Instrumentointivahvistinpiiri op

Lähes kaikentyyppiset anturit ja anturit muuntavat reaalimaailman parametrit, kuten valon, lämpötilan, painon jne., Jännite-arvoiksi, jotta elektroniset järjestelmämme ymmärtävät sen. Tämän jännitetason vaihtelu auttaa meitä analysoimaan / mittaamaan reaalimaailman parametreja, mutta joissakin sovelluksissa, kuten biolääketieteellisissä antureissa, tämä vaihtelu on hyvin pieni (matalan tason signaalit) ja on erittäin tärkeää seurata jopa minuuttivaihtelua saada luotettavaa tietoa. Näissä sovelluksissa käytetään instrumentointivahvistinta.

Instrumentointivahvistin eli INO tai ampeeri, kuten nimestä voi päätellä, vahvistaa jännitteen vaihtelua ja tarjoaa differentiaalilähdön kuten mikä tahansa muu op-vahvistin. Mutta toisin kuin normaalissa vahvistimessa, instrumentointivahvistimilla on korkea tuloimpedanssi hyvällä vahvistuksella ja samalla tarjotaan yhteismoodinen kohinan hylkäys täysin differentiaalisilla tuloilla. On okei, jos et saa sitä nyt, tässä artikkelissa opimme näistä Instrumentation-vahvistimista ja koska nämä IC: t ovat suhteellisen kalliita kuin Op-vahvistimet, opimme myös käyttämään normaalia Op-vahvistinta, kuten LM385 tai LM324, rakentamaan Instrumentointivahvistin ja käytä sitä sovelluksissamme. Op-ampeereita voidaan käyttää myös jännitteen summaimen ja jännitteen vähennyspiirin rakentamiseen.

Mikä on instrumentointivahvistin IC?

Normaalien op-vahvistimien IC: n lisäksi meillä on joitain erityisiä vahvistimia instrumentointivahvistimille, kuten INA114 IC. Se ei ole muuta kuin muutama normaali op-vahvistin yhdistettynä tiettyjä erityissovelluksia varten. Ymmärtääksemme lisää tästä, tutustu INA114: n sisäiseen piirikaavioon.

Kuten näette, IC ottaa vastaan ​​kaksi signaalijännitettä V _IN - ja V _IN +, katsotaanpa niitä nyt V1: ksi ja V2: ksi ymmärtämisen helpottamiseksi. Lähtöjännite (_VO) voidaan laskea kaavojen avulla

V _O = G (V2 - V1)

Missä, G on op-amp: n vahvistus, ja se voidaan asettaa ulkoisella vastuksella R _G ja laskea seuraavilla kaavoilla

G = 1+ (50k Ω / RG)

Huomaa: Arvo 50k ohm koskee vain INA114 IC: tä, koska se käyttää 25k: n (25 + 25 = 50) vastuksia. Voit laskea arvon muille piireille vastaavasti.

Joten pohjimmiltaan nyt, jos katsot sitä, In-amp tarjoaa vain kahden jännitelähteen välisen eron vahvistuksella, joka voidaan asettaa ulkoisella vastuksella. Kuulostaako tämä tutulta? Jos ei, katsokaa Differential-vahvistimen rakennetta ja palaa takaisin.

Kyllä!, Tämä on juuri se, mitä differentiaalivahvistin tekee, ja jos tarkastelet tarkemmin, voit jopa huomata, että yllä olevassa kuvassa oleva op-amp A3 ei ole muuta kuin differentiaalivahvistinpiiri. Joten maallikkona sanottuna Instrumentation-vahvistin on jälleen eräänlainen differentiaalivahvistin, mutta sillä on enemmän etuja, kuten korkea tuloimpedanssi ja helppo vahvistuksen säätö jne. Nämä edut johtuvat kahdesta muusta op-vahvistimesta (A2 ja A1) suunnittelussa, opimme siitä lisää seuraavasta otsikosta.

Instrumentointivahvistimen ymmärtäminen

Jotta voisimme ymmärtää Instrumentation-vahvistimen kokonaan, hajotetaan se yllä oleva kuva mielekkäiksi lohkoiksi alla esitetyllä tavalla.

Kuten näette , In-Amp on vain kahden Buffer-op-amp-piirin ja yhden differentiaalisen op-amp-piirin yhdistelmä. Olemme oppineet molemmista näistä op-amp-suunnittelusta erikseen, nyt näemme, miten ne yhdistetään differentiaalisen op-vahvistimen muodostamiseksi.

Ero differentiaalivahvistimen ja instrumentointivahvistimen välillä

Olemme jo oppineet, kuinka suunnitella ja käyttää differentiaalivahvistinta edellisessä artikkelissamme. Harvat huomattavat haitat differentiaalivahvistimelle ovat, että sillä on erittäin pieni tuloimpedanssi tulovastusten takia ja CMRR on erittäin matala korkean yhteismoodin vahvistuksen vuoksi. Nämä voitetaan instrumentointivahvistimessa puskuripiirin takia.

Myös differentiaalivahvistimessa on vaihdettava paljon vastuksia vahvistimen vahvistuksen arvon muuttamiseksi, mutta differentiaalivahvistimessa voimme hallita vahvistusta yksinkertaisesti säätämällä yhtä vastuksen arvoa.

Instrumentointivahvistin, joka käyttää Op-vahvistinta (LM358)

Rakennetaan nyt käytännöllinen Instrumentation-vahvistin op-amp: n avulla ja tarkistetaan, miten se toimii. Op-amp instrumentointi vahvistinpiiri, että olen käyttäen on esitetty alla.

Piiri vaatii kolme op-vahvistinta kaikki yhdessä; Olen käyttänyt kahta LM358 IC: tä. LM358 on kaksivaiheinen op-vahvistin, eli siinä on kaksi op-vahvistinta yhdessä paketissa, joten tarvitsemme kaksi niistä piirillemme. Vastaavasti voit käyttää myös kolmea yksittäispakettia LM741 op-amp tai yhtä nelipakettista LM324 op-amp.

Yllä olevassa piirissä op-amp U1: A ja U1: B toimivat jännitepuskurina, mikä auttaa saavuttamaan korkean tuloimpedanssin. Op-vahvistin U2: A toimii differentiaalisena op-vahvistimena. Koska kaikki differentiaalisen op-amp: n vastukset ovat 10k, se toimii yhtenäisyyden vahvistuserovahvistimena, mikä tarkoittaa, että lähtöjännite on jännitteen ero nastojen 3 ja 2 välillä U2: A.

Lähtöjännite Instrumentation vahvistimen piiri voidaan laskea alla olevissa kaavoissa.

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))

Missä R = Vastuksen arvo piiri. Tässä R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7, joka on 10k

Rg = Vahvistusvastus. Tässä Rg = R1joka on 22k.

Joten R: n ja Rg: n arvo päättää vahvistimen vahvistuksen. Voiton arvo voidaan laskea

Vahvistus = (1+ (2R / Rg))

Instrumentointivahvistimen simulointi

Yllä oleva piiri simuloituna antaa seuraavat tulokset.

Kuten näette, tulojännitteet V1 on 2,8 V ja V2 3,3 V. R: n arvo on 10k ja Rg: n arvo on 22k. Kaikkien näiden arvojen lisääminen yllä oleviin kaavoihin

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3.3-2.8) (1+ (2x10 / 22)) = (0.5) * (1.9) = 0.95V

Saamme lähtöjännitteen arvoksi 0,95 V, joka vastaa yllä olevaa simulaatiota. Joten yllä olevan piirin vahvistus on 1,9 ja jännite-ero 0,5 V. Joten tämä piiri mittaa periaatteessa tulojännitteiden eron ja kertoo sen vahvistuksella ja tuottaa sen lähtöjännitteeksi.

Voit myös huomata, että tulojännite V1 ja V2 ilmestyy vastuksen Rg yli, mikä johtuu Op-vahvistimen U1: A ja U1: B negatiivisesta palautteesta. Tämä varmistaa, että Rg: n jännitehäviö on yhtä suuri kuin jännitteiden ero V1: n ja V2: n välillä, mikä saa aikaan saman määrän virtaa virtaamaan vastusten R5 ja R6 läpi, jolloin jännite napoissa 3 ja 2 on yhtä suuri op-amp U2: A: lla. Jos mitataan jännite ennen vastuksia, näet todellisen lähtöjännitteen op-vahvistimesta U1: A ja U1: B, joiden ero on yhtä suuri kuin lähtöjännite, kuten yllä on esitetty simulaatiossa.

Instrumentointivahvistinpiirin testaaminen laitteistolla

Tarpeeksi teoria antaa tosiasiallisesti rakentaa saman piirin leipälaudalle ja mitata jännitetasot. Yhteyden määritys näkyy alla.

Olen käyttänyt aiemmin rakentamamme leipälautalähteen virtalähdettä. Tämä levy pystyy toimittamaan sekä 5 V: n että 3,3 V: n. Käytän 5 V: n kiskoa molempien op-vahvistimien ja 3,3 V: n virtana signaalin tulojännitteenä V2. Toinen tulojännite V2 asetetaan 2,8 V: iin RPS: llä. Koska olen käyttänyt myös 10k vastusta R: lle ja 22k vastusta R1: lle, piirin vahvistus on 1,9. Erojännite on 0,5 V ja vahvistus on 1,9, jonka tulos antaa meille 0,95 V lähtöjännitteeksi, joka mitataan ja näytetään kuvassa yleismittarilla. Täydellinen toiminnan instrumentointivahvistin piiri on näyttää video liittyy alla.

Vastaavasti voit muuttaa R1: n arvoa vahvistuksen asettamiseksi vaaditulla tavalla käyttämällä yllä käsiteltyjä kaavoja. Koska tämän vahvistimen vahvistusta voidaan ohjata erittäin helposti yhdellä vastuksella, sitä käytetään usein äänenpiirien äänenvoimakkuuden säätelyssä.

Toivottavasti ymmärrät piirin ja nautit oppimasta jotain hyödyllistä. Jos sinulla on kysyttävää, jätä ne alla olevaan kommenttiosioon tai käytä foorumia nopeammin vastaamiseen.