Diferansiyel amplifikatör veya voltaj çıkarıcı devresi

Op-Amp'ler orijinal olarak Analog matematiksel hesaplamalar için geliştirildi, o zamandan beri bugün birçok tasarım uygulamasında yararlı olduklarını kanıtladılar. Profesörümün haklı olarak söylediği gibi, op-amp'ler aritmetik voltaj hesaplayıcılarıdır, Toplama Amplifikatörü devresini kullanarak verilen iki voltaj değerinin eklenmesini ve Diferansiyel Amplifikatör kullanarak iki voltaj değeri arasındaki farkı gerçekleştirebilirler. Bunun dışında Op-Amp ayrıca yaygın olarak Tersine Çevirici Amplifikatörler ve Ters Çevirmeyen Amplifikatörler olarak kullanılır.

Bir Op-Amp'ı Voltaj Toplayıcı veya Toplama Amplifikatörü olarak nasıl kullanabileceğimizi zaten öğrendik, bu nedenle bu eğitimde iki voltaj değeri arasındaki voltaj farkını bulmak için bir Diferansiyel amplifikatör olarak op-amp'i nasıl kullanacağımızı öğreneceğiz. Voltaj Çıkarıcı olarak da adlandırılır. Ayrıca bir devre tahtasında voltaj çıkarıcı devresini deneyeceğiz ve devrenin beklendiği gibi çalışıp çalışmadığını kontrol edeceğiz.

Op-Amp'ın Temelleri

Diferansiyel Op-amp'lere dalmadan önce, Op-Amp'ın temellerini hızlıca inceleyelim. Op-Amp, cihaza güç sağlamak için iki terminalli (Vs +, Vs-) beş terminalli bir cihazdır (tek paket). Kalan üç terminalden ikisi (V +, V-) Ters Çeviren ve Ters Çevirmeyen terminal adı verilen sinyaller için kullanılır ve geri kalan (Vout) çıkış terminalidir. Bir Op-Amp'ın temel sembolü aşağıda gösterilmiştir.

Bir Op-Amp'ın çalışması çok basittir, iki pinden (V +, V-) farklı voltajı alır, onu bir Kazanç değeri ile yükseltir ve çıkış voltajı (Vout) olarak verir. Op-Amp kazancı çok yüksek olabilir ve bu da onu ses uygulamaları için uygun hale getirir. Op-Amp'ın giriş voltajının çalışma voltajından daha düşük olması gerektiğini daima unutmayın. Op-amp hakkında daha fazla bilgi edinmek için çeşitli op-amp tabanlı devrelerde uygulamasını kontrol edin.

İdeal bir Op-Amp için giriş empedansı çok yüksek olacaktır, bu da Giriş pinlerinden (V +, V-) Op-Amp'a hiçbir akım girip çıkmayacaktır. Op-amp'in çalışmasını anlamak için op-amp devrelerini açık döngü ve kapalı döngü olarak geniş bir şekilde kategorize edebiliriz.

Op-amp Açık döngü devresi (Karşılaştırıcılar)

Açık döngü op-amp devresinde, çıkış pini (Vout) herhangi bir giriş pini ile bağlanmaz, yani geri besleme sağlanmaz. Bu tür açık döngü koşullarında op-amp, bir karşılaştırıcı olarak çalışır. Basit bir op-amp karşılaştırıcısı aşağıda gösterilmiştir. Vout pininin V1 veya V2 giriş pinlerine bağlı olmadığına dikkat edin.

Bu durumda, V1'e sağlanan voltaj V2'den büyükse, çıkış Vout yüksek olacaktır. Benzer şekilde, V2'ye sağlanan voltajlar V1'den büyükse, çıkış Vout düşük olacaktır.

Op-amp kapalı döngü devresi (Amplifikatörler)

Kapalı bir döngü op-amp devresinde, op-amp'in çıkış pini, bir geri bildirim sağlamak için giriş pinlerinden herhangi birine bağlanır. Bu geri bildirim, kapalı döngü bağlantısı olarak adlandırılır. Kapalı döngü sırasında bir Op-amp bir amplifikatör olarak çalışır, bu modda bir op-amp, tampon, voltaj takipçisi, Ters Çeviren Amplifikatör, Ters Çevirmeyen amplifikatör, Toplama amplifikatörü, Diferansiyel amplifikatör, Voltaj çıkarıcı vb. Gibi birçok yararlı uygulamayı bulur. Vout pini Ters çevirme terminaline bağlanır, daha sonra negatif geri besleme devresi (aşağıda gösterilmiştir) ve Ters Çevirme Olmayan terminale bağlanırsa Pozitif geri besleme devresi olarak adlandırılır.

Diferansiyel Amplifikatör veya Gerilim Çıkarıcı

Şimdi, Diferansiyel Amplifikatör konumuza geçelim. Bir diferansiyel amplifikatör temelde iki voltaj değerini alır, bu iki değer arasındaki farkı bulur ve onu yükseltir. Ortaya çıkan voltaj, çıkış pininden elde edilebilir. Temel bir Diferansiyel amplifikatör devresi aşağıda gösterilmiştir.

Ama bekleyin!, Bir Op-Amp'in geri beslemesi olmasa bile varsayılan olarak yaptığı şey bu değil, iki giriş alıyor ve çıkış pininde farklılıklarını sağlıyor. Öyleyse neden tüm bu süslü dirençlere ihtiyacımız var?

Evet, ancak op-amp açık döngüde (geribildirim olmadan) kullanıldığında pratikte kullanışlı olmayan çok yüksek bir kontrolsüz kazanca sahip olacaktır. Bu nedenle, negatif bir geri besleme döngüsünde dirençleri kullanarak kazancın değerini ayarlamak için yukarıdaki tasarımı kullanıyoruz. Direnç R3'ün üzerindeki devremizde, negatif bir geri besleme direnci görevi görür ve R2 ve R4 dirençleri potansiyel bir bölücü oluşturur. Kazanç değeri, dirençlerin doğru değeri kullanılarak ayarlanabilir.

Diferansiyel amplifikatörün kazancı nasıl ayarlanır?

Diferansiyel yükseltecin çıkış gerilimi yukarıda gösterilen aşağıdaki formülle verilebilir

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

Yukarıdaki formül, süperpozisyon teoremi kullanılarak yukarıdaki devrenin transfer fonksiyonundan elde edildi. Ama buna fazla girmeyelim. Yukarıdaki denklemi R1 = R2 ve R3 = R4 olarak düşünerek daha da basitleştirebiliriz. Yani alacağız

Vout = (R3 / R1) (V2-V1), R1 = R2 ve R3 = R4 olduğunda

Yukarıdaki formülden, R3 ve R1 arasındaki oranın amplifikatörün kazancına eşit olacağı sonucuna varabiliriz.

Kazanç = R3 / R1

Şimdi yukarıdaki devre için direnç değerlerini değiştirelim ve devrenin beklendiği gibi çalışıp çalışmadığını kontrol edelim.

Diferansiyel Amplifikatör devresinin simülasyonu

Seçtiğim direnç değeri R1 ve R2 için 10k, R3 ve R4 için 22k. Aynısı için devre simülasyonu aşağıda gösterilmiştir.

Simülasyon amacıyla, V2 için 4V ve V1 için 3.6V sağladım. Formüllere göre direnç 22k ve 10k 2.2 (22/10) kazanç ayarlayacaktır. Dolayısıyla, çıkarma 0.4V (4-3.6) olacaktır ve kazanç değeri 2.2 ile çarpılacaktır, böylece ortaya çıkan voltaj yukarıdaki simülasyonda gösterildiği gibi 0.88V olacaktır. Daha önce tartıştığımız formülü kullanarak da aynısını doğrulayalım.

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

Diferansiyel Amplifikatör Devresinin Donanım Üzerinde Test Edilmesi

Şimdi işin eğlenceli kısmına gelelim, hadi aslında aynı devreyi breadboard üzerine inşa edelim ve aynı sonuçları elde edip edemeyeceğimizi kontrol edelim. Devreyi oluşturmak için LM324 Op-Amp kullanıyorum ve daha önce oluşturduğumuz Breadboard güç kaynağı modülünü kullanıyorum. Bu modül 5V ve 3.3V çıkış sağlayabilir, bu yüzden op-amp'ime ve 3.3V güç rayına V1 olarak güç sağlamak için 5V güç rayını kullanıyorum. Sonra V2 pinine 3.7V sağlamak için RPS'mi (Düzenlenmiş Güç Kaynağı) kullandım. Gerilimler arasındaki fark 0,4'tür ve 2,2'lik bir kazancımız var, bu bize 0,88V vermeli ve tam olarak elde ettiğim şey bu. Aşağıdaki resim, üzerinde 0.88V okuma bulunan kurulumu ve multimetreyi göstermektedir.

Bu, diferansiyel op-amp anlayışımızın doğru olduğunu ve artık gerekli kazanç değeri ile kendi başımıza nasıl tasarlayacağımızı bildiğimizi kanıtlıyor. Tam çalışma ayrıca aşağıda verilen videoda bulunabilir. Bu devreler daha çok ses kontrol uygulamalarında kullanılır.

Ancak devre giriş voltajı tarafında (V1 ve V2) dirençlere sahip olduğu için çok yüksek giriş empedansı sağlamaz ve aynı zamanda düşük CMRR oranına yol açan yüksek bir ortak mod kazancına sahiptir. Bu dezavantajların üstesinden gelmek için, enstrümantasyon amplifikatörü adı verilen doğaçlama bir diferansiyel amplifikatör versiyonu vardır, ancak bunu başka bir öğretici için bırakalım.

Umarım öğreticiyi anladınız ve diferansiyel amplifikatörleri öğrenmekten keyif aldınız. Herhangi bir sorunuz varsa, bunları yorum bölümünde bırakın veya daha teknik sorular ve daha hızlı yanıt için forumları kullanın.