Operasyon kullanarak enstrümantasyon amplifikatör devresi

Hemen hemen her tür sensör ve dönüştürücü, elektronik sistemlerimizin anlayabilmesi için ışık, sıcaklık, ağırlık vb. Gibi gerçek dünya parametrelerini voltaj değerlerine dönüştürür. Bu voltaj seviyesindeki varyasyon, gerçek dünya parametrelerini analiz etmemize / ölçmemize yardımcı olacaktır, ancak biyomedikal sensörler gibi bazı uygulamalarda bu varyasyon çok küçüktür (düşük seviyeli sinyaller) ve dakika varyasyonunu bile takip etmek çok önemlidir. güvenilir veriler edinin. Bu uygulamalarda bir Enstrümantasyon Amplifikatörü kullanılır.

Adından da anlaşılacağı gibi INO veya in-amps olarak adlandırılan bir Enstrümantasyon amplifikatörü, voltajdaki değişimi güçlendirir ve diğer op-amp'ler gibi diferansiyel bir çıkış sağlar. Ancak, normal bir amplifikatörün aksine, Enstrümantasyon amplifikatörleri, tamamen diferansiyel girişlerle ortak mod gürültü reddi sağlarken, iyi kazançlı yüksek giriş empedansına sahip olacaktır. Şimdi anlamazsanız sorun değil, bu makalede bu Enstrümantasyon amplifikatörleri hakkında bilgi edineceğiz ve bu IC'ler Op- amp'lerden nispeten pahalı olduğundan, LM385 veya LM324 gibi normal Op- amp'i kullanarak nasıl yapacağımızı da öğreneceğiz. Enstrümantasyon amplifikatörü ve uygulamalarımız için kullanın. Op-amp'ler, Gerilim toplayıcı ve gerilim Çıkarıcı devresi oluşturmak için de kullanılabilir.

Enstrümantasyon Amplifikatör IC nedir?

Normal op-amp IC'nin yanı sıra, INA114 IC gibi Enstrümantasyon amplifikatörü için bazı özel amplifikatör türlerine sahibiz. Belirli uygulamalar için bir araya getirilmiş birkaç normal op-amfiden başka bir şey değildir. Bunun hakkında daha fazlasını anlamak için INA114'ün dahili devre şeması için veri sayfasına bakalım.

Gördüğünüz gibi IC iki sinyal gerilimi alıyor V _IN - ve V _IN +, şimdi bunları daha kolay anlaşılması için V1 ve V2 olarak düşünelim. Çıkış voltajı (V _O) aşağıdaki formüller kullanılarak hesaplanabilir

V _O = G (V2 - V1)

Nerede, G op-amp kazancıdır ve harici direnç R _G kullanılarak ayarlanabilir ve aşağıdaki formüller kullanılarak hesaplanabilir

G = 1+ (50k Ω / RG)

Not: 50k ohm değeri, 25k (25 + 25 = 50) direnç kullandığından yalnızca INA114 IC için geçerlidir. Sırasıyla diğer devrelerin değerini hesaplayabilirsiniz.

Yani temelde şimdi bakarsanız, bir In-amp sadece iki voltaj kaynağı arasındaki farkı, harici bir direnç tarafından ayarlanabilen bir kazanç ile sağlar. Bu tanıdık geliyor mu? Diferansiyel amplifikatör tasarımına bir göz atın ve geri gelin.

Evet !, Diferansiyel amplifikatörün yaptığı tam olarak budur ve daha yakından bakarsanız, yukarıdaki görüntüdeki op-amp A3'ün bir Diferansiyel amplifikatör devresinden başka bir şey olmadığını bile görebilirsiniz. Dolayısıyla, meslekten olmayan terimlerle, bir Enstrümantasyon-amp, başka bir tür diferansiyel amplifikatördür, ancak yüksek giriş empedansı ve kolay kazanç kontrolü gibi daha fazla avantaja sahiptir. Bu avantajlar, tasarımdaki diğer iki op-amp (A2 ve A1) nedeniyledir, sonraki başlıkta bunun hakkında daha fazla bilgi edineceğiz.

Enstrümantasyon Amplifikatörünü Anlamak

Enstrümantasyon amplifikatörünü tam olarak anlamak için, onu yukarıdaki görüntüyü aşağıda gösterildiği gibi anlamlı bloklara ayıralım.

Gördüğünüz gibi In-Amp, iki Tampon op-amp devresi ve bir diferansiyel op-amp devresinin bir kombinasyonudur. Bu iki op-amp tasarımını ayrı ayrı öğrendik, şimdi diferansiyel bir Op-amp oluşturmak için nasıl birleştirildiklerini göreceğiz.

Diferansiyel Amplifikatör ve Enstrümantasyon Amplifikatörü arasındaki fark

Bir önceki makalemizde diferansiyel amplifikatörün nasıl tasarlanacağını ve kullanılacağını zaten öğrendik. Diferansiyel amplifikatörün birkaç önemli dezavantajı, giriş dirençleri nedeniyle çok düşük giriş empedansına sahip olması ve yüksek ortak mod kazancı nedeniyle çok düşük CMRR'ye sahip olmasıdır. Tampon devresi nedeniyle bir Enstrümantasyon amplifikatöründe bunların üstesinden gelinecektir.

Ayrıca bir diferansiyel amplifikatörde, amplifikatörün kazanç değerini değiştirmek için birçok direnci değiştirmemiz gerekir, ancak diferansiyel amplifikatörde kazancı yalnızca bir direnç değerini ayarlayarak kontrol edebiliriz.

Op-amp (LM358) kullanan Enstrümantasyon Amplifikatörü

Şimdi op-amp kullanarak pratik bir Enstrümantasyon amplifikatörü oluşturalım ve nasıl çalıştığını kontrol edelim. Op-amp enstrümantasyon amplifikatör devresi kullanıyorum aşağıda verilmiştir.

Devre, hep birlikte üç op-amp gerektirir; Ben kullandım iki LM358 IC'sine. LM358, bir pakette iki op-amp bulunan bir çift paket op-amp, yani devremiz için bunlardan ikisine ihtiyacımız var. Benzer şekilde, üç tek paketli LM741 op-amp veya bir dörtlü paket LM324 op-amp de kullanabilirsiniz.

Yukarıdaki devrede, op-amp U1: A ve U1: B bir voltaj tamponu görevi görür ve bu, yüksek giriş empedansı elde edilmesine yardımcı olur. Op-amp U2: A, diferansiyel bir op-amp görevi görür. Diferansiyel op-amp'in tüm dirençleri 10k olduğundan, bir birim kazanç diferansiyel amplifikatörü görevi görür, yani çıkış voltajı, U2: A'nın pimi 3 ve pimi 2 arasındaki voltaj farkı olacaktır.

Alet amplifikatör devresinin çıkış gerilimi aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir.

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

Nerede, R = Direnç devreyi değer. Burada R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 olan 10k

Rg = Kazanç Direnci. Burada Rg = R1, 22k'dir.

Yani R ve Rg'nin değeri amplifikatörün kazancına karar verir. Kazanç değeri şu şekilde hesaplanabilir:

Kazanç = (1+ (2R / Rg))

Enstrümantasyon Amplifikatörünün Simülasyonu

Simüle edildiğinde yukarıdaki devre aşağıdaki sonuçları verir.

Gördüğünüz gibi giriş voltajları V1 2,8V ve V2 3,3V. R'nin değeri 10k ve Rg'nin değeri 22k'dır. Tüm bu değerleri yukarıdaki formüllere koymak

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3.3-2.8) (1+ (2x10 / 22)) = (0.5) * (1.9) = 0.95V

Yukarıdaki simülasyonla eşleşen çıkış voltajının değerini 0,95V olarak alıyoruz. Yani yukarıdaki devrenin kazancı 1.9 ve voltaj farkı 0.5V. Yani bu devre temelde giriş voltajları arasındaki farkı ölçecek ve bunu kazançla çarpacak ve çıkış voltajı olarak üretecektir.

Ayrıca, V1 ve V2 giriş voltajının direnç Rg boyunca göründüğünü fark edebilirsiniz, bunun nedeni Op-amp U1: A ve U1: B'nin negatif geri beslemesidir. Bu, Rg boyunca voltaj düşüşünün, V1 ve V2 arasındaki voltaj farkına eşit olmasını sağlar; bu, R5 ve R6 dirençlerinden eşit miktarda akım geçmesine neden olur ve pim 3 ve pim 2'deki voltajı op-amp U2: A'ya eşit hale getirir. Dirençlerden önce voltajı ölçerseniz, op-amp U1: A ve U1: B'den gerçek çıkış voltajını görebilirsiniz, bunların farkı simülasyonda yukarıda gösterildiği gibi çıkış voltajına eşit olacaktır.

Enstrümantasyon Amplifikatör Devresinin Donanım Üzerinde Test Edilmesi

Yeterli Teori, aynı devreyi bir breadboard üzerinde gerçekten oluşturmanıza ve voltaj seviyelerini ölçmenize izin verir. Bağlantı kurulumum aşağıda gösterilmektedir.

Daha önce yaptığımız devre tahtası güç kaynağını kullandım. Bu kart hem 5V hem de 3.3V sağlayabilir. V2 sinyal giriş voltajı olarak hem op-amp'lerime hem de 3.3V'ye güç sağlamak için 5V rayını kullanıyorum. Diğer giriş voltajı V2, RPS'mi kullanarak 2.8V'a ayarlandı. Ayrıca R için 10k direnç ve R1 için 22k direnç kullandığım için devrenin kazancı 1.9 olacaktır. Fark voltajı 0,5V'dur ve kazanç 1,9 ürünüdür ki bunun bize multimetre kullanılarak ölçülen ve görüntülenen çıkış voltajı olarak 0,95V verir. Enstrümantasyon amplifikatör devresinin tam çalışma video göstermek, aşağıda bağlantı.

Benzer şekilde, yukarıda tartışılan formülleri kullanarak kazancı gerektiği gibi ayarlamak için R1'in değerini değiştirebilirsiniz. Bu amplifikatörün kazancı, tek bir direnç kullanılarak çok kolay bir şekilde kontrol edilebildiğinden, genellikle ses devreleri için ses kontrolünde kullanılır.

Umarım devreyi anladınız ve yararlı bir şeyler öğrenmekten keyif aldınız. Herhangi bir sorunuz varsa, bunları aşağıdaki yorum bölümüne bırakın veya daha hızlı yanıt için forumu kullanın.