- Основы операционного усилителя
- Схема разомкнутого контура операционного усилителя (компараторы)
- Замкнутый контур операционного усилителя (усилители)
- Дифференциальный усилитель или вычитатель напряжения
- Как установить коэффициент усиления дифференциального усилителя?
- Моделирование схемы дифференциального усилителя
- Аппаратное тестирование схемы дифференциального усилителя
Операционные усилители изначально были разработаны для аналоговых математических вычислений, с тех пор они доказали свою полезность во многих конструкторских приложениях. Как правильно сказали мои профессора, операционные усилители - это арифметические калькуляторы напряжения, они могут выполнять сложение двух заданных значений напряжения с помощью схемы суммирующего усилителя и разницы между двумя значениями напряжения с помощью дифференциального усилителя. Помимо этого, операционный усилитель также обычно используется в качестве инвертирующих усилителей и неинвертирующих усилителей.
Мы уже узнали, как мы можем использовать операционный усилитель в качестве сумматора напряжения или суммирующего усилителя, поэтому в этом руководстве мы узнаем, как использовать операционный усилитель в качестве дифференциального усилителя, чтобы найти разницу напряжений между двумя значениями напряжения. Его также называют вычитателем напряжения. Мы также попробуем схему вычитателя напряжения на макете и проверим, работает ли схема должным образом.
Основы операционного усилителя
Прежде чем мы углубимся в дифференциальные операционные усилители, давайте быстро рассмотрим основы операционных усилителей. Операционный усилитель - это пятиконечное устройство (одиночный корпус) с двумя выводами (Vs +, Vs-) для питания устройства. Из оставшихся трех клемм две (V +, V-) используются для сигналов, которые называются инвертирующей и неинвертирующей клеммой, а оставшаяся одна (Vout) является выходной клеммой. Базовый символ операционного усилителя показан ниже.
Операционный усилитель работает очень просто: он принимает разное напряжение с двух выводов (V +, V-), усиливает его на значение Gain и выдает его как выходное напряжение (Vout). Коэффициент усиления операционного усилителя может быть очень высоким, что делает его пригодным для аудио приложений. Всегда помните, что входное напряжение операционного усилителя должно быть меньше его рабочего напряжения. Чтобы узнать больше об операционном усилителе, проверьте его применение в различных схемах на основе операционных усилителей.
Для идеального операционного усилителя входное сопротивление будет очень высоким, то есть ток не будет течь в операционный усилитель или выходить из него через входные контакты (V +, V-). Чтобы понять работу операционного усилителя, мы можем в широком смысле разделить схемы операционного усилителя на разомкнутый и замкнутый контур.
Схема разомкнутого контура операционного усилителя (компараторы)
В схеме операционного усилителя без обратной связи выходной контакт (Vout) не соединен ни с одним из входных контактов, то есть обратная связь отсутствует. В таких условиях без обратной связи операционный усилитель работает как компаратор. Ниже показан простой компаратор операционного усилителя. Обратите внимание, что вывод Vout не соединен с входными выводами V1 или V2.
В этом состоянии, если напряжение, подаваемое на V1, больше, чем V2, на выходе Vout будет высокий уровень. Аналогично, если напряжение, подаваемое на V2, больше, чем V1, то выход Vout станет низким.
Замкнутый контур операционного усилителя (усилители)
В схеме операционного усилителя с обратной связью выходной контакт операционного усилителя соединен с любым из входных контактов для обеспечения обратной связи. Эта обратная связь называется соединением с обратной связью. Во время замкнутого контура операционный усилитель работает как усилитель, именно в этом режиме операционный усилитель находит много полезных применений, таких как буфер, повторитель напряжения, инвертирующий усилитель, неинвертирующий усилитель, суммирующий усилитель, дифференциальный усилитель, вычитатель напряжения и т. Д. вывод Vout подключен к клемме инвертирования, тогда она называется цепью отрицательной обратной связи (как показано ниже), а если она подключена к клемме неинвертирующей связи, она называется цепью положительной обратной связи.
Дифференциальный усилитель или вычитатель напряжения
Теперь давайте перейдем к нашей теме, Дифференциальный усилитель. Дифференциальный усилитель обычно принимает два значения напряжения, находит разницу между этими двумя значениями и усиливает ее. Результирующее напряжение можно получить с выходного контакта. Базовая схема дифференциального усилителя показана ниже.
Но подождите! Разве это не то, что операционный усилитель делает по умолчанию, даже когда у него нет обратной связи, он принимает два входа и выдает их различия на выходном контакте. Тогда зачем нам все эти навороченные резисторы?
Да, но операционный усилитель при использовании в разомкнутом контуре (без обратной связи) будет иметь очень высокий неконтролируемый коэффициент усиления, который практически бесполезен. Поэтому мы используем приведенную выше схему, чтобы установить значение усиления с помощью резисторов в цепи отрицательной обратной связи. В нашей схеме выше резистор R3 действует как резистор отрицательной обратной связи, а резисторы R2 и R4 образуют делитель потенциала. Величину усиления можно установить, используя правильное номинал резисторов.
Как установить коэффициент усиления дифференциального усилителя?
Выходное напряжение дифференциального усилителя, показанного выше, может быть дано по приведенной ниже формуле
Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)
Приведенная выше формула была получена из передаточной функции указанной схемы с использованием теоремы суперпозиции. Но не будем вдаваться в подробности. Мы можем еще больше упростить приведенное выше уравнение, рассматривая R1 = R2 и R3 = R4. Так мы получим
Vout = (R3 / R1) (V2-V1), когда R1 = R2 и R3 = R4
Из приведенной выше формулы можно сделать вывод, что соотношение между R3 и R1 будет равно коэффициенту усиления усилителя.
Усиление = R3 / R1
Теперь давайте заменим значения резисторов для указанной выше схемы и проверим, работает ли схема должным образом.
Моделирование схемы дифференциального усилителя
Значение резистора, которое я выбрал, составляет 10 кОм для R1 и R2 и 22 кОм для R3 и R4. Схематическое моделирование того же показано ниже.
Для моделирования я поставил 4 В для V2 и 3,6 В для V1. Резисторы 22k и 10k по формулам установят коэффициент усиления 2,2 (22/10). Таким образом, вычитание составит 0,4 В (4–3,6), и оно будет умножено на значение усиления 2,2, так что результирующее напряжение будет 0,88 В, как показано в приведенном выше моделировании. Давайте также проверим то же самое, используя формулу, которую мы обсуждали ранее.
Vout = (R3 / R1) (V2-V1), когда R1 = R2 и R3 = R4 = (22/10) (4-3,6) = (2,2) x (0,4) = 0,88 В
Аппаратное тестирование схемы дифференциального усилителя
Теперь самое интересное. Давайте построим ту же схему на макетной плате и проверим, сможем ли мы достичь тех же результатов. Я использую операционный усилитель LM324 для построения схемы и модуль питания макетной платы, который мы создали ранее. Этот модуль может обеспечивать выход 5 В и 3,3 В, поэтому я использую шину питания 5 В для питания своего операционного усилителя и шину питания 3,3 В как V1. Затем я использовал свой RPS (регулируемый источник питания), чтобы подать 3,7 В на контакт V2. Разница между напряжениями составляет 0,4, и у нас есть коэффициент усиления 2,2, который должен дать нам 0,88 В, и это именно то, что я получил. На рисунке ниже показаны настройки и мультиметр с показанием 0,88 В.
Это доказывает, что наше понимание дифференциального операционного усилителя верное, и теперь мы знаем, как спроектировать его самостоятельно с требуемым значением усиления. Полную работу также можно найти в видео ниже. Эти схемы чаще используются в приложениях регулировки громкости.
Но поскольку схема имеет резисторы на стороне входного напряжения (V1 и V2), она не обеспечивает очень высокое входное сопротивление, а также имеет высокое синфазное усиление, что приводит к низкому коэффициенту CMRR. Для преодоления этих недостатков существует импровизированная версия дифференциального усилителя, называемая инструментальным усилителем, но оставим это для другого урока.
Надеюсь, вы поняли руководство и получили удовольствие от изучения дифференциальных усилителей. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в разделе комментариев или воспользуйтесь форумом для получения дополнительных технических вопросов и более быстрого ответа.