Mosfet ve transistör kullanan programlanabilir kazanç yükseltici

Ölçüm endüstrisinde, çok önemli bir işlevsel blok Programlanabilir Kazanç Amplifikatörüdür (PGA). Bir elektronik meraklısıysanız veya bir üniversite öğrencisiyseniz, muhtemelen çok küçük voltajları çok hassas bir şekilde ölçen bir multimetre veya osiloskop görmüşsünüzdür çünkü devrede, hassas ölçüm sürecine yardımcı olan güçlü bir ADC'nin yanı sıra yerleşik bir PGA vardır.

Günümüzde, hazır PGA amplifikatörü, kullanıcı tarafından programlanabilir kazanç faktörüne sahip, op-amp tabanlı, ters çevirmeyen bir amplifikatör sunmaktadır. Bu tip cihaz, çok yüksek giriş empedansına, geniş bant genişliğine ve IC'ye yerleşik seçilebilir bir giriş voltaj referansına sahiptir. Ancak tüm bu özelliklerin bir bedeli vardır ve benim için bu maliyetli bir çipi genel bir uygulama için koymaya değmez.

Bu durumların üstesinden gelmek için, op-amp'in kazancını programlı olarak değiştirebileceğim bir Op-amp, MOSFET ve Arduino'dan oluşan bir düzenleme buldum. Öyleyse, bu eğitimde size LM358 op-amp ve MOSFETS ile kendi Programlanabilir Kazanç Amplifikatörünüzü nasıl oluşturacağınızı göstereceğim ve testin yanı sıra devrenin bazı artılarını ve eksilerini tartışacağım.

Op-Amp'ın Temelleri

Bu devrenin çalışmasını anlamak için, işlemsel bir yükselticinin nasıl çalıştığını bilmek çok önemlidir. Bu op-amp test devresini takip ederek Op-amp hakkında daha fazla bilgi edinin.

Yukarıdaki şekilde bir işlemsel amplifikatör görebilirsiniz. Bir amplifikatörün temel işi, amplifikasyonun yanı sıra bir giriş sinyalini güçlendirmektir, op-amp ayrıca toplama, farklılaştırma, entegre etme gibi çeşitli işlemleri de yapabilir. Burada toplama amplifikatörü ve diferansiyel amplifikatör hakkında daha fazla bilgi edinin.

Op-amp'in yalnızca üç terminali vardır. (+) İşaretli terminale ters çevirmeyen giriş, (-) işaretli terminale eviren giriş adı verilir. Bu iki terminalin yanında üçüncü terminal çıkış terminalidir.

Bir op-amp yalnızca iki kuralı izler

Op-amp girişlerine akım girmez veya çıkmaz.
Op-amp, girişleri aynı voltaj seviyelerinde tutmaya çalışır.

Bu iki kural netleştirildiğinde aşağıdaki devreleri analiz edebiliriz. Ayrıca, çeşitli Op-amp tabanlı devrelerden geçerek Op-amp hakkında daha fazla bilgi edinin.

Programlanabilir Kazanç Amplifikatörü Çalışması

Yukarıdaki şekil, kaba PGA Amplifikatörümün devre düzenlemesi hakkında size temel bir fikir verir. Bu devrede op-amp, ters çevirmeyen bir amplifikatör olarak yapılandırılmıştır ve hepimizin bildiği gibi, ters çevirmeyen bir devre düzenlemesiyle, geri besleme direncini veya giriş direncini değiştirerek op-amp kazancını değiştirebiliriz, Yukarıdaki devre düzenlemesinden görebileceğiniz gibi, op-amp kazancını değiştirmek için MOSFET'leri birer birer değiştirmem gerekiyor.

Test bölümünde, MOSFET'leri birer birer değiştirdim ve ölçülen değerleri pratik değerlerle karşılaştırdım ve sonuçları aşağıdaki "devrenin test edilmesi" bölümünde gözlemleyebilirsiniz.

Gerekli Bileşenler

Arduino Nano - 1
LM358 IC - 1
LM7805 regülatör - 1
BC548 Genel NPN Transistörü - 2
BS170 Genel N-kanal MOSFET - 2
200K Direnç - 1
50K Direnç - 2
24K Direnç - 2
6.8K Direnç - 1
1K Direnç - 4
4.7K Direnç - 1
220R,% 1 Direnç - 1
Dokunsal Anahtar Genel - 1
Sarı LED 3mm - 2
Ekmek Tahtası Genel - 1
Genel Jumper Kabloları - 10
Güç Kaynağı ± 12V - 1

Şematik diyagram

Programlanabilir Kazanç Amplifikatörünün bir gösterimi için devre, şematik yardımıyla lehimsiz bir devre tahtası üzerine inşa edilmiştir; Devre tahtasının dahili parazitik endüktansını ve kapasitansını azaltmak için, tüm bileşenler mümkün olduğunca yakın yerleştirilmiştir.

Ve eğer devre tahtamda neden bir tel kümesi olduğunu merak ediyorsanız? Bir devre tahtasındaki dahili toprak bağlantıları çok zayıf olduğu için bunun iyi bir toprak bağlantısı yapmak için olduğunu söylememe izin verin.

Burada devredeki op-amp, ters çevirmeyen bir amplifikatör olarak yapılandırılmıştır ve 7805 voltaj regülatöründen gelen giriş voltajı 4.99V'dur.

Direnç R6 için ölçülen değer 6.75K ve R7 220.8R'dir bu iki direnç, op-amp için giriş test voltajını oluşturmak için kullanılan bir voltaj bölücü oluşturur. Dirençler R8 ve R9, transistor T3 ve T4 giriş taban akımı sınırlamak için kullanılır. Dirençler R10 ve R11, aksi halde, bu devrede salınım neden olabilir, MOSFET T1 ve T2 arasında anahtarlama hızını sınırlandırmak için kullanılmaktadır.

Bu blogda, size bir BJT yerine bir MOSFET kullanmanın nedenini, dolayısıyla devre düzenlemesini göstermek istiyorum.

PGA için Arduino Kodu

Burada Arduino Nano, transistörün tabanını ve MOSFET'lerin kapısını kontrol etmek için kullanılır ve voltaj seviyelerini göstermek için bir multimetre kullanılır, çünkü Arduino'nun dahili ADC'si düşük ölçmek söz konusu olduğunda çok kötü bir iş çıkarır. voltaj seviyeleri.

Bu proje için eksiksiz Arduino kodu aşağıda verilmiştir. Bu çok basit bir Arduino kodu olduğu için herhangi bir kitaplık eklememize gerek yoktur. Ancak kodda gösterildiği gibi bazı sabitleri ve giriş pinlerini tanımlamamız gerekir.

Void kurulumu () tüm giriş ve çıkışlar için okuma ve yazma işlemi şartının gerçekleştirilir ana fonksiyonel bloktur.

#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 2 #define LED_PIN2 3 #define PRESSED_CON int debounce_counter = 0; geçersiz kurulum () {pinMode (BS170_WITH_50K_PIN, OUTPUT); pinMode (BS170_WITH_24K_PIN, OUTPUT); pinMode (BC548_WITH_24K_PIN, OUTPUT); pinMode (BC548_WITH_50K_PIN, OUTPUT); pinMode (LED_PIN1, OUTPUT); pinMode (LED_PIN2, OUTPUT); pinMode (BUTTON_PIN, INPUT); } boşluk döngüsü () {bool val = digitalRead (BUTTON_PIN); // girdi değerini oku if (val == LOW) {debounce_counter ++; eğer (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, DÜŞÜK);digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, DÜŞÜK); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, DÜŞÜK); digitalWrite (LED_PIN1, DÜŞÜK); digitalWrite (LED_PIN2, DÜŞÜK); } if (button_is_pressed == 2) {digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, DÜŞÜK); digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, DÜŞÜK); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, DÜŞÜK); digitalWrite (LED_PIN1, DÜŞÜK); digitalWrite (LED_PIN2, YÜKSEK); } if (button_is_pressed == 3) {digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, HIGH); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, DÜŞÜK); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, DÜŞÜK); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, DÜŞÜK); digitalWrite (LED_PIN1, HIGH); digitalWrite (LED_PIN2, YÜKSEK); } if (button_is_pressed == 1) {digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, DÜŞÜK); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, DÜŞÜK); digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, DÜŞÜK); digitalWrite (LED_PIN1, HIGH);digitalWrite (LED_PIN2, DÜŞÜK); } eğer (button_is_pressed> = 4) {button_is_pressed = 0; }}}

Programlanabilir Kazanç Amplifikatörü için Hesaplamalar

PGA amplifikatör devresi için ölçülen değerler aşağıda gösterilmiştir.

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

Not! Direncin ölçülen değerleri gösterilir çünkü ölçülen direnç değerleri ile teorik değerleri ve pratik değerleri yakından karşılaştırabiliriz.

Şimdi voltaj bölücü hesaplayıcısından yapılan hesaplama aşağıda gösterilmektedir,

Voltaj bölücünün çıkışı 0.1564V'dur.

4 direnç için ters çevirmeyen amplifikatörün kazancının hesaplanması

R1 seçilen direnç olduğunda Vout

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

R2 seçilen direnç olduğunda Vout

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

R3 seçilen direnç olduğunda Vout

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

R4 seçilen direnç olduğunda Vout

Vout = (1+ (199.5 / 50.45)) * 0.1564 = 0.77486V

Tüm bunları teorik ve pratik değerleri olabildiğince yakın karşılaştırmak için yaptım.

Yapılan tüm hesaplamalarla birlikte test bölümüne geçebiliriz.

Programlanabilir Kazanç Amplifikatör Devresinin Test Edilmesi

Yukarıdaki resim, MOSFET T1 açıkken çıkış voltajını gösterir, dolayısıyla akım Direnç R1'den geçer.

Yukarıdaki görüntü, Transistör T4 açıkken çıkış voltajını gösterir, dolayısıyla akım Direnç R4'ten geçer.

Yukarıdaki görüntü, MOSFET T2 açıkken çıkış voltajını gösterir, dolayısıyla akım Direnç R2'den akar .

Yukarıdaki görüntü, Transistör T3 açıkken çıkış voltajını gösterir, dolayısıyla akım Direnç R3'ten akar .

Şematikten de görebileceğiniz gibi T1, T2 MOSFET'ler ve T3, T4 transistörler. Yani MOSFET'ler kullanıldığında, hata 1 ila 5 mV aralığındadır, ancak anahtar olarak transistörler kullanıldığında, 10 ila 50 mV aralığında bir hata alıyoruz.

Yukarıdaki sonuçlarla, MOSFET'in bu tür bir uygulama için goto çözüm olduğu ve teorik ve pratikteki hataların op-amp'in ofset hatası nedeniyle kaynaklanabileceği açıktır.

Not! Lütfen sadece test amacıyla iki LED eklediğimi ve bunları gerçek şemada bulamadığımı, hangi pinin etkin olduğunu göstermek için ikili kod gösterdiğini lütfen unutmayın.

Programlanabilir Kazanç Amplifikatörünün Artıları ve Eksileri

Gibi bu devre ucuz, kolay ve basit, birçok farklı uygulamalarda uygulanabilir.

Burada MOSFET, tüm akımı dirençten toprağa geçirmek için bir anahtar olarak kullanılır, bu nedenle sıcaklığın etkisi kesin değildir ve sınırlı aletlerim ve test ekipmanımla, değişen sıcaklığın üzerindeki etkilerini size gösteremedim. devre.

MOSFET'lerin yanında bir BJT kullanmanın amacı, size bir BJT'nin bu tür bir uygulama için ne kadar zayıf olabileceğini göstermek istiyorum.

Geri besleme dirençlerinin ve giriş dirençlerinin değerleri KΩ aralığında olmalıdır, çünkü daha düşük direnç değerlerinde, MOSFET'ten daha fazla akım geçecek ve böylece MOSFET boyunca daha fazla voltaj düşerek tahmin edilemeyen sonuçlara neden olacaktır.

Daha Fazla Geliştirme

Devre, yüksek frekanslı sesleri reddetmek için filtre ekleyebileceğimiz gibi performansını artırmak için daha da değiştirilebilir.

Bu testte LM358 jöle fasulyesi op-amp kullanıldığından, op-amp'in ofset hataları çıkış voltajında önemli bir rol oynamaktadır. Dolayısıyla, bir LM358 yerine enstrümantal bir amplifikatör kullanılarak daha da geliştirilebilir.

Bu devre yalnızca gösteri amaçlı yapılmıştır. Bu devreyi pratik bir uygulamada kullanmayı düşünüyorsanız, mutlak kararlılık elde etmek için kıyıcı tipi bir op-amp ve yüksek hassasiyetli 0.1 ohm direnç kullanmanız gerekir.

Umarım bu makaleyi beğenmiş ve ondan yeni bir şeyler öğrenmişsindir. Herhangi bir şüpheniz varsa, aşağıdaki yorumlarda sorabilir veya detaylı tartışma için forumlarımızı kullanabilirsiniz.