- Τι είναι ένα IC Ενισχυτής Οργάνωσης;
- Κατανόηση του ενισχυτή οργάνων
- Διαφορά μεταξύ διαφορικού ενισχυτή και ενισχυτή οργάνων
- Ενισχυτής Οργάνωσης με χρήση Op-amp (LM358)
- Προσομοίωση ενισχυτή οργάνων
- Δοκιμή του κυκλώματος ενισχυτή οργάνων σε υλικό
Σχεδόν όλοι οι τύποι αισθητήρων και μετατροπέων μετατρέπουν πραγματικές παραμέτρους όπως φως, θερμοκρασία, βάρος κ.λπ. σε τιμές τάσης για να τα καταλάβουν τα ηλεκτρονικά μας συστήματα. Η διακύμανση σε αυτό το επίπεδο τάσης θα μας βοηθήσει στην ανάλυση / μέτρηση των παραμέτρων του πραγματικού κόσμου, αλλά σε ορισμένες εφαρμογές όπως οι βιοϊατρικοί αισθητήρες αυτή η παραλλαγή είναι πολύ μικρή (σήματα χαμηλού επιπέδου) και είναι πολύ σημαντικό να παρακολουθείτε ακόμη και την ελάχιστη διακύμανση έως λάβετε αξιόπιστα δεδομένα. Σε αυτές τις εφαρμογές χρησιμοποιείται ένας Ενισχυτής Οργάνωσης.
Ένας ενισχυτής Instrumentation aka INO ή in-amps όπως υποδηλώνει το όνομα ενισχύει τη διακύμανση της τάσης και παρέχει μια διαφορική έξοδο όπως κάθε άλλο op-amp. Όμως, σε αντίθεση με έναν κανονικό ενισχυτή, οι ενισχυτές Instrumentation θα έχουν υψηλή αντίσταση εισόδου με καλό κέρδος παρέχοντας παράλληλα κοινή λειτουργία απόρριψης θορύβου με πλήρως διαφορικές εισόδους. Είναι εντάξει αν δεν το αποκτήσετε τώρα, σε αυτό το άρθρο θα μάθουμε για αυτούς τους ενισχυτές οργάνων και δεδομένου ότι αυτά τα IC είναι σχετικά ακριβά από τα Op-amp, θα μάθουμε επίσης πώς να χρησιμοποιούμε κανονικό Op-amp όπως LM385 ή LM324 για να δημιουργήσουμε ένα Ενισχυτής οργάνων και χρησιμοποιήστε τον για τις εφαρμογές μας. Τα Op-amp μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή αθροιστή τάσης και κύκλωμα αφαίρεσης τάσης.
Τι είναι ένα IC Ενισχυτής Οργάνωσης;
Εκτός από το κανονικό op-amps IC έχουμε κάποιον ειδικό τύπο ενισχυτή για ενισχυτή Instrumentation όπως το INA114 IC. Δεν είναι τίποτα περισσότερο από λίγα κανονικά op-amp που συνδυάζονται για ορισμένες συγκεκριμένες εφαρμογές. Για να κατανοήσετε περισσότερα σχετικά με αυτό, ας δούμε το φύλλο δεδομένων του INA114 για το διάγραμμα εσωτερικού κυκλώματος.
Όπως μπορείτε να δείτε ότι το IC λαμβάνει δύο τάσεις σήματος V IN - και V IN +, ας τα θεωρήσουμε ως V1 και V2 από τώρα για ευκολία κατανόησης. Η τάση εξόδου (V O) μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τους τύπους
V O = G (V2 - V1)
Όπου, το G είναι το κέρδος του op-amp και μπορεί να ρυθμιστεί χρησιμοποιώντας την εξωτερική αντίσταση R G και να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τους παρακάτω τύπους
G = 1+ (50k Ω / RG)
Σημείωση: Η τιμή 50k ohm ισχύει μόνο για το IC INA114 αφού χρησιμοποιεί αντιστάσεις 25k (25 + 25 = 50). Μπορείτε να υπολογίσετε την τιμή για άλλα κυκλώματα αντίστοιχα.
Βασικά λοιπόν τώρα αν το κοιτάξετε, ένα In-amp παρέχει μόνο τη διαφορά μεταξύ δύο πηγών τάσης με κέρδος που μπορεί να ρυθμιστεί από μια εξωτερική αντίσταση. Αυτό ακούγεται οικείο; Αν δεν ρίξετε μια ματιά στη σχεδίαση διαφορικού ενισχυτή και επιστρέψτε.
Ναι!, Αυτό ακριβώς κάνει ένας διαφορικός ενισχυτής και αν ρίξετε μια πιο προσεκτική ματιά, μπορείτε ακόμη και να διαπιστώσετε ότι το op-amp A3 στην παραπάνω εικόνα δεν είναι παρά ένα κύκλωμα διαφορικού ενισχυτή. Έτσι, σε απλούς όρους, ένας ενισχυτής Instrumentation είναι ένας άλλος τύπος διαφορικού ενισχυτή, αλλά με περισσότερα πλεονεκτήματα όπως υψηλή αντίσταση εισόδου και εύκολο έλεγχο κέρδους κ.λπ. Αυτά τα πλεονεκτήματα οφείλονται στα άλλα δύο op-amp (A2 και A1) στο σχεδιασμό, θα μάθουμε περισσότερα για αυτό στον επόμενο τίτλο.
Κατανόηση του ενισχυτή οργάνων
Για να κατανοήσουμε πλήρως τον ενισχυτή οργάνων, ας το χωρίσουμε στην παραπάνω εικόνα σε ουσιαστικά μπλοκ όπως φαίνεται παρακάτω.
Όπως μπορείτε να δείτε, το In-Amp είναι απλώς ένας συνδυασμός δύο κύκλων Buffer op-amp και ενός διαφορικού κύκλου op-amp. Έχουμε μάθει για αμφότερα αυτά τα σχέδια op-amp ξεχωριστά, τώρα θα δούμε πώς συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένα διαφορικό Op-amp.
Διαφορά μεταξύ διαφορικού ενισχυτή και ενισχυτή οργάνων
Έχουμε ήδη μάθει πώς να σχεδιάζουμε και να χρησιμοποιούμε έναν διαφορικό ενισχυτή στο προηγούμενο άρθρο μας. Λίγο σημαντικό μειονέκτημα του διαφορικού ενισχυτή είναι ότι έχει πολύ χαμηλή αντίσταση εισόδου λόγω των αντιστάσεων εισόδου και έχει πολύ χαμηλή CMRR λόγω του υψηλού κοινού κέρδους λειτουργίας. Αυτά θα ξεπεραστούν σε έναν ενισχυτή Οργάνωσης λόγω του ρυθμιστικού κυκλώματος.
Επίσης σε έναν διαφορικό ενισχυτή πρέπει να αλλάξουμε πολλές αντιστάσεις για να αλλάξουμε την τιμή κέρδους του ενισχυτή, αλλά σε έναν διαφορικό ενισχυτή μπορούμε να ελέγξουμε το κέρδος ρυθμίζοντας απλώς μια τιμή αντίστασης.
Ενισχυτής Οργάνωσης με χρήση Op-amp (LM358)
Τώρα ας δημιουργήσουμε έναν πρακτικό ενισχυτή Instrumentation χρησιμοποιώντας op-amp και ελέγξτε πώς λειτουργεί. Το κύκλωμα ενισχυτή οργάνων op-amp που χρησιμοποιώ δίνεται παρακάτω.
Το κύκλωμα απαιτεί τρία op-amp συνολικά. Έχω χρησιμοποιήσει δύο LM358 IC. Το LM358 είναι ένα διπλό πακέτο op-amp, δηλαδή έχει δύο op-amp σε ένα πακέτο, οπότε χρειαζόμαστε δύο από αυτά για το κύκλωμα μας. Παρομοίως, μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε τρία μονό πακέτα LM741 op-amp ή ένα τετραπλό LM324 op-amp.
Στο παραπάνω κύκλωμα, τα op-amp U1: A και U1: B ενεργούν ως buffer τάσης, αυτό βοηθά στην επίτευξη υψηλής αντίστασης εισόδου. Το op-amp U2: A λειτουργεί ως διαφορικό op-amp. Δεδομένου ότι όλες οι αντιστάσεις του διαφορικού op-amp είναι 10k, λειτουργεί ως διαφορικός ενισχυτής κέρδους ενότητας που σημαίνει ότι η τάση εξόδου θα είναι η διαφορά τάσης μεταξύ του ακροδέκτη 3 και του ακροδέκτη 2 του U2: A.
Η τάση εξόδου του κυκλώματος ενισχυτή Instrumentation μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τους παρακάτω τύπους.
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))
Όπου, R = Η αντίσταση τιμή του κυκλώματος. Εδώ R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 που είναι 10k
Rg = Αντίσταση κέρδους. Εδώ Rg = R1 που είναι 22k.
Έτσι, η τιμή των R και Rg αποφασίζει το κέρδος του ενισχυτή. Η αξία κέρδους μπορεί να υπολογιστεί με
Κέρδος = (1+ (2R / Rg))
Προσομοίωση ενισχυτή οργάνων
Το παραπάνω κύκλωμα όταν προσομοιώνεται δίνει τα ακόλουθα αποτελέσματα.
Όπως μπορείτε να δείτε, οι τάσεις εισόδου V1 είναι 2,8V και V2 είναι 3,3V. Η τιμή του R είναι 10k και η τιμή του Rg είναι 22k. Βάζοντας όλες αυτές τις τιμές στους παραπάνω τύπους
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3.3-2.8) (1+ (2x10 / 22)) = (0.5) * (1.9) = 0.95V
Παίρνουμε την τιμή της τάσης εξόδου να είναι 0,95V που ταιριάζει με την παραπάνω προσομοίωση. Έτσι το κέρδος του παραπάνω κυκλώματος είναι 1,9 και η διαφορά τάσης είναι 0,5V. Έτσι, αυτό το κύκλωμα βασικά θα μετρήσει τη διαφορά μεταξύ των τάσεων εισόδου και θα το πολλαπλασιάσει με το κέρδος και θα το παράγει ως τάση εξόδου.
Μπορείτε επίσης να παρατηρήσετε ότι η τάση εισόδου V1 και V2 εμφανίζεται στην αντίσταση Rg, αυτό οφείλεται στην αρνητική ανάδραση των Op-amp U1: A και U1: B. Αυτό διασφαλίζει ότι η πτώση τάσης σε Rg είναι ίση με τη διαφορά τάσης μεταξύ V1 και V2, η οποία προκαλεί ίση ποσότητα ρεύματος μέσω των αντιστάσεων R5 και R6 κάνοντας την τάση στον ακροδέκτη 3 και τον ακροδέκτη 2 ίσο στον op-amp U2: A. Εάν μετρήσετε την τάση πριν από τις αντιστάσεις, μπορείτε να δείτε την πραγματική τάση εξόδου από τα op-amp U1: A και U1: B των οποίων η διαφορά θα είναι ίση με την τάση εξόδου όπως φαίνεται παραπάνω στην προσομοίωση.
Δοκιμή του κυκλώματος ενισχυτή οργάνων σε υλικό
Η Αρκετή Θεωρία επιτρέπει στην πραγματικότητα να χτίσει το ίδιο κύκλωμα σε ένα breadboard και να μετρήσει τα επίπεδα τάσης. Η ρύθμιση της σύνδεσής μου εμφανίζεται παρακάτω.
Έχω χρησιμοποιήσει το τροφοδοτικό breadboard που χτίσαμε νωρίτερα. Αυτός ο πίνακας θα μπορούσε να προσφέρει τόσο 5V όσο και 3.3V. Χρησιμοποιώ τη ράγα 5V για να τροφοδοτήσω και τους δύο op-amp και το 3.3V ως τάση εισόδου σήματος V2. Η άλλη τάση εισόδου V2 έχει ρυθμιστεί στα 2,8V χρησιμοποιώντας το RPS μου. Εφόσον έχω χρησιμοποιήσει επίσης αντίσταση 10k για R και 22 k αντίσταση για R1, το κέρδος του κυκλώματος θα είναι 1,9. Η διαφορά τάσης είναι 0,5V και το κέρδος είναι 1,9 προϊόν εκ των οποίων θα μας δώσει 0,95V ως τάση εξόδου που μετριέται και εμφανίζεται στην εικόνα χρησιμοποιώντας ένα πολύμετρο. Η πλήρης λειτουργία του κυκλώματος ενισχυτή οργάνων εμφανίζεται στο παρακάτω βίντεο.
Ομοίως, μπορείτε να αλλάξετε την τιμή του R1 για να ορίσετε το κέρδος όπως απαιτείται χρησιμοποιώντας τους τύπους που συζητήθηκαν παραπάνω. Δεδομένου ότι το κέρδος αυτού του ενισχυτή μπορεί να ελεγχθεί πολύ εύκολα χρησιμοποιώντας μία αντίσταση, χρησιμοποιείται συχνά στον έλεγχο έντασης για κυκλώματα ήχου.
Ελπίζω να καταλάβατε το κύκλωμα και απολαύσατε να μάθετε κάτι χρήσιμο. Εάν έχετε οποιεσδήποτε ερωτήσεις αφήστε τις στην παρακάτω ενότητα σχολίων ή χρησιμοποιήστε το φόρουμ για ταχύτερη απόκριση.