Programabilno pojačalo pojačala pomoću MOSFET-a i tranzistora

U mjernoj industriji vrlo važan funkcionalni blok je programabilno pojačalo (PGA). Ako ste ljubitelj elektronike ili student, vjerojatno ste vrlo dragocjeno vidjeli multimetar ili osciloskop kako vrlo male napone mjeri jer krug ima ugrađeni PGA uz snažni ADC koji pomaže u preciznom procesu mjerenja.

Danas, PGA pojačalo s police nudi neinvertirajuće pojačalo s operativnim pojačalom s korisničkim faktorom pojačanja. Ova vrsta uređaja ima vrlo visoku ulaznu impedansu, široku širinu pojasa i odabir referentne vrijednosti ulaznog napona ugrađenu u IC. Ali sve ove značajke imaju trošak, a za mene ne vrijedi stavljati toliko skupi čip za generičku aplikaciju.

Dakle, da bih prevladao ove situacije, smislio sam aranžman koji se sastoji od Op-pojačala, MOSFET-a i Arduina, putem kojih sam mogao programski promijeniti dobitak op-pojačala. Dakle, u ovom uputstvu pokazat ću vam kako izraditi vlastito pojačalo s pojačivim pojačanjem s optičkim pojačalom LM358 i MOSFET-ovima, a uz testiranje raspravljat ću o nekim prednostima i nedostacima sklopa.

Osnove op-amp-a

Da bismo razumjeli rad ovog kruga, vrlo je važno znati kako radi operativno pojačalo. Saznajte više o Op-amp-u slijedeći ovaj sklop ispitivača op-amp-a.

Na gornjoj slici možete vidjeti operacijsko pojačalo. Osnovni posao pojačala je pojačanje ulaznog signala, uz pojačanje, opcijsko pojačalo može raditi i razne operacije poput zbrajanja, razlikovanja, integriranja itd. Ovdje saznajte više o pojačavaču zbrajanja i diferencijalnom pojačalu.

Op-amp ima samo tri terminala. Terminal sa znakom (+) naziva se neinvertirajući ulaz, a terminal sa znakom (-) invertirajućim ulazom. Pored ova dva terminala, treći je terminal izlazni terminal.

Opcijsko pojačalo slijedi samo dva pravila

Struja ne teče ni iz ulaza op-pojačala.
Opcijsko pojačalo pokušava zadržati ulaze na istim naponskim razinama.

Dakle, nakon što su ta dva pravila razjašnjena, možemo analizirati donje sklopove. Također, naučite više o Op-amp-u prolazeći kroz razne sklopove bazirane na Op-amp-u.

Programabilno pojačalo pojačala radi

Gornja slika daje vam osnovnu ideju o rasporedu krugova mog sirovog PGA pojačala. U ovom je krugu op-pojačalo konfigurirano kao neinvertirajuće pojačalo, a kao što svi znamo s neinvertirajućim rasporedom kruga, možemo promijeniti pojačanje op-pojačala promjenom povratnog otpora ili ulaznog otpora, kao što možete vidjeti iz gornjeg rasporeda sklopova, samo trebam prebacivati MOSFET-ove jedan po jedan da bih promijenio pojačanje op-pojačala.

U testnom dijelu sam upravo učinio da sam prebacio MOSFET-ove jedan po jedan i usporedio izmjerene vrijednosti s praktičnim vrijednostima, a rezultate možete promatrati u odjeljku "testiranje kruga" u nastavku.

Komponente potrebne

Arduino Nano - 1
LM358 IC - 1
LM7805 regulator - 1
BC548 Generički NPN tranzistor - 2
BS170 Generički N-kanalni MOSFET - 2
Otpornik 200K - 1
Otpornik 50K - 2
24K otpornik - 2
Otpornik 6,8K - 1
1K otpornik - 4
Otpornik 4,7 K - 1
220R, 1% otpornik - 1
Taktični prekidač Generički - 1
Žuta LED 3mm - 2
Daska za kruh Generički - 1
Žica kratkospojnika generička - 10
Napajanje ± 12V - 1

Shematski dijagram

Za demonstraciju programabilnog pojačala pojačala, sklop je konstruiran na bezlemljenoj ploči uz pomoć sheme; Kako bi se smanjila unutarnja parazitska induktivnost i kapacitet ploče, sve su komponente postavljene što bliže.

A ako se pitate zašto je u mojoj ploči gomila žica? dopustite mi da vam kažem da je potrebno napraviti dobru vezu s uzemljenjem jer su unutarnje veze na zemlji u ploči vrlo loše.

Ovdje je op-pojačalo u krugu konfigurirano kao neinvertirajuće pojačalo, a ulazni napon od regulatora napona 7805 iznosi 4,99 V.

Izmjerena vrijednost za otpornik R6 je 6,75K, a R7 je 220,8R. Ova dva otpornika tvore djelitelj napona koji se koristi za generiranje ulaznog ispitnog napona za op-pojačalo. Otpornici R8 i R9 se koristi za ograničavanje struje ulaznog baze tranzistora T3 i T4. U otpornika R10 i R11 se koristi za ograničavanje brzine prebacivanje MOSFET T1 i T2, inače može doći do oscilacija u krug.

U ovom blogu želim vam pokazati razlog upotrebe MOSFET-a, a ne BJT-a, otud i raspored krugova.

Arduino kôd za PGA

Ovdje se Arduino Nano koristi za upravljanje bazom tranzistora i vratima MOSFET-ova, a multimetar se koristi za prikaz razina napona jer ugrađeni ADC Arduina radi vrlo loš posao, kada je u pitanju mjerenje niskog napona razine napona.

Kompletni Arduino kôd za ovaj projekt dan je u nastavku. Budući da je ovo vrlo jednostavan Arduino kôd, ne trebamo sadržavati knjižnice. Ali moramo definirati neke konstante i ulazne pinove kao što je prikazano u kodu.

Postavljanje praznine () glavni je funkcionalni blok u kojem se operacija čitanja i pisanja za sve ulaze i izlaze izvodi prema zahtjevu.

#define BS170_WITH_50K_PIN 9 #define BS170_WITH_24K_PIN 8 #define BC548_WITH_24K_PIN 7 #define BC548_WITH_50K_PIN 6 #define BUTTON_PIN 5 #define LED_PIN1 3 int debounce_counter = 0; void setup () {pinMode (BS170_WITH_50K_PIN, OUTPUT); pinMode (BS170_WITH_24K_PIN, IZLAZ); pinMode (BC548_WITH_24K_PIN, IZLAZ); pinMode (BC548_WITH_50K_PIN, IZLAZ); pinMode (LED_PIN1, IZLAZ); pinMode (LED_PIN2, IZLAZ); pinMode (BUTTON_PIN, INPUT); } void loop () {bool val = digitalRead (BUTTON_PIN); // čitanje ulazne vrijednosti if (val == LOW) {debounce_counter ++; if (debounce_counter> PRESSED_CONFIDENCE_LEVEL) {debounce_counter = 0; button_is_pressed ++; } if (button_is_pressed == 0) {digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, LOW);digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, LOW); digitalWrite (LED_PIN2, LOW); } if (button_is_pressed == 2) {digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, LOW); digitalWrite (LED_PIN2, HIGH); } if (button_is_pressed == 3) {digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, HIGH); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, HIGH); digitalWrite (LED_PIN2, HIGH); } if (button_is_pressed == 1) {digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, HIGH);digitalWrite (LED_PIN2, LOW); } if (button_is_pressed> = 4) {button_is_pressed = 0; }}}

Proračuni za programibilno pojačalo

Izmjerene vrijednosti za krug PGA pojačala prikazane su u nastavku.

Vin = 4,99 V R7 = 220,8 Ω R6 = 6,82 KΩ R5 = 199,5K R4 = 50,45K R3 = 23,99K R2 = 23,98K R1 = 50,5K

Bilješka! Prikazane su izmjerene vrijednosti otpornika jer s izmjerenim vrijednostima otpornika možemo usko usporediti teorijske i praktične vrijednosti.

Sada je izračun iz kalkulatora djelitelja napona prikazan ispod,

Izlaz djelitelja napona je 0,1564V

Izračunavanje pojačanja neinvertiranog pojačala za 4 otpora

Vout kada je R1 odabrani otpornik

Vout = (1+ (199,5 / 50,5)) * 0,1564 = 0,77425V

Vout kada je R2 odabrani otpornik

Vout = (1+ (199,5 / 23,98)) * 0,1564 = 1,45755V

Vout kada je R3 odabrani otpornik

Vout = (1+ (199,5 / 23,99)) * 0,1564 = 1,45701V

Vout kada je R4 odabrani otpornik

Vout = (1+ (199,5 / 50,45)) * 0,1564 = 0,77486V

Sve sam to učinio kako bih što bliže usporedio teorijske i praktične vrijednosti.

Sa svim izvršenim izračunima možemo prijeći na odjeljak za ispitivanje.

Ispitivanje programabilnog kruga pojačala

Gornja slika prikazuje vam izlazni napon kada je MOSFET T1 uključen, stoga struja prolazi kroz otpornik R1.

Gornja slika prikazuje vam izlazni napon kada je uključen tranzistor T4, stoga struja prolazi kroz otpornik R4.

Gornja slika prikazuje vam izlazni napon kada je MOSFET T2 uključen, stoga struja teče kroz otpornik R2.

Gornja slika prikazuje vam izlazni napon kad je uključen tranzistor T3, stoga struja prolazi kroz otpornik R3.

Kao što možete vidjeti iz sheme da su T1, T2 MOSFET-ovi, a T3, T4 tranzistori. Dakle, kada se koriste MOSFET-ovi, pogreška je u rasponu od 1 do 5 mV, ali kada se tranzistori koriste kao prekidači, dobivamo pogrešku u opsegu od 10 do 50 mV.

S gornjim rezultatima jasno je da je MOSFET glavno rješenje za ovu vrstu aplikacije, a pogreške u teoretskim i praktičnim mogućnostima mogu biti uzrokovane pogreškom pomicanja op-pojačala.

Bilješka! Imajte na umu da sam dodao dvije LED diode samo radi testiranja i ne možete ih pronaći u stvarnoj shemi, prikazuje binarni kod koji pokazuje koji je pin aktivan

Prednosti i nedostaci programabilnog pojačala

Kako je ovaj sklop jeftin, lagan i jednostavan, može se implementirati u mnogo različitih aplikacija.

Ovdje se MOSFET koristi kao prekidač za propuštanje sve struje kroz otpornik na masu, zbog čega utjecaj temperature nije siguran, a s mojim ograničenim alatima i ispitnom opremom nisam vam mogao pokazati učinke promjene temperature na sklop.

Cilj upotrebe BJT-a uz MOSFET-ove je zato što vam želim pokazati koliko BJT može biti loš za ovu vrstu aplikacije.

Vrijednosti povratnih otpora i ulaznih otpornika moraju biti u opsegu KΩ, to jest zato što će s nižim vrijednostima otpornika više struje prolaziti kroz MOSFET, pa će tako više napona pasti na MOSFET-u što dovodi do nepredvidivih rezultata.

Daljnje poboljšanje

Sklop se može dalje modificirati kako bi se poboljšale njegove performanse, kao što možemo dodati filtar za odbijanje visokofrekventnih zvukova.

Kako se u ovom ispitivanju koristi LM358 opcijsko pojačalo od želea, pomakne pogreške opampera igraju glavnu ulogu na izlaznom naponu. Tako se može dodatno poboljšati korištenjem instrumentalnog pojačala, a ne LM358.

Ovaj je sklop napravljen samo u svrhu demonstracije. Ako razmišljate o korištenju ovog sklopa u praktičnoj primjeni, morate koristiti optičko pojačalo tipa helikoptera i otpornik visoke preciznosti 0,1 ohma da biste postigli apsolutnu stabilnost.

Nadam se da vam se svidio ovaj članak i da ste iz njega naučili nešto novo. Ako sumnjate, možete pitati u komentarima ispod ili možete koristiti naše forume za detaljnu raspravu.