Amplificator diferențial sau circuit de scădere a tensiunii

Op-Amps au fost inițial dezvoltate pentru calcule matematice analogice, de atunci astăzi s-au dovedit a fi utile în multe aplicații de proiectare. Așa cum au spus profesorii mei pe bună dreptate, op-amperii sunt calculatoare de tensiune aritmetice, pot efectua adăugarea a două valori de tensiune date folosind circuitul amplificatorului sumator și diferența dintre două valori de tensiune folosind un amplificator diferențial. În afară de aceasta, Op-Amp este, de asemenea, utilizat în mod obișnuit ca amplificatoare inversoare și amplificatoare fără inversare.

Am învățat deja cum putem folosi un amplificator opțional ca un sumator de tensiune sau un amplificator sumator, așa că în acest tutorial vom învăța cum să folosim un amplificator op ca amplificator diferențial pentru a găsi diferența de tensiune între două valori de tensiune. Se mai numește Subtractor de tensiune. De asemenea, vom încerca circuitul de scădere a tensiunii pe o placă de verificare și vom verifica dacă circuitul funcționează conform așteptărilor.

Bazele Op-Amp

Înainte să ne scufundăm în amplificatoarele opționale diferențiale, să trecem rapid prin elementele de bază ale amplificatorului op. Un Op-Amp este un dispozitiv cu cinci terminale (pachet unic) cu două terminale (Vs +, Vs-) pentru alimentarea dispozitivului. Dintre cele trei terminale rămase, două (V +, V-) sunt utilizate pentru semnale care se numesc terminalele inversoare și non-inversoare, iar celălalt (Vout) este terminalul de ieșire. Simbolul de bază al unui amplificator Op este prezentat mai jos.

Funcționarea unui amplificator Op este foarte simplă, preia tensiunea diferită de la doi pini (V +, V-), o amplifică cu o valoare Gain și o dă ca tensiune de ieșire (Vout). Câștigul unui Op-Amp poate fi foarte mare, făcându-l potrivit pentru aplicații audio. Amintiți-vă întotdeauna că tensiunea de intrare a Op-Amp trebuie să fie mai mică decât tensiunea sa de funcționare. Pentru a afla mai multe despre op-amp, verificați aplicația sa în diferite circuite bazate pe op-amp.

Pentru un amplificator optic ideal, impedanța de intrare va fi foarte mare, adică nu va curge curent în sau în afara amplificatorului operațional prin pinii de intrare (V +, V-). Pentru a înțelege modul de funcționare a amplificatorului op, putem clasifica în linii mari circuitele op-amp ca buclă deschisă și închisă.

Op-amp Circuit cu buclă deschisă (Comparatoare)

Într-un circuit de amplificare op buclă deschisă, pinul de ieșire (Vout) nu este conectat cu niciunul dintre pinii de intrare, adică nu se oferă feedback. În astfel de condiții de buclă deschisă, amplificatorul operativ funcționează ca un comparator. Un comparator simplu de amplificator op este prezentat mai jos. Observați că pinul Vout nu este conectat cu pinii de intrare V1 sau V2.

În această condiție, dacă tensiunea furnizată la V1 este mai mare decât V2, ieșirea Vout va crește. La fel, dacă tensiunile furnizate la V2 sunt mai mari decât V1, atunci ieșirea Vout va scădea.

Circuit buclă închisă amplificator op (amplificatoare)

Într-un circuit amplificator op buclă închisă pinul de ieșire al amplificatorului op este conectat cu oricare dintre pinul de intrare pentru a oferi un feedback. Acest feedback se numește conexiune cu buclă închisă. În timpul buclei închise , un amplificator de operare funcționează ca amplificator; în acest mod, un amplificator de operare găsește multe aplicații utile, cum ar fi tampon, urmăritor de tensiune, amplificator inversor, amplificator fără inversare, amplificator sumator, amplificator diferențial, scăderea tensiunii etc. pinul Vout este conectat la terminalul inversor, apoi este denumit circuit de reacție negativă (prezentat mai jos) și dacă este conectat la terminalul care nu inversează, este denumit circuit de reacție pozitivă.

Amplificator diferențial sau extractor de tensiune

Acum hai să intrăm în subiectul nostru, Amplificator diferențial. Un amplificator diferențial ia în principiu două valori de tensiune, găsește diferența dintre aceste două valori și o amplifică. Tensiunea rezultată poate fi obținută de la pinul de ieșire. Un circuit amplificator diferențial de bază este prezentat mai jos.

Dar așteaptă !, nu este ceea ce face un Op-Amp în mod implicit chiar și atunci când nu are feedback, are nevoie de două intrări și le oferă diferențele pe pinul de ieșire. Atunci de ce avem nevoie de toate aceste rezistențe fanteziste?

Ei bine, da, dar op-amp atunci când este utilizat în buclă deschisă (fără feedback) va avea un câștig necontrolat foarte mare, care practic nu este util. Deci, folosim designul de mai sus pentru a seta valoarea câștigului folosind rezistențe într-o buclă de feedback negativ. În circuitul nostru de deasupra rezistorului R3 acționează ca un rezistor de feedback negativ și rezistențele R2 și R4 formează un divizor de potențial. Valoarea câștigului poate fi setată utilizând valoarea corectă a rezistențelor.

Cum se setează câștigul unui amplificator diferențial?

Tensiunea de ieșire a amplificatorului diferențial prezentat mai sus poate fi dată de formula de mai jos

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

Formula de mai sus a fost obținută din funcția de transfer a circuitului de mai sus folosind teorema de suprapunere. Dar să nu intrăm prea mult în asta. Putem simplifica în continuare ecuația de mai sus luând în considerare R1 = R2 și R3 = R4. Așa că vom obține

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

Din formula de mai sus putem concluziona că raportul dintre R3 și R1 va fi egal cu câștigul amplificatorului.

Câștig = R3 / R1

Acum, să substituim valorile rezistențelor pentru circuitul de mai sus și să verificăm dacă circuitul funcționează conform așteptărilor.

Simularea circuitului amplificatorului diferențial

Valoarea rezistenței pe care am ales-o este de 10k pentru R1 și R2 și 22k pentru R3 și R4. Simularea circuitului pentru același lucru este prezentată mai jos.

În scopul simulării, am furnizat 4V pentru V2 și 3,6V pentru V1. Rezistorul 22k și 10k conform formulelor va seta un câștig de 2,2 (22/10). Deci scăderea va fi de 0,4 V (4-3,6) și va fi înmulțită cu valoarea câștigului 2,2, astfel încât tensiunea rezultată va fi de 0,88 V așa cum se arată în simularea de mai sus. Să verificăm același lucru folosind formula pe care am discutat-o ​​mai devreme.

Vout = (R3 / R1) (V2-V1) când R1 = R2 și R3 = R4 = (22/10) (4-3,6) = (2,2) x (0,4) = 0,88v

Testarea circuitului amplificatorului diferențial pe hardware

Acum, pentru partea distractivă, să construim de fapt același circuit pe panoul de verificare și să verificăm dacă obținem sunt capabili să obținem aceleași rezultate. Folosesc LM324 Op-Amp pentru a construi circuitul și folosesc modulul de alimentare Breadboard pe care l-am construit mai devreme. Acest modul poate furniza ieșiri de 5V și 3,3V, așa că folosesc șina de alimentare de 5V pentru a alimenta amplificatorul meu opțional și șina de alimentare de 3,3V ca V1. Apoi mi-am folosit RPS (Regulated Power Supply) pentru a furniza 3.7V pinului V2. Diferența dintre tensiuni este de 0,4 și avem un câștig de 2,2, care ar trebui să ne dea 0,88 V și exact asta am obținut. Imaginea de mai jos prezintă set-up-ul și multimetrul cu 0,88V pe el.

Acest lucru dovedește că înțelegerea noastră despre amplificatorul opțional diferențial este corectă și acum știm cum să proiectăm unul singur cu valoarea de câștig necesară. Lucrarea completă poate fi găsită și în videoclipul prezentat mai jos. Aceste circuite sunt utilizate mai des în aplicațiile de control al volumului.

Dar, deoarece circuitul are rezistențe pe partea de tensiune de intrare (V1 și V2), acesta nu oferă o impedanță de intrare foarte mare și are, de asemenea, un câștig ridicat în modul comun, ceea ce duce la un raport CMRR scăzut. Pentru a depăși aceste dezavantaje există o versiune improvizată a amplificatorului diferențial numit amplificator de instrumentație, dar să lăsăm asta pentru un alt tutorial.

Sper că ați înțeles tutorialul și v-a plăcut să aflați despre amplificatoarele diferențiale. Dacă aveți întrebări, lăsați-le în secțiunea de comentarii sau utilizați forumurile pentru întrebări mai tehnice și răspuns mai rapid.