- Osnove op-amp-a
- Op-amp krug otvorene petlje (komparatori)
- Op-amp krug zatvorene petlje (pojačala)
- Diferencijalno pojačalo ili oduzimač napona
- Kako postaviti pojačanje diferencijalnog pojačala?
- Simulacija kruga diferencijalnog pojačala
- Ispitivanje kruga diferencijalnog pojačala na hardveru
Op-pojačala su izvorno razvijena za analogne matematičke proračune, od tada su se danas pokazala korisnima u mnogim projektnim aplikacijama. Kao što su moji profesori s pravom rekli, op-pojačala su aritmetički kalkulatori napona, oni mogu izvršiti zbrajanje dviju zadanih vrijednosti napona pomoću kruga zbrajajućeg pojačala i razlike između dvije vrijednosti napona pomoću diferencijalnog pojačala. Osim toga, Op-pojačalo se također često koristi kao inverzna pojačala i neinvertirajuća pojačala.
Već smo naučili kako Op-pojačalo možemo koristiti kao naponski zbrajač ili pojačivač zbrajanja, pa ćemo u ovom vodiču naučiti kako koristiti op-pojačalo kao diferencijalno pojačalo za pronalaženje razlike napona između dviju vrijednosti napona. Naziva se i oduzimač napona. Također ćemo isprobati krug oduzimača napona na ploči i provjeriti radi li krug prema očekivanjima.
Osnove op-amp-a
Prije nego što zaronimo u diferencijalna pojačala, prođimo brzo kroz osnove Op-pojačala. Op-Amp je pet terminalnih uređaja (jedan paket) s dva terminala (Vs +, Vs-) za napajanje uređaja. Od preostala tri terminala dva (V +, V-) se koriste za signale koji se nazivaju Inverting and Non-Inverting terminal, a preostali (Vout) je izlazni terminal. Osnovni simbol Op-pojačala prikazan je u nastavku.
Rad Op-pojačala je vrlo jednostavan, on uzima različiti napon s dva pina (V +, V-), pojačava ga za vrijednost pojačanja i daje kao izlazni napon (Vout). Dobitak Op-pojačala može biti vrlo velik što ga čini pogodnim za audio aplikacije. Uvijek imajte na umu da ulazni napon Op-pojačala treba biti manji od njegovog radnog napona. Da biste saznali više o op-pojačalu, provjerite njegovu primjenu u različitim sklopovima temeljenim na op-pojačalima.
Za idealno Op-pojačalo ulazna impedancija bit će vrlo velika, tj. Struja neće ulaziti ili izlaziti iz Op-pojačala kroz ulazne igle (V +, V-). Da bismo razumjeli rad op-amp -a, krugove op-amp-a možemo široko kategorizirati kao otvorenu i zatvorenu petlju.
Op-amp krug otvorene petlje (komparatori)
U krugu op-pojačala s otvorenom petljom, izlazni pin (Vout) nije povezan ni s jednim ulaznim pinom, tj. Povratne informacije nisu osigurane. U takvim uvjetima otvorene petlje op-pojačalo djeluje kao usporednik. Jednostavna usporedba op-pojačala prikazana je u nastavku. Primijetite da Vout pin nije povezan s ulaznim pinovima V1 ili V2.
U ovom je stanju, ako je napon napajan na V1 veći od V2, izlazni Vout povisit će se. Isto tako ako su naponi dovedeni na V2 veći od V1, tada će izlazni Vout pasti na nizak nivo.
Op-amp krug zatvorene petlje (pojačala)
U sklopu op-pojačala zatvorene petlje izlazni pin op-pojačala povezan je s bilo kojim ulaznim pinom kako bi se osigurale povratne informacije. Ova povratna informacija naziva se veza zatvorene petlje. Tijekom zatvorene petlje Op-pojačalo radi kao pojačalo, tijekom tog načina rada op-pojačalo pronalazi mnogo korisnih aplikacija poput međuspremnika, sljednika napona, invertirajući pojačalo, neinvertirajuće pojačalo, zbrajno pojačalo, diferencijalno pojačalo, oduzimač napona itd. Vout pin spojen je na invertirajuću stezaljku, tada se naziva krug negativne povratne sprege (prikazan dolje), a ako je spojen na neinvertirajući terminal, naziva se pozitivni povratni krug.
Diferencijalno pojačalo ili oduzimač napona
Sada krenimo u našu temu, Diferencijalno pojačalo. Diferencijalno pojačalo u osnovi uzima dvije vrijednosti napona, pronalazi razliku između te dvije vrijednosti i pojačava je. Rezultirajući napon može se dobiti iz izlaznog pina. Osnovni krug diferencijalnog pojačala prikazan je u nastavku.
Ali pričekajte !, nije li to ono što Op-Amp radi prema zadanim postavkama čak i kad nema povratne informacije, potrebna su dva ulaza i daju njihove razlike na izlaznom pinu. Zašto su nam onda potrebni svi ti otmjeni otpornici?
Pa da, ali op-pojačalo kada se koristi u otvorenoj petlji (bez povratne informacije) imat će vrlo visoko nekontrolirano pojačanje što praktički nije korisno. Dakle, gornjim dizajnom postavljamo vrijednost pojačanja pomoću otpornika u negativnoj povratnoj petlji. U našem krugu iznad otpora R3 djeluje kao otpornik s negativnom povratnom spregom, a otpornici R2 i R4 tvore potencijalni djelitelj. Vrijednost dobitka može se postaviti korištenjem prave vrijednosti otpornika.
Kako postaviti pojačanje diferencijalnog pojačala?
Izlazni napon diferencijalno pojačalo gore prikazanog može dati donjom formulom
Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)
Gornja formula dobivena je iz prijenosne funkcije gornjeg kruga pomoću teorema superpozicije. Ali nemojmo se puno upuštati u to. Gornju jednadžbu možemo dodatno pojednostaviti uzimajući u obzir R1 = R2 i R3 = R4. Pa ćemo dobiti
Vout = (R3 / R1) (V2-V1) kada je R1 = R2 i R3 = R4
Iz gornje formule možemo zaključiti da će omjer između R3 i R1 biti jednak pojačanju pojačala.
Dobitak = R3 / R1
Zamijenimo sada vrijednosti otpornika za gornji krug i provjerimo radi li krug prema očekivanjima.
Simulacija kruga diferencijalnog pojačala
Vrijednost otpora koju sam odabrao je 10k za R1 i R2 i 22k za R3 i R4. Simulacija sklopa za isti prikazana je u nastavku.
U svrhu simulacije isporučio sam 4V za V2 i 3,6V za V1. Otpornici 22k i 10k prema formulama postavit će pojačanje od 2,2 (22/10). Dakle, oduzimanje će biti 0,4 V (4-3,6) i pomnožit će se s vrijednošću pojačanja 2,2, tako da će rezultirajući napon biti 0,88 V kao što je prikazano u gornjoj simulaciji. Provjerimo također isto koristeći formulu o kojoj smo ranije razgovarali.
Vout = (R3 / R1) (V2-V1) kada je R1 = R2 i R3 = R4 = (22/10) (4-3.6) = (2.2) x (0.4) = 0.88v
Ispitivanje kruga diferencijalnog pojačala na hardveru
Sada ćemo se pozabaviti dijelom, zapravo napravimo isti krug na ploči i provjerimo jesmo li u mogućnosti postići iste rezultate. Koristim LM324 Op-Amp za izradu strujnog kruga i koristim modul za napajanje Breadboard koji smo ranije izgradili. Ovaj modul može pružiti izlaz od 5 V i 3,3 V, tako da koristim naponsku tračnicu od 5 V za napajanje opcijskog pojačala i 3,3 V tračnicu kao V1. Tada sam upotrijebio svoj RPS (regulirano napajanje) kako bih osigurao 3,7 V na pin V2. Razlika između napona je 0,4 i imamo dobitak od 2,2 što bi nam trebalo dati 0,88 V i upravo sam to dobio. Na donjoj slici prikazana je postavka i multimetar s očitanjem 0,88V.
To dokazuje da je naše razumijevanje diferencijalnog op-pojačala ispravno i sada znamo kako ga sami dizajnirati s potrebnom vrijednošću pojačanja. Kompletni rad također se može naći u dolje navedenom videozapisu. Ti se krugovi češće koriste u aplikacijama za kontrolu glasnoće.
No, budući da krug ima otpornike na strani ulaznog napona (V1 i V2), on ne pruža vrlo visoku ulaznu impedansu, a također ima i visoko pojačanje zajedničkog načina rada što dovodi do niskog CMRR omjera. Da bi se prevladali ovi nedostaci, postoji improvizirana verzija diferencijalnog pojačala koja se naziva instrumentacijsko pojačalo, ali ostavimo to za drugi vodič.
Nadam se da ste razumjeli tutorial i uživali učiti o diferencijalnim pojačalima. Ako imate bilo kakvih upita, ostavite ih u odjeljku za komentare ili koristite forume za više tehničkih pitanja i brži odgovor.