Instrumentationsförstärkarkrets med hjälp av op

Nästan alla typer av sensorer och omvandlare omvandlar verkliga parametrar som ljus, temperatur, vikt etc till spänningsvärden för att våra elektroniska system ska förstå det. Variationen i denna spänningsnivå hjälper oss att analysera / mäta de verkliga parametrarna, men i vissa applikationer som biomedicinska sensorer är denna variation mycket liten (lågnivåsignaler) och det är mycket viktigt att hålla reda på även den minutvariationen till få tillförlitliga data. I dessa applikationer används en instrumentförstärkare.

En instrumentationsförstärkare aka INO eller in-förstärkare som namnet antyder förstärker variationen i spänning och ger en differentiell utgång som alla andra förstärkare. Men till skillnad från en vanlig förstärkare kommer instrumentförstärkarna att ha hög ingångsimpedans med god förstärkning samtidigt som de ger vanligt brusavvisning med helt differentiella ingångar. Det är okej om du inte får det nu, i den här artikeln kommer vi att lära oss om dessa instrumentationsförstärkare och eftersom dessa IC är relativt dyra än Op-förstärkare kommer vi också att lära oss hur man använder normal Op-amp som LM385 eller LM324 för att bygga Instrumentationsförstärkare och använd den för våra applikationer. Op-förstärkare kan också användas för att bygga spänningsladdare och spänningssubstraktorkrets.

Vad är en instrumentationsförstärkare IC?

Förutom vanliga op-förstärkare IC har vi några speciella förstärkare för instrumentationsförstärkare som INA114 IC. Det är inget annat än få vanliga op-förstärkare kombinerade för vissa specifika applikationer. För att förstå mer om detta kan vi titta på databladet för INA114 för dess interna kretsschema.

Som du kan se tar IC två signalspänningar V _IN - och V _IN +, låt oss betrakta dem som V1 och V2 från och med nu för enkel förståelse. Utgångsspänningen (V _O) kan beräknas med formlerna

V _O = G (V2 - V1)

Där G är förstärkningen för op-amp och kan ställas in med hjälp av det externa motståndet _RG och beräknas med hjälp av nedanstående formler

G = 1+ (50k Ω / RG)

Obs: Värdet 50k ohm är endast tillämpligt för INA114 IC eftersom det använder motstånd på 25k (25 + 25 = 50). Du kan beräkna värdet för andra kretsar.

Så i grund och botten nu, om du tittar på det, ger en In-amp bara skillnaden mellan två spänningskällor med en förstärkning som kan ställas in av ett externt motstånd. Låter det här bekant? Om inte, ta en titt på Differential förstärkarens design och kom tillbaka.

Ja! Det här är precis vad en differentialförstärkare gör och om du tittar närmare kan du till och med upptäcka att op-förstärkaren A3 i bilden ovan inte är något annat än en differentialförstärkarkrets. Så i lekmässiga termer är en Instrumentation-amp ännu en typ av differentiell förstärkare men med fler fördelar som hög ingångsimpedans och enkel förstärkningskontroll etc. Dessa fördelar beror på de andra två op-amp (A2 och A1) i designen vi kommer att lära oss mer om det i nästa rubrik.

Förstå instrumentförstärkaren

För att helt förstå instrumentationsförstärkaren, låt oss bryta ner den ovanstående bilden i meningsfulla block som visas nedan.

Som du kan se är In-Amp bara en kombination av två buffert-amp-kretsar och en differentiell op-amp-krets. Vi har lärt oss om båda dessa op-amp-design individuellt, nu kommer vi att se hur de kombineras för att bilda en differentiell Op-amp.

Skillnad mellan differentialförstärkare och instrumentförstärkare

Vi har redan lärt oss hur man designar och använder en differentialförstärkare i vår tidigare artikel. Få betydande nackdelar med differentiell förstärkare är att den har mycket låg ingångsimpedans på grund av ingångsmotstånden och har mycket låg CMRR på grund av den höga gemensamma modförstärkningen. Dessa kommer att övervinnas i en instrumentationsförstärkare på grund av buffertkretsen.

Även i en differentialförstärkare måste vi ändra många motstånd för att ändra förstärkarens förstärkningsvärde men i en differentiell förstärkare kan vi kontrollera förstärkningen genom att helt enkelt justera ett motståndsvärde.

Instrumentationsförstärkare med Op-amp (LM358)

Låt oss nu bygga en praktisk instrumentationsförstärkare med hjälp av op-amp och kontrollera hur den fungerar. Den förstärkarkrets för op-amp-instrument som jag använder ges nedan.

Kretsen kräver tre op-förstärkare tillsammans; Jag har använt två LM358 IC: er. LM358 är en dubbelförstärkare, det vill säga den har två op-förstärkare i ett paket så vi behöver två av dem för vår krets. På samma sätt kan du också använda tre enkelpaket LM741 op-amp eller ett fyrpaket LM324 op-amp.

I ovanstående krets fungerar op-amp U1: A och U1: B som en spänningsbuffert, detta hjälper till att uppnå hög ingångsimpedans. Op-amp U2: A fungerar som en differentiell op-amp. Eftersom alla motstånd hos differentiell op-amp är 10k fungerar det som en enhetsförstärkningsdifferentialförstärkare vilket innebär att utspänningen kommer att vara skillnaden i spänning mellan stift 3 och stift 2 i U2: A.

Den utspänningen från Instrumentation förstärkarkretsen kan beräknas med hjälp av nedanstående formler.

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

Där, R = Motståndsvärde kretsen. Här är R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 vilket är 10k

Rg = Gain Resistor. Här är Rg = R1som är 22k.

Så värdet på R och Rg bestämmer förstärkarens förstärkning. Vinstens värde kan beräknas med

Förstärkning = (1+ (2R / Rg))

Simulering av instrumentförstärkare

Ovanstående krets när simulerad ger följande resultat.

Som du kan se är ingångsspänningarna V1 2.8V och V2 är 3.3V. Värdet på R är 10k och värdet på Rg är 22k. Att sätta alla dessa värden i ovanstående formler

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

Vi får värdet på utspänningen att vara 0,95V vilket matchar simuleringen ovan. Så förstärkningen av ovanstående krets är 1,9 och spänningsskillnaden är 0,5V. Så denna krets mäter i princip skillnaden mellan ingångsspänningarna och multiplicerar den med förstärkningen och producerar den som utspänning.

Du kan också märka att ingångsspänningen V1 och V2 visas över motståndet Rg, detta beror på den negativa återkopplingen från Op-amp U1: A och U1: B. Detta säkerställer att spänningsfallet över Rg är lika med spänningsskillnaden mellan V1 och V2 vilket får samma mängd ström att strömma genom motstånden R5 och R6 vilket gör spänningen på stift 3 och stift 2 lika på op-amp U2: A. Om du mäter spänningen före motstånd kan du se den verkliga utspänningen från op-amp U1: A och U1: B vars skillnad är lika med utspänningen som visas ovan i simuleringen.

Testa instrumentförstärkarkretsen på hårdvara

Enough Theory låter faktiskt bygga samma krets på en bräda och mäta spänningsnivåerna. Min anslutningsinställning visas nedan.

Jag har använt den strömförsörjning som vi byggde tidigare. Detta kort kan leverera både 5V och 3,3V. Jag använder 5V-skenan för att driva mina båda förstärkare och 3.3V som signalingångsspänning V2. Den andra ingångsspänningen V2 är inställd på 2,8 V med min RPS. Eftersom jag också har använt 10k-motstånd för R och 22k-motstånd för R1 blir kretsens förstärkning 1,9. Skillnadsspänningen är 0,5V och förstärkningen är 1,9 varav produkten ger oss 0,95V som utspänning som mäts och visas i bilden med en multimeter. Den kompletta bearbetning av instrumentering förstärkarkrets är show i videon länkad nedan.

På samma sätt kan du ändra värdet på R1 för att ställa in förstärkningen efter behov med formlerna som diskuterats ovan. Eftersom förstärkaren på denna förstärkare kan styras mycket enkelt med ett enda motstånd används den ofta i volymkontroll för ljudkretsar.

Hoppas att du förstod kretsen och tyckte om att lära dig något användbart. Om du har några frågor lämnar du dem i kommentarsektionen nedan eller använder forumet för snabbare svar.