- Wat is een instrumentatieversterker IC?
- Inzicht in de instrumentatieversterker
- Verschil tussen differentiële versterker en instrumentatieversterker
- Instrumentatieversterker met Op-amp (LM358)
- Simulatie van instrumentatieversterker
- Testen van het instrumentatieversterkercircuit op hardware
Bijna alle soorten sensoren en transducers zetten echte parameters zoals licht, temperatuur, gewicht enz. Om in spanningswaarden zodat onze elektronische systemen het kunnen begrijpen. De variatie in dit spanningsniveau zal ons helpen bij het analyseren / meten van de parameters in de echte wereld, maar in sommige toepassingen, zoals biomedische sensoren, is deze variatie erg klein (signalen van laag niveau) en het is erg belangrijk om zelfs de minieme variatie bij te houden. verkrijg betrouwbare gegevens. In deze toepassingen wordt een instrumentatieversterker gebruikt.
Een instrumentatieversterker, ook bekend als INO of in-amps, zoals de naam suggereert, versterkt de variatie in spanning en biedt een differentiële output zoals elke andere op-amps. Maar in tegenstelling tot een normale versterker hebben de instrumentatieversterkers een hoge ingangsimpedantie met een goede versterking, terwijl ze common-mode ruisonderdrukking bieden met volledig differentiële ingangen. Het is oké als je het nu niet begrijpt, in dit artikel zullen we meer te weten komen over deze instrumentatieversterkers en aangezien deze IC's relatief duur zijn dan op-amps, zullen we ook leren hoe we normale op-amp's zoals LM385 of LM324 kunnen gebruiken om een Instrumentatieversterker en gebruik deze voor onze toepassingen. Op-amps kunnen ook worden gebruikt om een spanningsadder en een spanningsaftrekkercircuit te bouwen.
Wat is een instrumentatieversterker IC?
Naast normale op-amps IC hebben we een speciaal type versterkers voor instrumentatieversterker zoals INA114 IC. Het is niets meer dan een paar normale op-amps die samen worden gecombineerd voor bepaalde specifieke toepassingen. Om hier meer over te begrijpen, kijken we naar de datasheet van de INA114 voor het interne schakelschema.
Zoals je kunt zien, neemt de IC twee signaalspanningen V IN - en V IN + op, laten we ze vanaf nu beschouwen als V1 en V2 voor een beter begrip. De uitgangsspanning (V O) kan worden berekend met behulp van de formules
V O = G (V2 - V1)
Waar, G is de versterking van de op-amp en kan worden ingesteld met behulp van de externe weerstand R G en berekend met behulp van de onderstaande formules
G = 1+ (50k Ω / RG)
Opmerking: de waarde 50k ohm is alleen van toepassing op de INA114 IC aangezien deze weerstanden van 25k (25 + 25 = 50) gebruikt. U kunt de waarde voor respectievelijk andere circuits berekenen.
Dus als je ernaar kijkt, levert een in-amp gewoon het verschil tussen twee spanningsbronnen op met een versterking die kan worden ingesteld door een externe weerstand. Klinkt dit bekend? Zo niet, kijk dan eens naar het ontwerp van de differentiële versterker en kom terug.
Ja !, dit is precies wat een differentiaalversterker doet en als je beter kijkt, zie je zelfs dat de op-amp A3 in de bovenstaande afbeelding niets anders is dan een differentiële versterkerschakeling. Dus in termen van de leek is een instrumentatieversterker nog een ander soort differentiële versterker, maar met meer voordelen zoals een hoge ingangsimpedantie en gemakkelijke versterkingsregeling enz. Deze voordelen zijn te danken aan de andere twee op-amp (A2 en A1) in het ontwerp, we zullen er meer over lezen in de volgende kop.
Inzicht in de instrumentatieversterker
Om de instrumentatieversterker volledig te begrijpen, laten we de bovenstaande afbeelding opsplitsen in betekenisvolle blokken, zoals hieronder wordt weergegeven.
Zoals je kunt zien, is de In-Amp slechts een combinatie van twee Buffer-op-amp-circuits en één differentieel op-amp-circuit. We hebben afzonderlijk over beide op-amp-ontwerpen geleerd, nu zullen we zien hoe ze worden gecombineerd om een differentiële op-amp te vormen.
Verschil tussen differentiële versterker en instrumentatieversterker
We hebben in ons vorige artikel al geleerd hoe we een differentiële versterker kunnen ontwerpen en gebruiken. Weinig aanzienlijk nadeel van een differentiële versterker is dat deze een zeer lage ingangsimpedantie heeft vanwege de ingangsweerstanden en een zeer lage CMRR vanwege de hoge common-mode versterking. Deze zullen worden overwonnen in een instrumentatieversterker vanwege het buffercircuit.
Ook in een verschilversterker moeten we veel weerstanden veranderen om de versterkingswaarde van de versterker te veranderen, maar in een verschilversterker kunnen we de versterking regelen door simpelweg één weerstandswaarde aan te passen.
Instrumentatieversterker met Op-amp (LM358)
Laten we nu een praktische instrumentatieversterker bouwen met op-amp en kijken hoe deze werkt. Het op-amp instrumentatieversterkercircuit dat ik gebruik, wordt hieronder gegeven.
Het circuit vereist in totaal drie op-amps; Ik heb twee LM358 IC's gebruikt. De LM358 is een dual-pakket op-amp, dat wil zeggen dat hij twee op-amps in één pakket heeft, dus we hebben er twee nodig voor ons circuit. Op dezelfde manier kunt u ook drie LM741-op-amp met één pakket of één LM324-op-amp met viervoudig pakket gebruiken.
In het bovenstaande circuit fungeren de op-amp U1: A en U1: B als een spanningsbuffer, wat helpt bij het bereiken van een hoge ingangsimpedantie. De op-amp U2: A fungeert als een differentiële op-amp. Omdat alle weerstanden van differentiële op-amp 10k zijn, fungeert het als een differentiële versterker met een versterkingsfactor, wat betekent dat de uitgangsspanning het verschil in spanning is tussen pin 3 en pin 2 van U2: A.
De uitgangsspanning van het instrumentatieversterkercircuit kan worden berekend met behulp van de onderstaande formules.
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))
Waar, R = weerstand waarde het circuit. Hier R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 wat 10k is
Rg = versterkingsweerstand. Hier is Rg = R1 wat 22k is.
Dus de waarde van R en Rg bepaalt de versterking van de versterker. De waarde van de winst kan worden berekend door
Winst = (1+ (2R / Rg))
Simulatie van instrumentatieversterker
Het bovenstaande circuit geeft bij simulatie de volgende resultaten.
Zoals je kunt zien, is de ingangsspanning V1 2,8V en V2 3,3V. De waarde van R is 10k en de waarde van Rg is 22k. Al deze waarden in de bovenstaande formules opnemen
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3,3-2,8) (1+ (2x10 / 22)) = (0,5) * (1,9) = 0,95V
We krijgen de waarde van de uitgangsspanning 0,95V, wat overeenkomt met de bovenstaande simulatie. Dus de versterking van het bovenstaande circuit is 1,9 en het spanningsverschil is 0,5V. Dus dit circuit zal in feite het verschil tussen de ingangsspanningen meten en dit vermenigvuldigen met de versterking en het produceren als de uitgangsspanning.
Je kunt ook zien dat de ingangsspanning V1 en V2 over de weerstand Rg verschijnen, dit komt door de negatieve feedback van de Op-amp U1: A en U1: B. Dit zorgt ervoor dat de spanningsval over Rg gelijk is aan het spanningsverschil tussen V1 en V2, waardoor een gelijke hoeveelheid stroom door de weerstanden R5 en R6 stroomt, waardoor de spanning op pin 3 en pin 2 gelijk is op op-amp U2: A. Als u de spanning vóór weerstanden meet, kunt u de werkelijke uitgangsspanning zien van de op-amp U1: A en U1: B waarvan het verschil gelijk is aan de uitgangsspanning zoals hierboven in de simulatie wordt weergegeven.
Testen van het instrumentatieversterkercircuit op hardware
Genoeg theorie laat eigenlijk hetzelfde circuit op een breadboard bouwen en de spanningsniveaus meten. Mijn verbindingsconfiguratie wordt hieronder weergegeven.
Ik heb de breadboard-voeding gebruikt die we eerder hebben gebouwd. Dit bord kan zowel 5V als 3.3V leveren. Ik gebruik de 5V-rail om mijn beide op-amps en de 3.3V van stroom te voorzien als de signaalingangsspanning V2. De andere ingangsspanning V2 is ingesteld op 2,8 V met mijn RPS. Omdat ik ook 10k-weerstand heb gebruikt voor R en 22k-weerstand voor R1, zal de versterking van het circuit 1,9 zijn. Het verschilspanning is 0,5 V en de versterking is 1,9 product waarvan we 0,95 V als uitgangsspanning zullen geven, die wordt gemeten en weergegeven in de afbeelding met behulp van een multimeter. De volledige werking van het instrumentatieversterkercircuit wordt getoond in de onderstaande video.
Evenzo kunt u de waarde van R1 wijzigen om de versterking naar wens in te stellen met behulp van de hierboven besproken formules. Omdat de versterking van deze versterker heel gemakkelijk kan worden geregeld met behulp van een enkele weerstand, wordt deze vaak gebruikt bij volumeregeling voor audiocircuits.
Ik hoop dat je het circuit begreep en het leuk vond om iets nuttigs te leren. Als je vragen hebt, laat ze dan achter in de commentaarsectie hieronder of gebruik het forum voor een snellere reactie.