แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลหรือวงจรลบแรงดันไฟฟ้า

เดิมที Op-Amps ได้รับการพัฒนาขึ้นสำหรับการคำนวณทางคณิตศาสตร์แบบอะนาล็อกตั้งแต่นั้นมาจนถึงปัจจุบันพวกเขาได้พิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์ในแอพพลิเคชั่นการออกแบบมากมาย ในฐานะที่เป็นคนที่อาจารย์ของฉันถูกต้องกล่าวว่าสหกรณ์แอมป์มีเครื่องคิดเลขแรงดันเลขคณิตพวกเขาสามารถดำเนินการนอกเหนือจากสองค่าแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดโดยใช้วงจรสรุป Amplifier และความแตกต่างระหว่างสองค่าใช้แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน Amplifier นอกเหนือจากนี้ Op-Amp ยังนิยมใช้เป็น Inverting Amplifiers และ Non-Inverting Amplifiers

เราได้เรียนรู้แล้วว่าเราสามารถใช้ Op-Amp เป็น Voltage Adder หรือ Summing Amplifier ได้อย่างไรดังนั้นในบทช่วยสอนนี้เราจะได้เรียนรู้วิธีใช้ op-amp เป็นเครื่องขยายเสียง Differentialเพื่อค้นหาความต่างศักย์ระหว่างค่าแรงดันไฟฟ้าสองค่า มันก็เรียกว่าแรงดันตัวลบเราจะลองใช้วงจรลบแรงดันไฟฟ้าบนเขียงหั่นขนมและตรวจสอบว่าวงจรทำงานตามที่คาดไว้หรือไม่

พื้นฐานของ Op-Amp

ก่อนที่เราจะดำดิ่งสู่ Op-amps ที่แตกต่างกันเรามาดูข้อมูลพื้นฐานของ Op-Amp กันอย่างรวดเร็ว Op-Amp คืออุปกรณ์ปลายทาง 5 เครื่อง (แพ็คเกจเดียว) ที่มีสองขั้ว (Vs +, Vs-) สำหรับเปิดเครื่อง จากสามขั้วที่เหลือสอง (V +, V-) ใช้สำหรับสัญญาณที่เรียกว่าเทอร์มินัล Inverting และ Non-Inverting และอีกอันที่เหลือ (Vout) คือเทอร์มินัลเอาต์พุต สัญลักษณ์พื้นฐานของ Op-Amp แสดงอยู่ด้านล่าง

การทำงานของ Op-Amp นั้นง่ายมากโดยใช้แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันจากสองพิน (V +, V-) ขยายด้วยค่า Gain และให้เป็นแรงดันเอาต์พุต (Vout) อัตราขยายของ Op-Amp นั้นสูงมากทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานด้านเสียง โปรดจำไว้เสมอว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของ Op-Amp ควรน้อยกว่าแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ op-amp โปรดตรวจสอบแอปพลิเคชันในวงจรที่ใช้ op-amp ต่างๆ

สำหรับ Op-Amp ในอุดมคติอิมพีแดนซ์อินพุตจะสูงมากนั่นคือไม่มีกระแสไหลเข้าหรือออก Op-Amp ผ่านพินอินพุต (V +, V-) เพื่อให้เข้าใจถึงการทำงานของสหกรณ์แอมป์ที่เราสามารถจัดกลุ่มวงจร op-amp เป็นวงเปิดและวงปิด

วงจร Op-amp Open loop (ตัวเปรียบเทียบ)

ในวงวงจรเปิดสหกรณ์แอมป์เอาท์พุทพิน (Vout) ไม่ได้เชื่อมต่อกับใด ๆ ของหมุดการป้อนข้อมูลที่เป็นไม่มีข้อเสนอแนะที่มีให้ในสภาพที่เปิดวงดังกล่าวop-amp ทำงานเป็นตัวเปรียบเทียบ ตัวเปรียบเทียบ op-amp อย่างง่ายแสดงอยู่ด้านล่าง สังเกตว่าพิน Vout ไม่ได้เชื่อมต่อกับพินอินพุต V1 หรือ V2

ในสภาวะนี้หากแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับ V1 มากกว่า V2 เอาต์พุต Vout จะสูงขึ้น ในทำนองเดียวกันหากแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับ V2 มากกว่า V1 เอาต์พุต Vout จะลดลง

วงจรออปแอมป์วงปิด (เครื่องขยายเสียง)

ในวงจรห่วง op-amp ปิดขาการส่งออกของสหกรณ์แอมป์มีการเชื่อมต่อกับทั้งสองขาป้อนข้อมูลเพื่อให้ข้อเสนอแนะความคิดเห็นนี้เรียกว่าเป็นการเชื่อมต่อแบบวงปิด ในระหว่างวงปิดOp-amp จะทำงานเป็นเครื่องขยายเสียงในระหว่างโหมดนี้ op-amp จะพบแอปพลิเคชั่นที่มีประโยชน์มากมายเช่นบัฟเฟอร์ตัวติดตามแรงดันไฟฟ้า Inverting Amplifier, Non-Inverting amplifier, Summing amplifier, Differential amplifier, Voltage subtractor เป็นต้นหาก ขา Vout เชื่อมต่อกับขั้ว Inverting จากนั้นจะเรียกว่าเป็นวงจรป้อนกลับเชิงลบ (แสดงด้านล่าง) และหากเชื่อมต่อกับขั้วไม่กลับด้านจะเรียกว่าเป็นวงจรตอบรับเชิงบวก

แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลหรือตัวลบแรงดันไฟฟ้า

ตอนนี้ให้เราเข้าสู่หัวข้อของเราเครื่องขยายเสียงที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปแล้วแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลจะใช้ค่าแรงดันสองค่าค้นหาความแตกต่างระหว่างค่าทั้งสองนี้ แรงดันไฟฟ้าที่ได้สามารถหาได้จากขาเอาต์พุต วงจรแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลพื้นฐานแสดงอยู่ด้านล่าง

แต่เดี๋ยวก่อนนี่ไม่ใช่สิ่งที่ Op-Amp ทำตามค่าเริ่มต้นแม้ว่าจะไม่มีข้อเสนอแนะ แต่ก็ใช้อินพุตสองอินพุตและให้ความแตกต่างที่ขาเอาต์พุต แล้วทำไมเราถึงต้องการตัวต้านทานแฟนซีเหล่านี้เพื่อ?

ใช่ แต่ op-amp เมื่อใช้ในวงเปิด (โดยไม่มีข้อเสนอแนะ) จะมีอัตราขยายที่ไม่สามารถควบคุมได้สูงมากซึ่งแทบจะไม่มีประโยชน์เลย ดังนั้นเราจึงใช้การออกแบบดังกล่าวข้างต้นในการตั้งค่าของกำไรโดยใช้ตัวต้านทานในห่วงลบความคิดเห็นในวงจรของเราเหนือตัวต้านทาน R3 ทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานตอบรับเชิงลบและตัวต้านทาน R2 และ R4 เป็นตัวแบ่งที่มีศักยภาพ สามารถกำหนดค่าของกำไรได้โดยใช้ค่าตัวต้านทานที่เหมาะสม

วิธีการตั้งค่าอัตราขยายของเครื่องขยายเสียงที่แตกต่างกัน?

แรงดันของเครื่องขยายเสียงที่แตกต่างกันที่ปรากฏข้างต้นจะได้รับจากด้านล่างสูตร

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

สูตรข้างต้นได้มาจากฟังก์ชันการถ่ายโอนของวงจรข้างต้นโดยใช้ทฤษฎีบทซ้อนทับ แต่อย่าเพิ่งเข้าใจมากนัก เราสามารถทำให้สมการข้างต้นง่ายขึ้นโดยพิจารณา R1 = R2 และ R3 = R4 ดังนั้นเราจะได้รับ

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

จากสูตรข้างต้นเราสามารถสรุปได้ว่าอัตราส่วนระหว่าง R3 และ R1 จะเท่ากับกำไรของเครื่องขยายเสียง

กำไร = R3 / R1

ตอนนี้เรามาแทนค่าตัวต้านทานสำหรับวงจรด้านบนและตรวจสอบว่าวงจรทำงานตามที่คาดไว้หรือไม่

การจำลองวงจรแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียล

ค่าตัวต้านทานที่ฉันเลือกคือ 10k สำหรับ R1 และ R2 และ 22k สำหรับ R3 และ R4 การจำลองวงจรสำหรับสิ่งเดียวกันแสดงอยู่ด้านล่าง

เพื่อจุดประสงค์ในการจำลองฉันได้ให้ 4V สำหรับ V2 และ 3.6V สำหรับ V1 ตัวต้านทาน 22k และ 10k ตามสูตรจะกำหนดอัตราขยาย 2.2 (22/10) ดังนั้นการลบจะเป็น 0.4V (4-3.6) และจะคูณด้วยค่าที่ได้ 2.2 ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าที่ได้จะเป็น 0.88V ดังที่แสดงในการจำลองด้านบน ลองตรวจสอบสิ่งเดียวกันโดยใช้สูตรที่เราพูดถึงก่อนหน้านี้

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

การทดสอบวงจรแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลบนฮาร์ดแวร์

ตอนนี้มาถึงส่วนที่สนุกแล้วเรามาสร้างวงจรเดียวกันบนเขียงหั่นขนมและตรวจสอบว่าเราสามารถบรรลุผลลัพธ์เดียวกันได้หรือไม่ ฉันใช้LM324 Op-Ampเพื่อสร้างวงจรและใช้โมดูลแหล่งจ่ายไฟ Breadboard ที่เราสร้างไว้ก่อนหน้านี้ โมดูลนี้สามารถให้เอาต์พุต 5V และ 3.3V ได้ดังนั้นฉันจึงใช้รางไฟ 5V เพื่อจ่ายไฟให้กับแอมป์และรางไฟ 3.3V เป็น V1 จากนั้นฉันใช้ RPS ของฉัน (แหล่งจ่ายไฟที่มีการควบคุม) เพื่อจ่าย 3.7V ให้กับขา V2 ความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าคือ 0.4 และเราได้รับ 2.2 ซึ่งควรให้ 0.88V กับเราและนั่นคือสิ่งที่ฉันได้รับ ภาพด้านล่างแสดงการตั้งค่าและมัลติมิเตอร์ที่มีค่า 0.88V อยู่

นี่เป็นการพิสูจน์ว่าความเข้าใจของเราเกี่ยวกับออปแอมป์ที่แตกต่างกันนั้นถูกต้องและตอนนี้เรารู้วิธีการออกแบบด้วยตัวเราเองด้วยค่าเกนที่ต้องการ การทำงานที่สมบูรณ์แบบนอกจากนี้ยังสามารถพบได้ในวิดีโอด้านล่างวงจรเหล่านี้มักใช้ในแอพพลิเคชั่นควบคุมระดับเสียง

แต่เนื่องจากวงจรมีตัวต้านทานที่ด้านแรงดันไฟฟ้าอินพุต (V1 และ V2) จึงไม่ได้ให้อิมพีแดนซ์อินพุตที่สูงมากและยังมีอัตราขยายโหมดทั่วไปสูงซึ่งนำไปสู่อัตราส่วน CMRR ที่ต่ำ เพื่อเอาชนะข้อเสียเหล่านี้มีแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลเวอร์ชันชั่วคราวที่เรียกว่าแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัด แต่ขอทิ้งไว้สำหรับบทช่วยสอนอื่น

หวังว่าคุณจะเข้าใจบทช่วยสอนและสนุกกับการเรียนรู้เกี่ยวกับเครื่องขยายเสียงที่แตกต่างกัน หากคุณมีข้อสงสัยโปรดทิ้งไว้ในส่วนความคิดเห็นหรือใช้ฟอรัมสำหรับคำถามทางเทคนิคเพิ่มเติมและตอบกลับได้เร็วขึ้น