מגבר דיפרנציאלי או מעגל חיסור מתח

מגברים אופ-פותחו במקור לחישובים מתמטיים אנלוגיים, מכיוון שהיום הם הוכיחו שהם שימושיים ביישומי עיצוב רבים. כפי שאמרו בצדק הפרופסורים שלי, מגברי אופ הם מחשבוני מתח אריתמטיים, הם יכולים לבצע תוספת של שני ערכי מתח נתונים באמצעות מעגל מגבר Summing והבדל בין שני ערכי מתח באמצעות מגבר דיפרנציאלי. מלבד זאת, מגבר ה- Op-Amp משמש בדרך כלל כמגברים היפוך וכמגברים לא-הפוכים.

כבר למדנו כיצד אנו יכולים להשתמש במגבר אופ כמגבר מתח או מגבר לריכוז, ולכן במדריך זה נלמד כיצד להשתמש במגבר מגבר כמגבר דיפרנציאלי כדי למצוא את הפרש המתח בין שני ערכי מתח. זה נקרא גם מחליף המתח. ננסה גם את מעגל חיסור המתח על גבי לוח לחם ונבדוק אם המעגל פועל כצפוי.

יסודות אופ-מגבר

לפני שנצלול למגברי האופ-דיפרנציאל, בואו נעבור במהירות על יסודות ה- Op-Amp. Op-Amp הוא מכשיר חמש מסופי (חבילה אחת) עם שני מסופים (Vs +, Vs-) להפעלת המכשיר. מבין שלושת המסופים הנותרים שניים (V +, V-) משמשים לאותות הנקראים מסוף היפוך ולא הפוך והנותר (Vout) הוא מסוף הפלט. הסמל הבסיסי של מגבר אופ-מוצג להלן.

העבודה של מגבר Op היא מאוד פשוטה, היא לוקחת את המתח השונה משני פינים (V +, V-), מגבירה אותו בערך רווח ונותנת אותו כמתח היציאה (Vout). הרווח של מגבר Op יכול להיות גבוה מאוד והופך אותו למתאים ליישומי שמע. זכרו תמיד שמתח הכניסה של מגבר ה- Op-Amp צריך להיות נמוך ממתח ההפעלה שלו. למידע נוסף על מגבר אופ, בדוק את יישומו במעגלים מבוססי מגבר שונים.

עבור מגבר אופטימלי אידיאלי עכבת הקלט תהיה גבוהה מאוד, כלומר שום זרם לא יזרום במגבר Op או דרך סיכות הכניסה (V +, V-). כדי להבין את פעולתו של המגבר-על אנו יכולים לסווג באופן כללי את מעגלי המגבר-על כמעגל פתוח ולולאה סגורה.

מעגל אופ-אמפר לולאה פתוחה (משווים)

במעגל מגבר אופטי עם לולאה פתוחה, פין הפלט (Vout) אינו מחובר לאף אחד מסיכות הקלט, כלומר לא ניתן משוב. בתנאים כאלה של לולאה פתוחה המגבר עובד כמשווה. השוואה של מגבר אופטי פשוט מוצגת להלן. שימו לב שסיכת ה- Vout אינה מחוברת לסיכות קלט V1 או V2.

במצב זה, אם המתח המסופק ל- V1 גדול מ- V2, יציאת ה- Vout תפעל גבוה. כמו כן אם המתחים המסופקים ל- V2 גדולים מ- V1, יציאת ה- Vout תפחת נמוכה.

מעגל לולאה סגורה של מגבר (מגברים)

במעגל מגבר אופטי במעגל סגור סיכת הפלט של המגבר מחובר עם אחד מסיכת הקלט כדי לספק משוב. משוב זה נקרא כחיבור לולאה סגורה. במהלך לולאה סגורה מגבר Op פועל כמגבר, ובמצב זה מגבר אופ מוצא יישומים שימושיים רבים כמו מאגר, מתח מתח, מגבר הפוך, מגבר לא הפוך, מגבר סיכום, מגבר דיפרנציאלי, מחסור מתח וכו 'אם סיכת ה- Vout מחוברת למסוף ההיפוך ואז היא נקראת כמעגל משוב שלילי (מוצג להלן) ואם הוא מחובר למסוף הלא-היפוך הוא נקרא כמעגל משוב חיובי.

מגבר דיפרנציאלי או מחסור מתח

עכשיו בואו ניכנס לנושא שלנו, מגבר דיפרנציאלי. מגבר דיפרנציאלי בעצם לוקח שני ערכי מתח, מוצא את ההבדל בין שני הערכים הללו ומגביר אותו. ניתן להשיג את המתח המתקבל מפין המוצא. מעגל מגבר דיפרנציאלי בסיסי מוצג להלן.

אבל רגע!, האם זה לא מה שמגבר Op-Am עושה כברירת מחדל גם כשאין לו משוב, הוא לוקח שתי כניסות ומספק את ההבדלים ביניהם על סיכת הפלט. אז למה אנחנו צריכים את כל הנגדים המהודרים האלה?

ובכן כן, אך מגבר-על כאשר משתמשים בו בלולאה פתוחה (ללא משוב) יהיה בעל רווח בלתי מבוקר גבוה מאוד אשר כמעט אינו שימושי. לכן אנו משתמשים בתכנון שלעיל כדי לקבוע את ערך הרווח באמצעות נגדים בלולאת משוב שלילית. במעגל שלנו מעל הנגד R3 משמש כנגד משוב שלילי והנגדים R2 ו- R4 מהווים מחלק פוטנציאלי. ניתן לקבוע את ערך הרווח באמצעות הערך הנכון של הנגדים.

כיצד לקבוע את הרווח של מגבר דיפרנציאלי?

מתח המוצא של מגבר ההפרש המוצג לעיל יכול להינתן על ידי הנוסחה שלהלן

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

הנוסחה הנ"ל התקבלה מפונקציית ההעברה של המעגל הנ"ל באמצעות משפט סופרפוזיציה. אבל בואו לא נכנס הרבה לזה. אנו יכולים לפשט עוד יותר את המשוואה הנ"ל על ידי בחינת R1 = R2 ו- R3 = R4. אז נקבל

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

מהנוסחה שלעיל אנו יכולים להסיק שהיחס בין R3 ל- R1 יהיה שווה לרווח של המגבר.

רווח = R3 / R1

עכשיו, בואו נחליף את ערכי הנגדים למעגל שלעיל ונבדוק אם המעגל עובד כצפוי.

סימולציה של מעגל מגברים דיפרנציאלי

ערך הנגד שבחרתי הוא 10k עבור R1 ו- R2 ו- 22k עבור R3 ו- R4. הדמיית המעגל עבור אותו מוצגת להלן.

לצורך סימולציה סיפקתי 4 וולט עבור V2 ו -3.6 וולט עבור V1. הנגד 22k ו- 10k לפי הנוסחאות יקבעו רווח של 2.2 (22/10). לכן החיסור יהיה 0.4 וולט (4-3.6) והוא יוכפל עם ערך הרווח 2.2 כך שהמתח המתקבל יהיה 0.88 וולט כפי שמוצג בסימולציה לעיל. בואו נאמת את אותו הדבר באמצעות הנוסחה עליה דנו קודם.

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

בדיקת מעגל המגבר הדיפרנציאלי בחומרה

עכשיו לחלק המהנה, בואו ונבנה את אותו מעגל על ​​לוח הלחם ונבדוק אם אנחנו מצליחים להשיג את אותן התוצאות. אני משתמש ב- LM324 Op-Amp לבניית המעגל ומשתמש במודול אספקת החשמל Breadboard שבנינו קודם. מודול זה יכול לספק פלט של 5 וולט ו -3.3 וולט, ולכן אני משתמש במעקה החשמל 5 וולט כדי להניע את מגבר ה- OP שלי ואת מסילת ההספק של 3.3 וולט כ- V1. ואז השתמשתי ב- RPS שלי (ספק כוח מוסדר) כדי לספק 3.7V לסיכה V2. ההבדל בין המתחים הוא 0.4 ויש לנו רווח של 2.2 שאמור לתת לנו 0.88V וזה בדיוק מה שקיבלתי. התמונה למטה מציגה את ההתקנה ואת המולטימטר עם הקריאה 0.88V עליו.

זה מוכיח שהבנתנו את המגבר הדיפרנציאלי נכון ונכון לעכשיו אנו יודעים לעצב לבד עם ערך הרווח הנדרש. את העבודה המלאה ניתן למצוא גם בסרטון המופיע להלן. מעגלים אלה משמשים לעתים קרובות יותר ביישומי בקרת עוצמת קול.

אך מכיוון שבמעגל יש נגדים בצד מתח הכניסה (V1 ו- V2) הוא אינו מספק עכבת כניסה גבוהה מאוד ויש לו גם רווח מצב משותף גבוה המוביל ליחס CMRR נמוך. כדי להתגבר על חסרונות אלו קיימת גרסה מאולתרת של מגבר דיפרנציאלי הנקרא מגבר המכשור, אך בוא נעזוב זאת להדרכה אחרת.

מקווה שהבנתם את ההדרכה ונהניתם ללמוד על מגברים דיפרנציאליים. אם יש לך שאלות, השאיר אותן בסעיף ההערות או השתמש בפורומים לשאלות טכניות נוספות ותגובה מהירה יותר.