Схема инструментального усилителя с использованием op

Почти все типы датчиков и преобразователей преобразуют параметры реального мира, такие как свет, температура, вес и т. Д., В значения напряжения, чтобы наши электронные системы могли это понять. Изменение этого уровня напряжения поможет нам в анализе / измерении параметров реального мира, но в некоторых приложениях, таких как биомедицинские датчики, это изменение очень мало (сигналы низкого уровня), и очень важно отслеживать даже мельчайшие изменения до получить достоверные данные. В этих приложениях используется инструментальный усилитель.

Инструментальный усилитель, также известный как INO или in-amps, как следует из названия, усиливает колебания напряжения и обеспечивает дифференциальный выход, как и любые другие операционные усилители. Но в отличие от обычного усилителя инструментальные усилители будут иметь высокий входной импеданс с хорошим усилением, обеспечивая подавление синфазного шума с полностью дифференциальными входами. Ничего страшного, если вы не получите его сейчас, в этой статье мы узнаем об этих инструментальных усилителях, и поскольку эти ИС относительно дороги, чем операционные усилители, мы также узнаем, как использовать обычный операционный усилитель, такой как LM385 или LM324, для создания Инструментальный усилитель и использовать его в наших приложениях. Операционные усилители также могут быть использованы для построения схемы сумматора и вычитателя напряжения.

Что такое ИС инструментального усилителя?

Помимо обычных микросхем операционных усилителей, у нас есть специальные усилители для инструментальных усилителей, такие как INA114 IC. Это не что иное, как несколько обычных операционных усилителей, объединенных вместе для определенных конкретных приложений. Чтобы понять больше об этом, давайте заглянем в техническое описание INA114, чтобы увидеть его внутреннюю схему.

Как вы можете видеть, микросхема принимает два сигнальных напряжения V _IN - и V _IN +, теперь давайте для простоты понимания будем рассматривать их как V1 и V2. Выходное напряжение (V _O) можно рассчитать по формулам

V _O = G (V2 - V1)

Где, G - коэффициент усиления операционного усилителя, его можно установить с помощью внешнего резистора R _G и рассчитать по формулам ниже.

G = 1+ (50 кОм / RG)

Примечание . Значение 50 кОм применимо только для микросхемы INA114, поскольку в ней используются резисторы номиналом 25 кОм (25 + 25 = 50). Вы можете рассчитать значение для других схем соответственно.

Итак, в принципе, если вы посмотрите на это, In-amp просто обеспечивает разницу между двумя источниками напряжения с коэффициентом усиления, который может быть установлен с помощью внешнего резистора. Звучит знакомо? Если нет, взгляните на конструкцию дифференциального усилителя и вернитесь.

Да! Именно это и делает дифференциальный усилитель, и если вы присмотритесь, то даже обнаружите, что операционный усилитель A3 на изображении выше - не что иное, как схема дифференциального усилителя. Таким образом, с точки зрения непрофессионала, инструментальный усилитель - это еще один вид дифференциального усилителя, но с большими преимуществами, такими как высокий входной импеданс, простая регулировка усиления и т. Д. Эти преимущества связаны с двумя другими операционными усилителями (A2 и A1) в конструкции, мы узнаем об этом больше в следующем разделе.

Понимание инструментального усилителя

Чтобы полностью понять инструментальный усилитель, давайте разберем его на значимые блоки, как показано ниже.

Как вы можете видеть, In-Amp - это просто комбинация двух буферных схем операционного усилителя и одной дифференциальной схемы операционного усилителя. Мы узнали о конструкции обоих этих операционных усилителей по отдельности, теперь мы увидим, как они объединяются в дифференциальный операционный усилитель.

Разница между дифференциальным усилителем и инструментальным усилителем

Мы уже узнали, как спроектировать и использовать дифференциальный усилитель в нашей предыдущей статье. Существенным недостатком дифференциального усилителя является то, что он имеет очень низкий входной импеданс из-за входных резисторов и очень низкий CMRR из-за высокого синфазного усиления. Они будут преодолены в инструментальном усилителе из-за буферной схемы.

Также в дифференциальном усилителе нам нужно заменить множество резисторов, чтобы изменить значение усиления усилителя, но в дифференциальном усилителе мы можем управлять усилением, просто регулируя одно значение резистора.

Инструментальный усилитель на ОУ (LM358)

Теперь давайте создадим практический инструментальный усилитель на ОУ и проверим, как он работает. Схема инструментального усилителя на операционном усилителе, которую я использую, приведена ниже.

Для схемы требуется всего три операционных усилителя; Я использовал две микросхемы LM358. LM358 - это операционный усилитель с двойным корпусом, то есть он имеет два операционных усилителя в одном корпусе, поэтому нам нужно два из них для нашей схемы. Аналогичным образом вы также можете использовать три ОУ LM741 в одном корпусе или один ОУ LM324 в четырех корпусах.

В приведенной выше схеме операционный усилитель U1: A и U1: B действует как буфер напряжения, что помогает в достижении высокого входного импеданса. Операционный усилитель U2: A действует как дифференциальный операционный усилитель. Поскольку все резисторы дифференциального операционного усилителя равны 10 кОм, он действует как дифференциальный усилитель с единичным коэффициентом усиления, что означает, что выходное напряжение будет разностью напряжений между контактами 3 и 2 U2: A.

Выходное напряжение схемы усилителя Instrumentation может быть вычислено с использованием ниже формул.

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))

Где, R = номинал резистора в цепи. Здесь R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7, что составляет 10k

Rg = резистор усиления. Здесь Rg = R1, что равно 22k.

Таким образом, значение R и Rg определяет коэффициент усиления усилителя. Величину усиления можно рассчитать по формуле

Усиление = (1+ (2R / Rg))

Моделирование инструментального усилителя

Приведенная выше схема при моделировании дает следующие результаты.

Как видите, входное напряжение V1 составляет 2,8 В, а V2 - 3,3 В. Значение R составляет 10k, а значение Rg - 22k. Помещая все эти значения в приведенные выше формулы

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3,3-2,8) (1+ (2x10 / 22)) = (0,5) * (1,9) = 0,95 В

Мы получаем значение выходного напряжения 0,95 В, что соответствует моделированию выше. Таким образом, коэффициент усиления приведенной выше схемы составляет 1,9, а разница напряжений - 0,5 В. Таким образом, эта схема будет в основном измерять разницу между входными напряжениями, умножать ее на коэффициент усиления и вырабатывать как выходное напряжение.

Вы также можете заметить, что входное напряжение V1 и V2 появляется на резисторе Rg, это связано с отрицательной обратной связью операционного усилителя U1: A и U1: B. Это гарантирует, что падение напряжения на Rg равно разнице напряжений между V1 и V2, что вызывает прохождение равного количества тока через резисторы R5 и R6, делая напряжение на контакте 3 и контакте 2 равным на операционном усилителе U2: A. Если вы измеряете напряжение перед резисторами, вы можете увидеть фактическое выходное напряжение от операционного усилителя U1: A и U1: B, разность которого будет равна выходному напряжению, как показано выше в моделировании.

Аппаратное тестирование схемы инструментального усилителя

Достаточно теории позволяет построить такую ​​же схему на макете и измерить уровни напряжения. Мои настройки подключения показаны ниже.

Я использовал созданный нами ранее макетный блок питания. Эта плата может подавать как 5 В, так и 3,3 В. Я использую шину 5 В для питания обоих операционных усилителей и 3,3 В в качестве входного напряжения сигнала V2. Другое входное напряжение V2 установлено на 2,8 В с помощью моего RPS. Поскольку я также использовал резистор 10 кОм для R и резистор 22 кОм для R1, коэффициент усиления схемы будет 1,9. Разность напряжений составляет 0,5 В, а коэффициент усиления равен 1,9, произведение которых дает 0,95 В в качестве выходного напряжения, которое измеряется и отображается на изображении с помощью мультиметра. Полная обработка инструментального усилителя цепи показана в видео, связанное ниже.

Точно так же вы можете изменить значение R1, чтобы установить требуемое усиление, используя формулы, описанные выше. Поскольку усилением этого усилителя можно очень легко управлять с помощью одного резистора, он часто используется для регулировки громкости аудиосхем.

Надеюсь, вы поняли схему и получили удовольствие от изучения чего-то полезного. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в разделе комментариев ниже или воспользуйтесь форумом для более быстрого ответа.