Differentiële versterker of spanningsaftrekkercircuit

Op-Amps zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor analoge wiskundige berekeningen, en sindsdien zijn ze nuttig gebleken in veel ontwerptoepassingen. Zoals mijn professor terecht zei, zijn op-amps rekenkundige spanningsrekenmachines, ze kunnen twee gegeven spanningswaarden optellen met behulp van het Summing Amplifier-circuit en het verschil tussen twee spanningswaarden met behulp van een differentiële versterker. Afgezien hiervan wordt de Op-Amp ook vaak gebruikt als inverterende versterkers en niet-inverterende versterkers.

We hebben al geleerd hoe we een Op-Amp kunnen gebruiken als een Voltage Adder of Summing Amplifier, dus in deze tutorial zullen we leren hoe we op-amp als een differentiële versterker kunnen gebruiken om het spanningsverschil tussen twee spanningswaarden te vinden. Het wordt ook wel de spanningsaftrekker genoemd. We zullen ook het spanningsaftrekkercircuit op een breadboard proberen en controleren of het circuit werkt zoals verwacht.

Basisprincipes van Op-Amp

Laten we, voordat we in de differentiële Op-Amps duiken, even de basis van Op-Amp doornemen. Een Op-Amp is een apparaat met vijf aansluitingen (één pakket) met twee aansluitingen (Vs +, Vs-) om het apparaat van stroom te voorzien. Van de overige drie terminals worden er twee (V +, V-) gebruikt voor signalen die de inverterende en niet-inverterende terminal worden genoemd en de resterende (Vout) is de uitgang. Het basissymbool van een Op-Amp wordt hieronder weergegeven.

De werking van een Op-Amp is heel eenvoudig, hij neemt de verschillende spanning van twee pinnen (V +, V-) op, versterkt deze met een versterkingswaarde en geeft deze als uitgangsspanning (Vout). De versterking van een Op-Amp kan erg hoog zijn, waardoor deze geschikt is voor audiotoepassingen. Onthoud altijd dat de ingangsspanning van de Op-Amp lager moet zijn dan de bedrijfsspanning. Voor meer informatie over op-amp, controleert u de toepassing ervan in verschillende op-amp-gebaseerde circuits.

Voor een ideale op-amp zal de ingangsimpedantie erg hoog zijn, dat wil zeggen dat er geen stroom in of uit de op-amp gaat via de ingangspennen (V +, V-). Om de werking van op-amp te begrijpen, kunnen we de op-amp-circuits grofweg categoriseren als open lus en gesloten lus.

Op-amp Open-luscircuit (vergelijkers)

In een open lus op-amp-circuit is de uitgangspen (Vout) niet verbonden met een van de ingangspennen, dat wil zeggen dat er geen feedback wordt gegeven. In dergelijke open-loop-omstandigheden werkt de op-amp als een comparator. Een eenvoudige op-amp-comparator wordt hieronder weergegeven. Merk op dat de Vout-pin niet is verbonden met ingangspinnen V1 of V2.

Als in deze toestand de spanning die aan V1 wordt geleverd groter is dan V2, zal de uitgang Vout hoog worden. Evenzo, als de aan V2 geleverde spanningen groter zijn dan V1, zal uitgang Vout laag worden.

Op-amp gesloten circuit (versterkers)

In een gesloten lus op-amp-circuit is de uitgangspen van de op-amp verbonden met een van de ingangspennen om feedback te geven. Deze feedback wordt de closed loop-verbinding genoemd. Tijdens een gesloten lus werkt een op-amp als een versterker, tijdens deze modus vindt een op-amp veel nuttige toepassingen zoals buffer, spanningsvolger, inverterende versterker, niet-inverterende versterker, sommerende versterker, differentiële versterker, spanningsaftrekker enz. de Vout-pin is verbonden met de inverterende terminal en wordt vervolgens het negatieve feedbackcircuit genoemd (hieronder weergegeven) en als deze is aangesloten op de niet-inverterende terminal, wordt het het positieve feedbackcircuit genoemd.

Differentiële versterker of spanningsaftrekker

Laten we nu ingaan op ons onderwerp, Differential Amplifier. Een verschilversterker neemt in feite twee spanningswaarden op, vindt het verschil tussen deze twee waarden en versterkt dit. De resulterende spanning kan worden verkregen via de uitgangspen. Een basis differentieel versterkerschakeling wordt hieronder getoond.

Maar wacht! Is dit niet wat een Op-Amp standaard doet, zelfs als hij geen feedback heeft, hij heeft twee ingangen nodig en geeft hun verschillen op de uitgangspen weer. Waarom hebben we dan al deze mooie weerstanden nodig?

Nou ja, maar op-amp zal bij gebruik in open lus (zonder feedback) een zeer hoge ongecontroleerde versterking hebben die praktisch niet nuttig is. Dus we gebruiken het bovenstaande ontwerp om de waarde van de versterking in te stellen met behulp van weerstanden in een negatieve feedbacklus. In onze schakeling hierboven fungeert de weerstand R3 als een tegenkoppelweerstand en vormen de weerstanden R2 en R4 een potentiaalverdeler. De waarde van de versterking kan worden ingesteld door de juiste waarde van weerstanden te gebruiken.

Hoe de versterking van een differentiële versterker instellen?

De uitgangsspanning van de hierboven getoonde differentiaalversterker kan worden gegeven door de onderstaande formule

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

De bovenstaande formule is verkregen uit de overdrachtsfunctie van de bovenstaande schakeling met behulp van superpositiestelling. Maar laten we daar niet veel op ingaan. We kunnen de bovenstaande vergelijking verder vereenvoudigen door R1 = R2 en R3 = R4 te beschouwen. Dus we zullen krijgen

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

Uit bovenstaande formule kunnen we concluderen dat de verhouding tussen R3 en R1 gelijk zal zijn aan de versterking van de versterker.

Winst = R3 / R1

Laten we nu de weerstandswaarden voor het bovenstaande circuit vervangen en controleren of het circuit werkt zoals verwacht.

Simulatie van differentieel versterkercircuit

De weerstandswaarde die ik heb gekozen is 10k voor R1 en R2 en 22k voor R3 en R4. De circuitsimulatie voor hetzelfde wordt hieronder getoond.

Voor simulatiedoeleinden heb ik 4V voor V2 en 3,6V voor V1 geleverd. De weerstand 22k en 10k zullen volgens de formules een versterking van 2,2 (22/10) instellen. Dus de aftrekking is 0,4 V (4-3,6) en wordt vermenigvuldigd met de versterkingswaarde 2,2, zodat de resulterende spanning 0,88 V is, zoals weergegeven in de bovenstaande simulatie. Laten we hetzelfde ook verifiëren met behulp van de formule die we eerder hebben besproken.

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

Het differentieelversterkercircuit op hardware testen

Nu naar het leuke gedeelte, laten we eigenlijk hetzelfde circuit op het breadboard bouwen en kijken of we in staat zijn om dezelfde resultaten te bereiken. Ik gebruik de LM324 Op-Amp om het circuit te bouwen en gebruik de Breadboard-voedingsmodule die we eerder hebben gebouwd. Deze module kan 5V en 3.3V output leveren, dus ik gebruik de 5V power rail om mijn op-amp en de 3.3V power rail als V1 van stroom te voorzien. Daarna heb ik mijn RPS (Regulated Power Supply) gebruikt om 3,7 V aan pin V2 te leveren. Het verschil tussen de voltages is 0,4 en we hebben een winst van 2,2 wat ons 0,88V zou moeten geven en dat is precies wat ik kreeg. Op onderstaande afbeelding ziet u de opstelling en de multimeter met de aflezing 0.88V erop.

Dit bewijst dat ons begrip van differentiële op-amp correct is en nu weten we hoe we er zelf een moeten ontwerpen met de vereiste versterkingswaarde. De volledige werking is ook te vinden in de onderstaande video. Deze circuits worden vaker gebruikt in toepassingen voor volumeregeling.

Maar aangezien het circuit weerstanden heeft aan de ingangsspanningszijde (V1 en V2), biedt het geen erg hoge ingangsimpedantie en heeft het ook een hoge common-mode-versterking die leidt tot een lage CMRR-verhouding. Om deze nadelen te ondervangen, bestaat er een geïmproviseerde versie van de differentiële versterker, de instrumentatieversterker, maar laten we dat overlaten voor een andere tutorial.

Ik hoop dat je de tutorial hebt begrepen en dat je hebt genoten van het leren over differentiële versterkers. Als je vragen hebt, laat ze dan achter in het commentaargedeelte of gebruik de forums voor meer technische vragen en snellere reacties.