- Základy operačního zesilovače
- Op-amp obvod otevřené smyčky (komparátory)
- Operační obvod s uzavřenou smyčkou (zesilovače)
- Diferenciální zesilovač nebo odečítač napětí
- Jak nastavit zisk diferenciálního zesilovače?
- Simulace obvodu diferenciálního zesilovače
- Testování obvodu diferenciálního zesilovače na hardwaru
Operační zesilovače byly původně vyvinuty pro analogové matematické výpočty, od té doby se dnes ukázaly jako užitečné v mnoha konstrukčních aplikacích. Jak správně řekl můj profesor, operační zesilovače jsou aritmetické kalkulačky napětí, mohou provádět přidání dvou daných hodnot napětí pomocí obvodu Summing Amplifier a rozdílu mezi dvěma hodnotami napětí pomocí diferenciálního zesilovače. Kromě toho se operační zesilovač také běžně používá jako invertující zesilovače a neinvertující zesilovače.
Již jsme se naučili, jak můžeme použít operační zesilovač jako sčítač napětí nebo sčítací zesilovač, takže v tomto tutoriálu se naučíme používat operační zesilovač jako diferenciální zesilovač k vyhledání rozdílu napětí mezi dvěma hodnotami napětí. Také se mu říká Subtractor napětí. Vyzkoušíme také obvod odečítání napětí na prkénku a zkontrolujeme, zda obvod funguje podle očekávání.
Základy operačního zesilovače
Než se ponoříme do diferenciálních operačních zesilovačů, projdeme si rychle základy Op-Amp. Op-Amp je zařízení s pěti koncovkami (jedno balení) se dvěma svorkami (Vs +, Vs-) pro napájení zařízení. Ze zbývajících tří svorek se dvě (V +, V-) používají pro signály, které se nazývají invertující a neinvertující svorka a zbývající (Vout) je výstupní svorka. Níže je zobrazen základní symbol operačního zesilovače.
Práce s operačním zesilovačem je velmi jednoduchá, odebírá různé napětí ze dvou pinů (V +, V-), zesiluje je hodnotou Gain a dává ji jako výstupní napětí (Vout). Zisk zesilovače může být velmi vysoký, takže je vhodný pro zvukové aplikace. Vždy pamatujte, že vstupní napětí operačního zesilovače by mělo být menší než jeho provozní napětí. Chcete-li se dozvědět více o operačním zesilovači, zkontrolujte jeho použití v různých obvodech založených na operačních zesilovačích.
Pro ideální operační zesilovač bude vstupní impedance velmi vysoká, to znamená, že žádný proud nebude proudit do nebo z operačního zesilovače vstupními piny (V +, V-). Abychom porozuměli fungování op-amp, můžeme široce kategorizovat obvody op-amp jako otevřenou smyčku a uzavřenou smyčku.
Op-amp obvod otevřené smyčky (komparátory)
V obvodu operačních zesilovačů s otevřenou smyčkou není výstupní pin (Vout) připojen k žádnému ze vstupních pinů, to znamená, že není poskytována žádná zpětná vazba. V takových podmínkách otevřené smyčky funguje operační zesilovač jako komparátor. Níže je uveden jednoduchý komparátor operačních zesilovačů. Všimněte si, že pin Vout není spojen se vstupními piny V1 nebo V2.
V tomto stavu, pokud je napětí dodávané do V1 vyšší než V2, výstup Vout půjde vysoko. Podobně pokud jsou napětí dodávaná do V2 větší než V1, výstup Vout bude nízký.
Operační obvod s uzavřenou smyčkou (zesilovače)
V obvodu operační zesilovače s uzavřenou smyčkou je výstupní kolík operačního zesilovače spojen s jedním ze vstupních kolíků, aby poskytoval zpětnou vazbu. Tato zpětná vazba se nazývá připojení uzavřené smyčky. Během uzavřené smyčky operační zesilovač pracuje jako zesilovač, právě v tomto režimu operační zesilovač najde mnoho užitečných aplikací, jako je vyrovnávací paměť, sledovač napětí, invertující zesilovač, neinvertující zesilovač, součtový zesilovač, diferenciální zesilovač, oddělovač napětí atd. pin Vout je připojen k invertující svorce, pak se nazývá jako obvod záporné zpětné vazby (viz níže) a pokud je připojen k neinvertující svorce, nazývá se to obvod pozitivní zpětné vazby.
Diferenciální zesilovač nebo odečítač napětí
Nyní se pojďme věnovat našemu tématu, Diferenciální zesilovač. Diferenciální zesilovač v zásadě přijímá dvě hodnoty napětí, najde rozdíl mezi těmito dvěma hodnotami a zesílí ho. Výsledné napětí lze získat z výstupního pinu. Níže je uveden základní obvod diferenciálního zesilovače.
Ale počkejte !, není to to, co Op-Amp dělá ve výchozím nastavení, i když nemá žádnou zpětnou vazbu, vyžaduje dva vstupy a poskytuje jejich rozdíly na výstupním kolíku. Proč tedy potřebujeme všechny tyto luxusní rezistory?
Ano, ale operační zesilovač, pokud se používá v otevřené smyčce (bez zpětné vazby), bude mít velmi vysoký nekontrolovaný zisk, což prakticky není užitečné. Výše uvedený návrh tedy používáme k nastavení hodnoty zisku pomocí odporů ve smyčce negativní zpětné vazby. V našem obvodu nad rezistorem R3 působí jako rezistor se zápornou zpětnou vazbou a rezistory R2 a R4 tvoří dělič potenciálu. Hodnotu zisku lze nastavit pomocí správné hodnoty rezistorů.
Jak nastavit zisk diferenciálního zesilovače?
Výstupní napětí diferenciálního zesilovače je uvedeno výše může být dán pod vzorcem
Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)
Výše uvedený vzorec byl získán z přenosové funkce výše uvedeného obvodu pomocí věty o superpozici. Ale moc se tím nezabývejme. Výše uvedenou rovnici můžeme dále zjednodušit zvážením R1 = R2 a R3 = R4. Takže dostaneme
Vout = (R3 / R1) (V2-V1), když R1 = R2 a R3 = R4
Z výše uvedeného vzorce můžeme usoudit, že poměr mezi R3 a R1 se bude rovnat zisku zesilovače.
Zisk = R3 / R1
Nyní nahraďme hodnoty rezistorů pro výše uvedený obvod a zkontrolujte, zda obvod funguje podle očekávání.
Simulace obvodu diferenciálního zesilovače
Hodnota odporu, kterou jsem vybral, je 10k pro R1 a R2 a 22k pro R3 a R4. Simulace obvodu pro totéž je uvedena níže.
Pro účely simulace jsem dodal 4V pro V2 a 3,6V pro V1. Rezistor 22k a 10k podle vzorců nastaví zisk 2,2 (22/10). Odečtení tedy bude 0,4 V (4–3,6) a vynásobí se hodnotou zisku 2,2, takže výsledné napětí bude 0,88 V, jak ukazuje výše uvedená simulace. Pojďme si to také ověřit pomocí vzorce, o kterém jsme hovořili dříve.
Vout = (R3 / R1) (V2-V1), když R1 = R2 a R3 = R4 = (22/10) (4-3,6) = (2,2) x (0,4) = 0,88v
Testování obvodu diferenciálního zesilovače na hardwaru
Nyní k zábavnější části, pojďme vlastně vytvořit stejný obvod na prkénku a zkontrolovat, zda jsme schopni dosáhnout stejných výsledků. Používám LM324 Op-Amp k sestavení obvodu a pomocí napájecího modulu Breadboard, který jsme postavili dříve. Tento modul může poskytovat výstup 5V a 3,3V, takže k napájení svého operačního zesilovače a napájecí lištu 3,3V používám napájecí zdroj 5V jako V1. Pak jsem použil svůj RPS (Regulovaný napájecí zdroj) k napájení 3,7 V na kolík V2. Rozdíl mezi napětími je 0,4 a máme zisk 2,2, který by nám měl dát 0,88 V, a to je přesně to, co jsem dostal. Obrázek níže ukazuje nastavení a multimetr s měřením 0,88 V na něm.
To dokazuje, že naše chápání diferenciálních operačních zesilovačů je správné a nyní víme, jak si sami navrhnout jeden s požadovanou hodnotou zisku. Kompletní práci najdete také ve videu níže. Tyto obvody se častěji používají v aplikacích pro ovládání hlasitosti.
Ale protože obvod má rezistory na straně vstupního napětí (V1 a V2), neposkytuje velmi vysokou vstupní impedanci a má také vysoký společný zisk, který vede k nízkému poměru CMRR. K překonání těchto nevýhod existuje improvizovaná verze diferenciálního zesilovače zvaná přístrojový zesilovač, ale nechme to pro další výukový program.
Doufám, že jste pochopili výukový program a bavilo vás učit se o diferenciálních zesilovačích. Pokud máte nějaké dotazy, nechte je v sekci komentářů nebo použijte fóra pro technické dotazy a rychlejší reakci.