Διαφορικό ενισχυτή ή κύκλωμα αφαίρεσης τάσης

Το Op-Amps αναπτύχθηκε αρχικά για αναλογικούς μαθηματικούς υπολογισμούς, από τότε σήμερα αποδείχτηκε χρήσιμο σε πολλές εφαρμογές σχεδίασης. Όπως σωστά είπαν οι καθηγητές μου, οι op-amp είναι αριθμητικοί υπολογιστές τάσης, μπορούν να πραγματοποιήσουν προσθήκη δύο δεδομένων τιμών τάσης χρησιμοποιώντας το κύκλωμα Summing Amplifier και τη διαφορά μεταξύ δύο τιμών τάσης χρησιμοποιώντας έναν διαφορικό ενισχυτή. Εκτός από αυτό, το Op-Amp χρησιμοποιείται επίσης συνήθως ως ενισχυτές αντιστροφής και ενισχυτές μη αντιστροφής.

Έχουμε ήδη μάθει πώς μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα Op-Amp ως Voltage Adder ή Summing Amplifier, οπότε σε αυτό το σεμινάριο θα μάθουμε πώς να χρησιμοποιούμε το op-amp ως διαφορικό ενισχυτή για να βρούμε τη διαφορά τάσης μεταξύ δύο τιμών τάσης. Ονομάζεται επίσης αφαίρεση τάσης. Θα δοκιμάσουμε επίσης το κύκλωμα αφαίρεσης τάσης σε ένα breadboard και θα ελέγξουμε εάν το κύκλωμα λειτουργεί όπως αναμενόταν.

Βασικά στοιχεία του Op-Amp

Πριν βυθίσουμε τα διαφορικά Op-amp, ας εξετάσουμε γρήγορα τα βασικά του Op-Amp. Το Op-Amp είναι μια συσκευή πέντε τερματικών (ένα πακέτο) με δύο τερματικά (Vs +, Vs-) για την τροφοδοσία της συσκευής. Από τους υπόλοιπους τρεις ακροδέκτες δύο (V +, V-) χρησιμοποιούνται για σήματα που ονομάζονται τερματικό αντιστροφής και μη αντιστροφής και το υπόλοιπο (Vout) είναι το τερματικό εξόδου. Το βασικό σύμβολο ενός Op-Amp φαίνεται παρακάτω.

Η λειτουργία ενός Op-Amp είναι πολύ απλή, παίρνει τη διαφορετική τάση από δύο ακίδες (V +, V-), την ενισχύει με τιμή Gain και την δίνει ως τάση εξόδου (Vout). Το κέρδος ενός Op-Amp μπορεί να είναι πολύ υψηλό καθιστώντας το κατάλληλο για εφαρμογές ήχου. Να θυμάστε πάντα ότι η τάση εισόδου του Op-Amp πρέπει να είναι μικρότερη από την τάση λειτουργίας του. Για να μάθετε περισσότερα σχετικά με το op-amp, ελέγξτε την εφαρμογή του σε διάφορα κυκλώματα που βασίζονται σε op-amp.

Για ένα ιδανικό Op-Amp, η αντίσταση εισόδου θα είναι πολύ υψηλή, δηλαδή δεν υπάρχει ρεύμα που θα ρέει μέσα ή έξω από το Op-Amp μέσω των ακίδων εισόδου (V +, V-). Για να κατανοήσουμε τη λειτουργία του op-amp μπορούμε γενικά να κατηγοριοποιήσουμε τα κυκλώματα op-amp ως ανοιχτό βρόχο και κλειστό βρόχο.

Κύκλωμα ανοικτού βρόχου Op-amp (Συγκριτές)

Σε κύκλωμα op-amp ανοιχτού βρόχου, ο πείρος εξόδου (Vout) δεν συνδέεται με καμία από τις ακίδες εισόδου, δεν παρέχεται ανατροφοδότηση. Σε τέτοιες συνθήκες ανοιχτού βρόχου, το op-amp λειτουργεί ως συγκριτικό. Ένας απλός συγκριτής op-amp φαίνεται παρακάτω. Παρατηρήστε ότι ο πείρος Vout δεν είναι συνδεδεμένος με ακίδες εισόδου V1 ή V2.

Σε αυτήν την κατάσταση, εάν η τάση που παρέχεται στο V1 είναι μεγαλύτερη από το V2, η έξοδος Vout θα αυξηθεί. Ομοίως, εάν οι τάσεις που παρέχονται στο V2 είναι μεγαλύτερες από το V1, τότε η έξοδος Vout θα μειωθεί.

Κύκλωμα κλειστού βρόχου Op-amp (Ενισχυτές)

Σε ένα κύκλωμα op-amp κλειστού βρόχου, ο πείρος εξόδου του op-amp συνδέεται με οποιονδήποτε από τον ακροδέκτη εισόδου για να παρέχει ανατροφοδότηση. Αυτή η ανατροφοδότηση ονομάζεται σύνδεση κλειστού βρόχου. Κατά τη διάρκεια κλειστού βρόχου, ένα Op-amp λειτουργεί ως ενισχυτής, σε αυτήν τη λειτουργία ένα op-amp βρίσκει πολλές χρήσιμες εφαρμογές όπως buffer, voltage follower, Inverting Amplifier, Non-Inverting amplifier, Summing ενισχυτή, Differential ενισχυτή, Voltage subtractor κ.λπ. ο ακροδέκτης Vout είναι συνδεδεμένος στο τερματικό αντιστροφής και στη συνέχεια καλείται ως κύκλωμα αρνητικής ανάδρασης (φαίνεται παρακάτω) και εάν συνδέεται στο τερματικό μη αναστροφής ονομάζεται κύκλωμα θετικής ανάδρασης.

Διαφορικός ενισχυτής ή αφαίρεση τάσης

Τώρα ας μπείτε στο θέμα μας, διαφορικός ενισχυτής. Ένας διαφορικός ενισχυτής βασικά παίρνει δύο τιμές τάσης, βρίσκει τη διαφορά μεταξύ αυτών των δύο τιμών και τον ενισχύει. Η προκύπτουσα τάση μπορεί να ληφθεί από τον πείρο εξόδου. Ένα βασικό κύκλωμα διαφορικού ενισχυτή φαίνεται παρακάτω.

Αλλά περιμένετε !, δεν είναι αυτό που κάνει το Op-Amp από προεπιλογή, ακόμη και όταν δεν έχει σχόλια, παίρνει δύο εισόδους και παρέχει τις διαφορές τους στον πείρο εξόδου. Τότε γιατί χρειαζόμαστε όλες αυτές τις φανταχτερές αντιστάσεις;

Λοιπόν ναι, αλλά το op-amp όταν χρησιμοποιείται σε ανοιχτό βρόχο (χωρίς ανατροφοδότηση) θα έχει ένα πολύ υψηλό ανεξέλεγκτο κέρδος που ουσιαστικά δεν είναι χρήσιμο. Χρησιμοποιούμε λοιπόν τον παραπάνω σχεδιασμό για να ορίσουμε την τιμή κέρδους χρησιμοποιώντας αντιστάσεις σε ένα αρνητικό βρόχο ανάδρασης. Στο κύκλωμα μας πάνω από την αντίσταση R3 λειτουργεί ως αντίσταση αρνητικής ανάδρασης και οι αντιστάσεις R2 και R4 σχηματίζουν έναν πιθανό διαχωριστή. Η τιμή κέρδους μπορεί να οριστεί χρησιμοποιώντας τη σωστή τιμή των αντιστάσεων.

Πώς να ρυθμίσετε το κέρδος ενός διαφορικού ενισχυτή;

Η τάση εξόδου του διαφορικού ενισχυτή που φαίνεται παραπάνω μπορεί να δοθεί με τον παρακάτω τύπο

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

Ο παραπάνω τύπος ελήφθη από τη συνάρτηση μεταφοράς του παραπάνω κυκλώματος χρησιμοποιώντας θεώρημα υπέρθεσης. Αλλά ας μην μπαίνουμε πολλά σε αυτό. Μπορούμε να απλοποιήσουμε περαιτέρω την παραπάνω εξίσωση λαμβάνοντας υπόψη τα R1 = R2 και R3 = R4. Έτσι θα πάρουμε

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

Από τον παραπάνω τύπο μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η αναλογία μεταξύ R3 και R1 θα είναι ίση με το κέρδος του ενισχυτή.

Κέρδος = R3 / R1

Τώρα, ας αντικαταστήσουμε τις τιμές αντιστάσεων για το παραπάνω κύκλωμα και ελέγξτε αν το κύκλωμα λειτουργεί όπως αναμένεται.

Προσομοίωση κυκλώματος διαφορικού ενισχυτή

Η τιμή αντίστασης που έχω επιλέξει είναι 10k για R1 και R2 και 22k για R3 και R4. Η προσομοίωση κυκλώματος για το ίδιο φαίνεται παρακάτω.

Για σκοπούς προσομοίωσης, έχω δώσει 4V για V2 ​​και 3.6V για V1. Η αντίσταση 22k και 10k σύμφωνα με τους τύπους θα έχει κέρδος 2,2 (22/10). Έτσι, η αφαίρεση θα είναι 0,4V (4-3,6) και θα πολλαπλασιαστεί με την τιμή κέρδους 2,2, ώστε η προκύπτουσα τάση να είναι 0,88V, όπως φαίνεται στην παραπάνω προσομοίωση. Ας επαληθεύσουμε επίσης το ίδιο χρησιμοποιώντας τον τύπο που συζητήσαμε νωρίτερα.

Vout = (R3 / R1) (V2-V1) όταν R1 = R2 και R3 = R4 = (22/10) (4-3.6) = (2.2) x (0.4) = 0.88v

Δοκιμή του κυκλώματος διαφορικού ενισχυτή σε υλικό

Τώρα στο διασκεδαστικό μέρος, ας κατασκευάσουμε πραγματικά το ίδιο κύκλωμα στο breadboard και ελέγξτε αν μπορούμε να επιτύχουμε τα ίδια αποτελέσματα. Χρησιμοποιώ το LM324 Op-Amp για την κατασκευή του κυκλώματος και τη μονάδα τροφοδοσίας Breadboard που δημιουργήσαμε νωρίτερα. Αυτή η μονάδα μπορεί να παρέχει έξοδο 5V και 3.3V, οπότε χρησιμοποιώ τη ράγα τροφοδοσίας 5V για να τροφοδοτήσω το op-amp μου και τη ράγα ισχύος 3.3V ως V1. Στη συνέχεια, χρησιμοποίησα το RPS μου (Ρυθμιζόμενο Τροφοδοτικό) για παροχή 3,7V στον πείρο V2. Η διαφορά μεταξύ των τάσεων είναι 0,4 και έχουμε ένα κέρδος 2,2 που θα πρέπει να μας δώσει 0,88V και αυτό ακριβώς πήρα. Η παρακάτω εικόνα δείχνει τη ρύθμιση και το πολύμετρο με ένδειξη 0,88V σε αυτό.

Αυτό αποδεικνύει ότι η κατανόησή μας για το διαφορικό op-amp είναι σωστή και τώρα ξέρουμε πώς να σχεδιάζουμε μόνοι μας με την απαιτούμενη τιμή κέρδους. Η πλήρης εργασία μπορεί επίσης να βρεθεί στο παρακάτω βίντεο. Αυτά τα κυκλώματα χρησιμοποιούνται συχνότερα σε εφαρμογές ελέγχου έντασης.

Όμως, δεδομένου ότι το κύκλωμα έχει αντιστάσεις στην πλευρά της τάσης εισόδου (V1 και V2), δεν παρέχει πολύ υψηλή αντίσταση εισόδου και έχει επίσης υψηλό κοινό κέρδος λειτουργίας που οδηγεί σε χαμηλή αναλογία CMRR. Για να ξεπεραστούν αυτά τα μειονεκτήματα υπάρχει μια αυτοσχέδια έκδοση του διαφορικού ενισχυτή που ονομάζεται ενισχυτής οργάνων, αλλά ας το αφήσουμε για ένα άλλο σεμινάριο.

Ελπίζω να καταλάβατε το σεμινάριο και να απολαύσατε να μάθετε σχετικά με τους διαφορικούς ενισχυτές. Εάν έχετε οποιεσδήποτε απορίες αφήστε τα στην ενότητα σχολίων ή χρησιμοποιήστε τα φόρουμ για περισσότερες τεχνικές ερωτήσεις και ταχύτερη απάντηση.