprzyrządowania
- Wzmacniacz oprzyrządowania wykorzystujący wzmacniacz operacyjny (LM358)
- Symulacja wzmacniacza oprzyrządowania
- Testowanie obwodu wzmacniacza oprzyrządowania na sprzęcie
Prawie wszystkie typy czujników i przetworników konwertują rzeczywiste parametry, takie jak światło, temperatura, waga itp., Na wartości napięcia, aby nasze systemy elektroniczne je zrozumiały. Zmiana tego poziomu napięcia pomoże nam w analizie / pomiarze parametrów świata rzeczywistego, ale w niektórych zastosowaniach, takich jak czujniki biomedyczne, ta zmiana jest bardzo mała (sygnały niskiego poziomu) i bardzo ważne jest śledzenie nawet najmniejszych zmian uzyskać wiarygodne dane. W tych zastosowaniach używany jest wzmacniacz oprzyrządowania.
Wzmacniacz oprzyrządowania zwany INO lub wzmacniaczami wejściowymi, jak sugeruje nazwa, wzmacnia wahania napięcia i zapewnia wyjście różnicowe, jak każdy inny wzmacniacz operacyjny. Ale w przeciwieństwie do zwykłego wzmacniacza, wzmacniacze Instrumentation będą miały wysoką impedancję wejściową z dobrym wzmocnieniem, zapewniając jednocześnie tłumienie szumów w trybie wspólnym przy całkowicie różnicowych wejściach. W porządku, jeśli nie dostaniesz tego teraz, w tym artykule dowiemy się o tych wzmacniaczach Instrumentation, a ponieważ te układy scalone są stosunkowo drogie niż wzmacniacze operacyjne, nauczymy się również, jak używać normalnego wzmacniacza operacyjnego, takiego jak LM385 lub LM324, aby zbudować Wzmacniacz oprzyrządowania i używaj go do naszych aplikacji. Wzmacniacze operacyjne mogą być również używane do budowy sumatora napięcia i obwodu odejmującego napięcie.
Co to jest układ scalony wzmacniacza oprzyrządowania?
Oprócz normalnych układów scalonych wzmacniaczy operacyjnych mamy specjalne wzmacniacze do wzmacniaczy oprzyrządowania, takie jak układ scalony INA114. To nic innego jak kilka zwykłych wzmacniaczy operacyjnych połączonych razem do określonych zastosowań. Aby dowiedzieć się więcej na ten temat, spójrzmy na arkusz danych INA114, aby zapoznać się z jego wewnętrznym schematem obwodu.
Jak widać, układ scalony przyjmuje dwa napięcia sygnału V IN - i V IN +, od teraz rozważmy je jako V1 i V2, aby ułatwić zrozumienie. Napięcie wyjściowe (V O) można obliczyć za pomocą wzorów
V O = G (V2 - V1)
Gdzie G jest wzmocnieniem wzmacniacza operacyjnego i można je ustawić za pomocą zewnętrznego rezystora R G i obliczyć za pomocą poniższych wzorów
G = 1+ (50 kΩ / RG)
Uwaga: Wartość 50 kiloomów ma zastosowanie tylko do układu scalonego INA114, ponieważ wykorzystuje on rezystory 25k (25 + 25 = 50). Możesz obliczyć wartość odpowiednio dla innych obwodów.
Więc w zasadzie teraz, jeśli spojrzysz na to, wzmacniacz wejściowy po prostu zapewnia różnicę między dwoma źródłami napięcia ze wzmocnieniem, które można ustawić za pomocą zewnętrznego rezystora. Czy to brzmi znajomo? Jeśli nie, spójrz na konstrukcję wzmacniacza różnicowego i wróć.
Tak!, To jest dokładnie to, co robi wzmacniacz różnicowy i jeśli przyjrzysz się bliżej, możesz nawet stwierdzić, że wzmacniacz operacyjny A3 na powyższym obrazku to nic innego jak obwód wzmacniacza różnicowego. Więc w kategoriach laika, wzmacniacz instrumentalny jest jeszcze innym rodzajem wzmacniacza różnicowego, ale ma więcej zalet, takich jak wysoka impedancja wejściowa i łatwa regulacja wzmocnienia itp. Zalety te wynikają z dwóch pozostałych wzmacniaczy operacyjnych (A2 i A1) w konstrukcji, dowiemy się więcej na ten temat w następnym nagłówku.
Zrozumienie wzmacniacza oprzyrządowania
Aby w pełni zrozumieć wzmacniacz Instrumentation, podzielmy go na powyższy obraz na znaczące bloki, jak pokazano poniżej.
Jak widać, wzmacniacz wejściowy to po prostu połączenie dwóch obwodów wzmacniacza operacyjnego z buforem i jednego obwodu różnicowego wzmacniacza operacyjnego. Dowiedzieliśmy się o obu tych projektach wzmacniaczy operacyjnych indywidualnie, teraz zobaczymy, jak są połączone, aby utworzyć różnicowy wzmacniacz operacyjny.
Różnica między wzmacniaczem różnicowym a wzmacniaczem oprzyrządowania
Dowiedzieliśmy się już, jak zaprojektować i używać wzmacniacza różnicowego w naszym poprzednim artykule. Niewielką istotną wadą wzmacniacza różnicowego jest to, że ma on bardzo niską impedancję wejściową z powodu rezystorów wejściowych i ma bardzo niski współczynnik CMRR z powodu dużego wzmocnienia w trybie wspólnym. Zostaną one przezwyciężone we wzmacniaczu Instrumentation ze względu na obwód buforowy.
Również we wzmacniaczu różnicowym musimy zmienić wiele rezystorów, aby zmienić wartość wzmocnienia wzmacniacza, ale we wzmacniaczu różnicowym możemy kontrolować wzmocnienie, po prostu dostosowując wartość jednego rezystora.
Wzmacniacz oprzyrządowania wykorzystujący wzmacniacz operacyjny (LM358)
Teraz zbudujmy praktyczny wzmacniacz Instrumentation za pomocą wzmacniacza operacyjnego i sprawdźmy, jak działa. Obwód wzmacniacza oprzyrządowania, którego używam, jest podany poniżej.
Obwód wymaga łącznie trzech wzmacniaczy operacyjnych; Użyłem dwóch układów scalonych LM358. LM358 to wzmacniacz operacyjny z dwoma pakietami, to znaczy ma dwa wzmacniacze operacyjne w jednym pakiecie, więc potrzebujemy dwóch z nich w naszym obwodzie. Podobnie można również użyć trzech wzmacniaczy operacyjnych LM741 w jednym pakiecie lub jednego wzmacniacza operacyjnego LM324 w jednym pakiecie.
W powyższym obwodzie wzmacniacz operacyjny U1: A i U1: B działa jako bufor napięciowy, co pomaga w uzyskaniu wysokiej impedancji wejściowej. Wzmacniacz operacyjny U2: A działa jako różnicowy wzmacniacz operacyjny. Ponieważ wszystkie rezystory różnicowego wzmacniacza operacyjnego mają 10k, działa jako wzmacniacz różnicowy o wzmocnieniu jedności, co oznacza, że napięcie wyjściowe będzie różnicą napięcia między pinem 3 i pinem 2 U2: A.
Napięcie na wyjściu obwodu wzmacniającego Instrumentation można obliczyć za pomocą poniższych wzorów.
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))
Gdzie, R = Wartość rezystora w obwodzie. Tutaj R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7, czyli 10k
Rg = wzmocnienie rezystora. Tutaj Rg = R1, czyli 22k.
Zatem wartość R i Rg decyduje o wzmocnieniu wzmacniacza. Wartość zysku można obliczyć wg
Zysk = (1+ (2R / Rg))
Symulacja wzmacniacza oprzyrządowania
Powyższy obwód podczas symulacji daje następujące wyniki.
Jak widać, napięcia wejściowe V1 to 2,8V, a V2 to 3,3V. Wartość R to 10k, a wartość Rg to 22k. Umieszczenie wszystkich tych wartości w powyższych wzorach
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3,3-2,8) (1+ (2x10 / 22)) = (0,5) * (1,9) = 0,95 V
Otrzymujemy wartość napięcia wyjściowego równą 0,95 V, co odpowiada powyższej symulacji. Czyli wzmocnienie powyższego obwodu wynosi 1,9, a różnica napięć 0,5V. Więc ten obwód w zasadzie zmierzy różnicę między napięciami wejściowymi i pomnoży ją przez wzmocnienie i wytworzy jako napięcie wyjściowe.
Można również zauważyć, że napięcie wejściowe V1 i V2 pojawia się na rezystorze Rg, jest to spowodowane ujemnym sprzężeniem zwrotnym wzmacniacza operacyjnego U1: A i U1: B. Zapewnia to, że spadek napięcia na Rg jest równy różnicy napięć między V1 i V2, co powoduje równy przepływ prądu przez rezystory R5 i R6, co powoduje, że napięcie na pinie 3 i pinie 2 jest równe na wzmacniaczu operacyjnym U2: A. Jeśli mierzysz napięcie przed rezystorami, możesz zobaczyć rzeczywiste napięcie wyjściowe ze wzmacniacza operacyjnego U1: A i U1: B, którego różnica będzie równa napięciu wyjściowemu, jak pokazano powyżej w symulacji.
Testowanie obwodu wzmacniacza oprzyrządowania na sprzęcie
Wystarczająca teoria pozwala faktycznie zbudować ten sam obwód na płytce prototypowej i zmierzyć poziomy napięcia. Moja konfiguracja połączenia jest pokazana poniżej.
Użyłem zasilacza płytki prototypowej, który zbudowaliśmy wcześniej. Ta płyta może dostarczyć zarówno 5 V, jak i 3,3 V. Używam szyny 5 V do zasilania moich obu wzmacniaczy operacyjnych i 3,3 V jako napięcia wejściowego sygnału V2. Drugie napięcie wejściowe V2 jest ustawione na 2,8 V za pomocą mojego RPS. Ponieważ użyłem rezystora 10k dla R i 22k dla R1, wzmocnienie obwodu wyniesie 1,9. Różnica napięcia wynosi 0,5 V, a wzmocnienie 1,9, co daje 0,95 V jako napięcie wyjściowe, które jest mierzone i wyświetlane na obrazie za pomocą multimetru. Kompletny robocze obwodu wzmacniacza oprzyrządowanie jest pokazanie w filmie połączonego poniżej.
Podobnie możesz zmienić wartość R1, aby ustawić wzmocnienie zgodnie z wymaganiami, używając wzorów omówionych powyżej. Ponieważ wzmocnienie tego wzmacniacza można bardzo łatwo regulować za pomocą pojedynczego rezystora, jest on często używany do regulacji głośności w obwodach audio.
Mam nadzieję, że zrozumiałeś obwód i nauczyłeś się czegoś przydatnego. Jeśli masz jakieś pytania, zostaw je w sekcji komentarzy poniżej lub skorzystaj z forum, aby uzyskać szybszą odpowiedź.