Differentiaalivahvistin tai jännitteen vähennyspiiri

Op-Amps kehitettiin alun perin analogisia matemaattisia laskelmia varten, siitä lähtien ne ovat osoittautuneet hyödyllisiksi monissa suunnittelusovelluksissa. Kuten professorini perustellusti sanoivat, op-ampeerit ovat aritmeettisia jännitelaskimia, ne voivat suorittaa kahden annetun jännitearvon lisäämisen Summing Amplifier -piirillä ja kahden jännitearvon eron käyttämällä differentiaalivahvistinta. Tämän lisäksi Op-vahvistinta käytetään yleisesti myös käänteisvahvistimina ja ei-käänteisvahvistimina.

Olemme jo oppineet, kuinka voimme käyttää Op-Ampia jännitteenlisääjänä tai summausvahvistimena, joten tässä opetusohjelmassa opimme käyttämään op-vahvistinta differentiaalivahvistimena kahden jännitearvon välisen jännite-eron löytämiseksi. Sitä kutsutaan myös jännitteen vähentäjäksi. Kokeilemme myös jännitteen vähennyspiiriä leipälaudalla ja tarkistamme, toimiiko piiri odotetusti.

Op-Amp: n perusteet

Ennen kuin sukelamme differentiaalisiin Op-vahvistimiin, käymme nopeasti läpi Op-Amp: n perusteet. Op-Amp on viiden päätelaite (yksi paketti), jossa on kaksi liitintä (Vs +, Vs-) laitteen virtalähteeksi. Jäljellä olevasta kolmesta liittimestä kahta (V +, V-) käytetään signaaleille, joita kutsutaan käänteiseksi ja ei-käänteiseksi liittimeksi, ja loput (Vout) on lähtöliitin. Op-Amp: n perussymboli on esitetty alla.

Op-Amp: n toiminta on hyvin yksinkertaista, se ottaa eri jännitteen kuin kaksi nastaa (V +, V-), vahvistaa sitä vahvistusarvolla ja antaa sen lähtöjännitteeksi (Vout). Op-Amp: n vahvistus voi olla erittäin korkea, joten se soveltuu äänisovelluksiin. Muista aina, että Op-Amp: n tulojännitteen tulisi olla pienempi kuin sen käyttöjännite. Jos haluat lisätietoja op-amp: sta, tarkista sen käyttö erilaisissa op-amp-pohjaisissa piireissä.

Ihanteelliselle Op-Amp: lle tuloimpedanssi on erittäin korkea, toisin sanoen virta ei virtaa Op-Amp: iin sisään tai ulos tuloliittimien (V +, V-) kautta. Op-amp: n toiminnan ymmärtämiseksi voimme luokitella op-amp-piirit laajasti avoimeksi ja suljetuksi.

Op-amp-avoimen piirin piiri (vertailijat)

Avoimen silmukan op-amp-piirissä lähtönasta (Vout) ei ole kytketty mihinkään tuloliittimeen, toisin sanoen palautetta ei anneta. Tällaisissa avoimen silmukan olosuhteissa op-amp toimii vertailijana. Yksinkertainen op-amp-vertailija on esitetty alla. Huomaa, että Vout-nasta ei ole kytketty tuloliittimiin V1 tai V2.

Tässä tilassa, jos V1: een syötetty jännite on suurempi kuin V2, ulostulo Vout nousee korkeaksi. Samoin jos V2: een syötetyt jännitteet ovat suurempia kuin V1, lähtö Vout laskee matalaksi.

Op-amp-suljetun piirin piiri (vahvistimet)

Suljetun piirin op-amp-piirissä op-vahvistimen ulostulotappi on kytketty jompaankumpaan tulotappiin palautteen antamiseksi. Tätä palautetta kutsutaan suljetun silmukan yhteydeksi. Suljetun piirin aikana Op-vahvistin toimii vahvistimena, tässä tilassa op-vahvistin löytää monia hyödyllisiä sovelluksia, kuten puskuri, jännitteen seuraaja, käänteisvahvistin, ei-käänteinen vahvistin, summausvahvistin, differentiaalivahvistin, jännitteen vähennysventtiili jne. Vout-tappi on kytketty kääntöliittimeen, sitten sitä kutsutaan negatiiviseksi takaisinkytkentäpiiriksi (esitetty alla) ja jos se on kytketty ei-käänteisliittimeen, sitä kutsutaan positiiviseksi takaisinkytkentäpiiriksi.

Differentiaalivahvistin tai jännitteen vähennysventtiili

Mennään nyt aiheeseemme, differentiaalivahvistimeen. Differentiaalivahvistin ottaa periaatteessa kaksi jännitearvoa, löytää eron näiden kahden arvon välillä ja vahvistaa sitä. Tuloksena oleva jännite voidaan saada lähtötapista. Differential-vahvistimen peruspiiri on esitetty alla.

Mutta odota !, eikö Op-Amp tee tätä oletusarvoisesti, vaikka sillä ei olisikaan palautetta, se vie kaksi tuloa ja antaa niiden erot lähtönastalle. Miksi sitten tarvitsemme kaikkia näitä hienoja vastuksia?

Kyllä, mutta op-amp: lla, kun sitä käytetään avoimessa silmukassa (ilman palautetta), on erittäin korkea hallitsematon vahvistus, joka ei ole käytännössä hyödyllistä. Joten käytämme yllä olevaa rakennetta vahvistuksen arvon asettamiseksi vastuksia käyttämällä negatiivisessa palautesilmukassa. Ylimmässä piirissämme vastus R3 toimii negatiivisena takaisinkytkentävastuksena ja vastukset R2 ja R4 muodostavat potentiaalijakajan. Vahvistuksen arvo voidaan asettaa käyttämällä vastusten oikeaa arvoa.

Kuinka asettaa differentiaalivahvistimen vahvistus?

Edellä esitetyn differentiaalivahvistimen lähtöjännite voidaan antaa alla olevalla kaavalla

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

Yllä oleva kaava saatiin yllä olevan piirin siirtofunktiosta superpositiolauseen avulla. Mutta emme saa mennä siihen paljon. Voimme yksinkertaistaa yllä olevaa yhtälöä edelleen tarkastelemalla R1 = R2 ja R3 = R4. Joten saamme

Vout = (R3 / R1) (V2-V1), kun R1 = R2 ja R3 = R4

Edellä olevasta kaavasta voidaan päätellä, että R3: n ja R1: n välinen suhde on yhtä suuri kuin vahvistimen vahvistus.

Vahvistus = R3 / R1

Korvataan nyt vastuksen arvot yllä olevalle piirille ja tarkistetaan, toimiiko piiri odotetulla tavalla.

Differentiaalivahvistinpiirin simulointi

Vastuksen arvo, jonka olen valinnut, on 10 k R1: lle ja R2: lle ja 22 k R3: lle ja R4: lle. Saman piirisimulaatio on esitetty alla.

Simulointia varten olen toimittanut 4 V: n V2: lle ja 3,6 V: n V1: lle. Vastus 22k ja 10k kaavojen mukaan asettaa vahvistuksen 2,2 (22/10). Joten vähennys on 0,4 V (4-3,6) ja se kerrotaan vahvistuksen arvolla 2,2, joten tuloksena oleva jännite on 0,88 V, kuten yllä olevassa simulaatiossa on esitetty. Tarkistetaan myös sama käyttämällä kaavaa, josta keskustelimme aiemmin.

Vout = (R3 / R1) (V2-V1) kun R1 = R2 ja R3 = R4 = (22/10) (4-3,6) = (2.2) x (0.4) = 0.88v

Taajuusvahvistinpiirin testaus laitteistolla

Nyt on hauskaa, rakennetaan tosiasiallisesti sama piiri leipälaudalle ja tarkistetaan, pystymmekö saavuttamaan samat tulokset. Käytän piirin rakentamiseen LM324 Op-Amp -laitetta ja käytän aiemmin rakentamaamme leipälautanen virtalähdemoduulia. Tämä moduuli voi tuottaa 5 V: n ja 3,3 V: n lähdön, joten käytän 5 V: n virtakiskoa op-amp: n ja 3,3 V: n tehokiskon virtalähteeseen V1: nä. Sitten käytin RPS: ää (säännelty virtalähde) 3,7 V: n syöttämiseen tapiin V2. Jännitteiden välinen ero on 0,4 ja vahvistuksemme on 2,2, jonka pitäisi antaa meille 0,88 V, ja juuri sen sain. Alla olevassa kuvassa on kokoonpano ja yleismittari, jonka lukema on 0,88 V.

Tämä osoittaa, että ymmärryksemme differentiaalisesta op-amp: sta on oikea ja nyt tiedämme, miten suunnitella yksi omalla vaaditulla vahvistusarvolla. Täydellinen työskentely löytyy myös alla olevasta videosta. Näitä piirejä käytetään useammin äänenvoimakkuuden säätösovelluksissa.

Mutta koska piirillä on vastuksia tulojännitepuolella (V1 ja V2), se ei tarjoa kovin suurta sisääntuloimpedanssia ja sillä on myös suuri yhteismoodin vahvistus, joka johtaa pieneen CMRR-suhteeseen. Näiden haittojen voittamiseksi on olemassa improvisoitu versio differentiaalivahvistimesta, jota kutsutaan instrumentointivahvistimeksi, mutta jätetään se toiseen opetusohjelmaan.

Toivottavasti ymmärrät opetusohjelman ja nautit oppimasta differentiaalivahvistimia. Jos sinulla on kysyttävää, jätä ne kommenttiosioon tai käytä foorumeita teknisempiin kysymyksiin ja nopeammin vastaamiseen.