Użycie Optoizolatora do zmiany wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego


11

Rozważmy ten obwód, który jest standardowym nieodwracającym wzmacniaczem o wzmocnieniu wynoszącym A = 1+R1/R2.

Standardowy wzmacniacz nieodwracający z A = 1 + R1 / R2

Chcę teraz móc dynamicznie zmieniać tę wartość wzmocnienia za pomocą pinu mikrokontrolera. Wymyśliłem to rozwiązanie, które zasadniczo modyfikuje wartość rezystora sprzężenia zwrotnego, wkładając równolegle inny rezystor:

Wzmacniacz nieodwracający z wymiennym wzmacniaczem

Myślę , że nowe wzmocnienie (z włączonym optoizolatorem) jest

A = 1 + (R1||R3)/R2
  = 1 + (R1 R3)/(R2(R1+R3))

Czy to rozwiązanie rzeczywiście działałoby tak, jak zamierzałem? Szczególnie martwię się, że napięcie nasycenia fototranzystora może w jakiś sposób wpłynąć na wzmacniacz operacyjny. Jeśli tak, czy istnieje alternatywne rozwiązanie tego problemu?


1
Ciekawe pytanie i sama jestem ciekawa odpowiedzi. Ale najwięcej nauczysz się, budując obwód i testując wynik, a następnie dyskutujesz wyniki w pytaniu, jeśli ich nie rozumiesz lub chcesz poprawić odpowiedź.
jippie

2
Czy jest jakiś konkretny powód, dla którego musisz odizolować MCU od opampa? Pytam, ponieważ moją normalną odpowiedzią byłoby użycie cyfrowego garnka lub przełącznika cyfrowego i niektórych oporników, aby osiągnąć ten sam rezultat.
markt

Spójrz na ten arkusz danych , jest w nim kilka interesujących aplikacji. Opiera się na transoptorze FET, a jego właściwości są bardziej przyjazne dla prądu zmiennego niż typ bipolarny. Czy naprawdę potrzebujesz izolacji BTW, mogą być też inne opcje.
jippie

@markt: µC znajduje się na innej płytce, a płytka z wzmacniaczem operacyjnym ma jedynie zasilanie 24 V. Chcę też, aby obwód był jak najprostszy, więc najlepiej byłoby unikać dodatkowych przewodów do zasilania itp. Ale i tak dziękuję za sugestię, może ugryzę pocisk i skorzystam z twojego rozwiązania;)
Geier

@jippie: Zobacz moją odpowiedź na komentarz Markta. Izolacja byłaby miła, ale zdecydowanie jestem ciekawa innego rozwiązania. Dodałbym więc izolację w innym miejscu.
Geier

Odpowiedzi:


7

Założenie : Istnieje pewna potrzeba izolacji optycznej między kontrolą wzmocnienia (wyjście uC) a modułem wzmacniającym.

Oto uproszczenie podejścia w pytaniu, które usuwa wszelkie tranzystory / tranzystory polowe ze ścieżki sprzężenia zwrotnego i zapewnia analogowy (ciągły) zakres wzmocnień, zachowując jednocześnie optoizolację - użyj transoptora LDR stosowanego w niektórych klasycznych i DIY wzmacniacze audio :

LDR opto

Aby uzyskać jednorazową lub samodzielną alternatywę, użyj taniego i wszechobecnego rezystora zależnego od światła CdS, w połączeniu ze zwykłą diodą LED:

LDR

Schemat jest zatem:

schematyczny

symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab

Rezystancja kontrolująca wzmocnienie jest równoległą kombinacją R1 i (R2 + R_LDR).

Zmieniając cykl pracy sygnału PWM lub napięcie styku wyjściowego przetwornika cyfrowo-analogowego mikrokontrolera, natężenie światła diody LED jest zmieniane. Wraz ze wzrostem rezystancji diody LED spada, od bardzo wysokiej wartości (tj. Niewielkiego wpływu na obliczanie wzmocnienia), gdy dioda LED jest wyłączona, do niskiej wartości, gdy dioda LED jest w prawie 100% cyklu pracy.

Uwaga : W przypadku korzystania z PWM częstotliwość PWM musi być znacznie wyższa niż pasmo częstotliwości będące przedmiotem zainteresowania sygnału. W przeciwnym razie PWM połączy się ze ścieżką sygnału, jak wskazał @ pjc50.


Czy częstotliwość PWM nie łączy się z wyjściem?
pjc50,

Nie miałoby to znaczenia, chyba że częstotliwość PWM mieści się w zakresie częstotliwości audio. LDR mają bardzo powolną odpowiedź, typowy jest czas narastania od 5 do 10 nS, więc działałyby jak filtry dolnoprzepustowe.
Anindo Ghosh

@ pjc50 Właściwie, poprawię to: OP nie określił, w jakim zakresie częstotliwości znajduje się sygnał do wzmocnienia. Tak więc, jeśli częstotliwość PWM mieści się w pożądanym paśmie lub jest w pobliżu tego pasma, a jednak nie jest wystarczająco wysoka dla odpowiedzi dolnoprzepustowej LDR aby uruchomić, nastąpiłoby sprzężenie PWM ze ścieżką sygnału.
Anindo Ghosh

5

Wszystkie podane odpowiedzi są mniej lub bardziej wykonalne, ale mają pewne wady:

  1. Wszystkie odpowiedzi oprócz Anindo Ghosha będą działać tylko przy dość niskich napięciach lub będą miały mały zakres regulacji (dobre lub bardzo wysokie zniekształcenia nieliniowe).

  2. Rozwiązanie z fotorezystorem będzie działać, ale transoptory rezystorowe są jakimś egzotycznym elementem.

  3. Dokładne wzmocnienie jest prawie niemożliwe, a zysk ten będzie się różnić w zależności od temperatury.

Takie schematy są odpowiednie tylko dla schematów AGC, w których drugie sprzężenie zwrotne reguluje wzmocnienie do wymaganych wartości.

Jeśli konieczne jest ustawienie dokładnego i niezawodnego wzmocnienia, jedyną działającą metodą jest użycie tranzystorów MOSFET kontrolowanych w trybie przełączania (ON / OFF) i normalnych rezystorów:

schematyczny

symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab


zamiast dyskretnego MOSFET-a można użyć przełącznika Quad analogowy CMOS IC CD4066
jogging

1
@yogece Tak, ale nie jest to naprawdę konieczne, ponieważ przełączniki mają jeden koniec uziemiony. IMO, można użyć pakietu kilku tranzystorów MOSFET o niskiej mocy.
johnfound

Nie ma za co.
markt

2

Dlaczego nie użyjesz kontroli wzmocnienia z magistrali SPI z MCU: -

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Istnieją inne układy kontroli wzmocnienia, które mogą być aktywowane przez linie sprzętowe, jeśli nie lubisz SPI. Używałem tego urządzenia szeroko i mogę ręczyć za jego użyteczność i dokładność.

Rzeczy SPI nie muszą być szybkie i mogą być izolowane, jeśli naprawdę tego potrzebujesz. Korzystałem z mierników SPI 2MHz 10 mz przyzwoitymi sterownikami, ale jazda z dość małą prędkością nie będzie problemem.


1

schematyczny

symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab

Zakładając, że masa sygnału wzmacniacza operacyjnego i masa MCU są identyczne, to podejście zadziałałoby. Jeśli nie, użyj transoptora do sterowania MOSFET. Możesz również dodać wiele równoległych tranzystorów MOSFET (z osobnymi liniami kontrolnymi), aby uzyskać wiele opcji wzmocnienia.


Zamieniłeś wejścia wzmacniacza operacyjnego;). Ale poza tym to ciekawe podejście. Czy to musi być MOSFET, czy też bipolarny też zadziała?
Geier

lol nawet nie pomyślał o wejściach ;-) MOSFET byłby lepszy, ponieważ zaprezentuje się w obwodzie (gdy jest aktywny) jako niewielki opór do uziemienia. Podejrzewam, że BJT wyglądałby jak ujście prądu, tj. Aktywnie napędzałby ścieżkę sprzężenia zwrotnego opampa i zakłócałby działanie opampa. Warto spróbować na desce.
markt

@ pjc50: Z mojego punktu widzenia to rozwiązanie nie zależy od tego, czy wejście FET jest PWM. I tak nie chcę używać PWM.
Geier

Ups, ten komentarz był złą odpowiedzią!
pjc50,

0

Powiedziałbym, że lepszym pomysłem byłoby użycie optoizolatora do sterowania przełącznikiem CMOS i użycie go do włączenia rezystora. Umieszczenie fototranzystora w takiej pętli może mieć dziwne wyniki.


0

Odpowiadam na moje własne pytanie, ponieważ skorzystałem z rady jippie. Zbudowałem obwód na płytce i wykonałem pomiary.

  • Zasilacz: 5 V (7805)
  • Wzmacniacz operacyjny: LM324
  • Optoizolator: SFH610A-3
  • R1: 21,7 tys
  • R2: 9,83 k
  • R3: 21,8 tys
  • Włączony optoizolator z prądem 7,7 mA

Przy tych wartościach rezystorów oczekiwane wzmocnienie wynosi 2,11.

Oto wyniki pomiaru:

Vin     Vout measured   Vout Expected   Difference in %
0       0               0   
0.077   0.164           0.162           1.2
0.1     0.213           0.211           0.9
0.147   0.314           0.31            1.3
0.154   0.329           0.324           1.5
0.314   0.668           0.661           1.1
0.49    1.04            1.032           0.8
0.669   1.422           1.409           0.9
0.812   1.726           1.71            0.9
1       2.12            2.106           0.7
1.23    2.61            2.591           0.7
1.52    3.24            3.202           1.2
1.84    3.75            3.876           -3.3     |
2.1     3.75            4.423           -15.2    | (reached max output voltage)
2.54    3.75            5.35            -29.9    v

Pomiary

Dodatkowo zmierzyłem napięcie na R3 i opto-tranzystorze, co pozwoliło mi obliczyć wartość rezystora dla tranzystora. Zmieniło się to od 400 do 800 Ohm, najprawdopodobniej z powodu mojego multimetru mającego problemy z pomiarem małych napięć. Kompensacja oczekiwanego wzmocnienia przez dodanie 600 Ω do R3, zmniejsza różnicę do 0,6% maks.

Więc moja odpowiedź brzmi: tak, zadziała tak, jak się spodziewałem, prawdopodobnie głównie z powodu tak niskich prądów, że tranzystor jest używany w obszarze liniowym. Nie spodziewałbym się takich samych rezultatów, gdyby zastosowane oporniki miały znacznie mniejszy opór.

Mimo to zmieniłem obwód, aby zastosować metodę sugerowaną przez markta i johnfounda. Wydaje się bardziej poprawny.

Korzystając z naszej strony potwierdzasz, że przeczytałeś(-aś) i rozumiesz nasze zasady używania plików cookie i zasady ochrony prywatności.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.