Differentialförstärkare eller spänningssubstraktorkrets

Op-Amps utvecklades ursprungligen för analoga matematiska beräkningar, eftersom de idag har visat sig vara användbara i många designapplikationer. Som mina professorer med rätta sa, op-förstärkare är aritmetiska spänningsräknare, de kan utföra tillägg av två givna spänningsvärden med hjälp av Summing Amplifier-kretsen och skillnad mellan två spänningsvärden med hjälp av en Differential Amplifier. Bortsett från detta används Op-Amp ofta också som inverterande förstärkare och icke-inverterande förstärkare.

Vi har redan lärt oss hur vi kan använda en Op-Amp som en Voltage Adder eller Summing Amplifier, så i denna handledning lär vi oss hur man använder op-amp som en Differential-förstärkare för att hitta spänningsskillnaden mellan två spänningsvärden. Det kallas också Voltage Subtractor. Vi kommer också att testa spänningssubtraktorkretsen på en bräda och kontrollera om kretsen fungerar som förväntat.

Grunderna i Op-Amp

Innan vi dyker in i de olika Op-förstärkarna, låt oss snabbt gå igenom grunderna i Op-Amp. En Op-Amp är en fem terminalenhet (enda paket) med två terminaler (Vs +, Vs-) för att driva enheten. Av de återstående tre terminalerna används två (V +, V-) för signaler som kallas inverterande och icke-inverterande terminal och den återstående (Vout) är utgångsterminalen. Bassymbolen för en Op-Amp visas nedan.

Arbetet med en Op-Amp är väldigt enkelt, det tar in olika spänningar från två stift (V +, V-), förstärker det med ett förstärkningsvärde och ger det som utspänning (Vout). Förstärkningen av en Op-Amp kan vara mycket hög, vilket gör den lämplig för ljudapplikationer. Kom alltid ihåg att ingångsspänningen på Op-Amp bör vara mindre än dess driftspänning. För att lära dig mer om op-amp, kontrollera dess tillämpning i olika op-amp-baserade kretsar.

För en idealisk förstärkare kommer ingångsimpedansen att vara mycket hög, det vill säga ingen ström kommer att strömma in eller ut genom Op-förstärkaren genom ingångsstiften (V +, V-). För att förstå funktionen hos op-amp kan vi i stort sett kategorisera op-amp-kretsarna som öppen slinga och sluten slinga.

Op-amp Öppen kretslopp (komparatorer)

I en op-amp-krets med öppen slinga är utgångsstiftet (Vout) inte anslutet till någon av ingångsstiften, det vill säga ingen återkoppling tillhandahålls. Under sådana öppna förhållanden fungerar op-amp som en komparator. En enkel op-amp-jämförare visas nedan. Observera att Vout-stiftet inte är anslutet till ingångsstift V1 eller V2.

I detta tillstånd, om spänningen som tillförs V1 är större än V2, kommer utgången Vout att bli hög. Likaså om spänningarna som matas till V2 är större än V1 kommer utgången Vout att bli låg.

Op-amp sluten krets (förstärkare)

I en sluten slinga-op-amp-krets är ut-stiftet på op-amp ansluten till någon av ingångsstiftet för att ge en återkoppling. Den här återkopplingen kallas för den slutna slingans anslutning. Under sluten slinga fungerar en Op-amp som en förstärkare, det är under detta läge en op-amp hittar många användbara applikationer som buffert, spänningsföljare, Inverterande förstärkare, Icke-inverterande förstärkare, Summingsförstärkare, Differentialförstärkare, Spännings subtraherare etc. Om Vout-stiftet är anslutet till den inverterande terminalen så kallas det som negativ återkopplingskrets (visas nedan) och om den är ansluten till den icke-inverterande terminalen kallas den som den positiva återkopplingskretsen.

Differentialförstärkare eller spänningssubstraktor

Låt oss nu gå in på vårt ämne, Differential Amplifier. En differentialförstärkare tar i princip in två spänningsvärden, hittar skillnaden mellan dessa två värden och förstärker den. Den resulterande spänningen kan erhållas från utgångsstiftet. En grundläggande differentialförstärkarkrets visas nedan.

Men vänta !, är det inte vad en Op-Amp gör som standard även om den inte har någon feedback, det tar två ingångar och ger deras skillnader på utgångsstiftet. Varför behöver vi då alla dessa fina motstånd för?

Tja ja, men op-amp när den används i öppen slinga (utan feedback) kommer att ha en mycket hög okontrollerad förstärkning vilket praktiskt taget inte är användbart. Så vi använder ovanstående design för att ställa in förstärkningsvärdet med hjälp av motstånd i en negativ återkopplingsslinga. I vår krets ovan fungerar motståndet R3 som ett negativt återkopplingsmotstånd och motstånden R2 och R4 bildar en potentialdelare. Förstärkningsvärdet kan ställas in genom att använda rätt värde på motstånd.

Hur ställer jag in förstärkningen för en differentialförstärkare?

Den utgående spänningen hos differentialförstärkaren som visas ovan kan ges av nedanstående formel

Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)

Ovanstående formel erhölls från överföringsfunktionen för ovanstående krets med användning av superpositionssats. Men låt oss inte gå in mycket på det. Vi kan ytterligare förenkla ovanstående ekvation genom att betrakta R1 = R2 och R3 = R4. Så vi får

Vout = (R3 / R1) (V2-V1) när R1 = R2 och R3 = R4

Från ovanstående formel kan vi dra slutsatsen att förhållandet mellan R3 och R1 är lika med förstärkarens förstärkning.

Förstärkning = R3 / R1

Låt oss nu ersätta motståndsvärden för ovanstående krets och kontrollera om kretsen fungerar som förväntat.

Simulering av differentiell förstärkarkrets

Motståndsvärdet som jag har valt är 10k för R1 och R2 och 22k för R3 och R4. Kretssimuleringen för densamma visas nedan.

För simuleringssyfte har jag levererat 4V för V2 och 3.6V för V1. Motståndet 22k och 10k enligt formlerna sätter en förstärkning på 2,2 (22/10). Subtraktionen blir alltså 0,4V (4-3,6) och den kommer att multipliceras med förstärkningsvärdet 2.2 så att den resulterande spänningen blir 0,88V som visas i simuleringen ovan. Låt oss också verifiera detsamma med hjälp av formeln som vi diskuterade tidigare.

Vout = (R3 / R1) (V2-V1) när R1 = R2 och R3 = R4 = (22/10) (4-3.6) = (2.2) x (0.4) = 0.88v

Testa differentialförstärkarkretsen på hårdvara

Nu till den roliga delen, låt oss faktiskt bygga samma krets på panelen och kontrollera om vi kan uppnå samma resultat. Jag använder LM324 Op-Amp för att bygga kretsen och använder Breadboard-strömförsörjningsmodulen som vi byggde tidigare. Denna modul kan ge 5V och 3.3V utgång, så jag använder 5V power rail för att driva min op-amp och 3.3V power rail som V1. Sedan använde jag min RPS (reglerad strömförsörjning) för att ge 3,7 V till stift V2. Skillnaden mellan spänningarna är 0,4 och vi har en förstärkning på 2,2 vilket borde ge oss 0,88V och det är precis vad jag fick. Bilden nedan visar inställningen och multimetern med avläsningen 0,88V på.

Detta bevisar att vår förståelse för differentiell op-amp är korrekt och nu vet vi hur man utformar en på egen hand med det önskade förstärkningsvärdet. Hela arbetet finns också i videon nedan. Dessa kretsar används oftare i volymkontrollapplikationer.

Men eftersom kretsen har motstånd på ingångsspänningssidan (V1 och V2) ger den inte särskilt hög ingångsimpedans och har också en hög gemensam lägesförstärkning som leder till lågt CMRR-förhållande. För att övervinna dessa nackdelar finns det en improviserad version av differentialförstärkare som kallas instrumentationsförstärkaren, men låt oss lämna det för en annan handledning.

Hoppas att du förstod handledningen och tyckte om att lära dig om differentiella förstärkare. Om du har frågor lämnar du dem i kommentarsektionen eller använder forumen för mer tekniska frågor och snabbare svar.