- IC Khuếch đại Dụng cụ là gì?
- Hiểu về Bộ khuếch đại thiết bị đo
- Sự khác biệt giữa Bộ khuếch đại vi sai và Bộ khuếch đại dụng cụ
- Bộ khuếch đại thiết bị đo sử dụng Op-amp (LM358)
- Mô phỏng Bộ khuếch đại dụng cụ
- Kiểm tra Mạch Khuếch đại Dụng cụ trên Phần cứng
Hầu hết tất cả các loại cảm biến và đầu dò đều chuyển đổi các thông số trong thế giới thực như ánh sáng, nhiệt độ, trọng lượng, v.v. thành các giá trị điện áp để hệ thống điện tử của chúng ta hiểu được. Sự thay đổi trong mức điện áp này sẽ giúp chúng ta phân tích / đo lường các thông số trong thế giới thực, nhưng trong một số ứng dụng như cảm biến y sinh, sự thay đổi này là rất nhỏ (tín hiệu mức thấp) và điều rất quan trọng là phải theo dõi ngay cả sự thay đổi theo phút để có được dữ liệu đáng tin cậy. Trong các ứng dụng này, Bộ khuếch đại dụng cụ được sử dụng.
Một bộ khuếch đại Instrumentation hay còn gọi là INO hoặc in-amps như tên gọi cho thấy sẽ khuếch đại sự thay đổi của điện áp và cung cấp một đầu ra khác biệt giống như bất kỳ op-amps nào khác. Nhưng không giống như bộ khuếch đại thông thường, bộ khuếch đại Instrumentation sẽ có trở kháng đầu vào cao với độ lợi tốt trong khi cung cấp khả năng loại bỏ tiếng ồn ở chế độ thông thường với các đầu vào hoàn toàn khác biệt. Không sao cả nếu bạn không hiểu ngay bây giờ, trong bài viết này chúng ta sẽ tìm hiểu về các bộ khuếch đại Instrumentation này và vì những IC này tương đối đắt hơn Op-amps, chúng ta cũng sẽ học cách sử dụng Op-amp bình thường như LM385 hoặc LM324 để xây dựng một Bộ khuếch đại thiết bị đo và sử dụng nó cho các ứng dụng của chúng tôi. Op-amps cũng có thể được sử dụng để xây dựng Bộ cộng điện áp và mạch Dấu trừ điện áp.
IC Khuếch đại Dụng cụ là gì?
Ngoài IC op-amps bình thường, chúng tôi có một số loại bộ khuếch đại đặc biệt cho bộ khuếch đại đo đạc như IC INA114. Nó chỉ là một số op-amps bình thường kết hợp với nhau cho một số ứng dụng cụ thể. Để hiểu thêm về điều này, hãy nhìn vào biểu dữ liệu của INA114 để biết sơ đồ mạch bên trong của nó.
Như bạn có thể thấy IC sử dụng hai điện áp tín hiệu V IN - và V IN +, từ bây giờ chúng ta hãy coi chúng là V1 và V2 để dễ hiểu. Điện áp đầu ra (V O) có thể được tính bằng công thức
V O = G (V2 - V1)
Trong đó, G là độ lợi của op-amp và có thể được đặt bằng cách sử dụng điện trở bên ngoài R G và được tính bằng công thức dưới đây
G = 1+ (50k Ω / RG)
Lưu ý: Giá trị 50k ohm chỉ áp dụng cho IC INA114 vì nó sử dụng điện trở 25k (25 + 25 = 50). Bạn có thể tính toán giá trị cho các mạch khác tương ứng.
Vì vậy, về cơ bản bây giờ nếu bạn nhìn vào nó, một In-amp chỉ cung cấp sự khác biệt giữa hai nguồn điện áp với độ lợi có thể được thiết lập bởi một điện trở bên ngoài. Điều này nghe có vẻ quen thuộc? Nếu không, hãy xem thiết kế Bộ khuếch đại vi sai và quay lại.
Vâng !, đây chính xác là những gì một bộ khuếch đại Vi sai làm và nếu bạn xem xét kỹ hơn, bạn thậm chí có thể thấy rằng op-amp A3 trong hình ảnh trên không là gì ngoài một mạch khuếch đại Vi sai. Vì vậy, theo thuật ngữ của người dân, Instrumentation-amp vẫn là một loại bộ khuếch đại vi sai khác nhưng có nhiều ưu điểm hơn như trở kháng đầu vào cao và kiểm soát độ lợi dễ dàng, v.v. Những ưu điểm này là do hai op-amp khác (A2 và A1) trong thiết kế, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về nó trong tiêu đề tiếp theo.
Hiểu về Bộ khuếch đại thiết bị đo
Để hiểu hoàn toàn về bộ khuếch đại Instrumentation, chúng ta hãy chia nhỏ hình ảnh trên thành các khối có ý nghĩa như hình dưới đây.
Như bạn có thể thấy , In-Amp chỉ là sự kết hợp của hai mạch op-amp đệm và một mạch op-amp vi sai. Chúng ta đã tìm hiểu về cả hai thiết kế op-amp này riêng lẻ, bây giờ chúng ta sẽ xem chúng được kết hợp như thế nào để tạo thành một Op-amp khác biệt.
Sự khác biệt giữa Bộ khuếch đại vi sai và Bộ khuếch đại dụng cụ
Chúng ta đã học cách thiết kế và sử dụng bộ khuếch đại vi sai trong bài viết trước của chúng tôi. Một số nhược điểm đáng kể của bộ khuếch đại vi sai là nó có trở kháng đầu vào rất thấp do các điện trở đầu vào và có CMRR rất thấp vì độ lợi chế độ chung cao. Những điều này sẽ được khắc phục trong bộ khuếch đại Instrumentation vì có mạch đệm.
Ngoài ra trong bộ khuếch đại vi sai chúng ta cần thay đổi rất nhiều điện trở để thay đổi giá trị khuếch đại của bộ khuếch đại nhưng trong bộ khuếch đại vi sai chúng ta có thể điều khiển độ lợi chỉ bằng cách điều chỉnh một giá trị điện trở.
Bộ khuếch đại thiết bị đo sử dụng Op-amp (LM358)
Bây giờ chúng ta hãy xây dựng một bộ khuếch đại Instrumentation thực tế bằng cách sử dụng op-amp và kiểm tra xem nó đang hoạt động như thế nào. Các op-amp mạch thiết bị đo đạc khuếch đại mà tôi đang sử dụng được đưa ra dưới đây.
Mạch yêu cầu ba op-amps cùng nhau; Tôi đã sử dụng hai IC LM358. LM358 là một op-amp gói kép vì nó có hai op-amp trong một gói, vì vậy chúng tôi cần hai trong số chúng cho mạch của mình. Tương tự, bạn cũng có thể sử dụng ba op-amp LM741 gói đơn hoặc một op-amp LM324 gói bốn.
Trong mạch trên, op-amp U1: A và U1: B hoạt động như một bộ đệm điện áp, điều này giúp đạt được trở kháng đầu vào cao. Op-amp U2: A hoạt động như một op-amp vi sai. Vì tất cả các điện trở của op-amp vi sai là 10k nên nó hoạt động như một bộ khuếch đại vi sai độ lợi thống nhất có nghĩa là điện áp đầu ra sẽ là sự khác biệt của điện áp giữa chân 3 và chân 2 của U2: A.
Các điện áp đầu ra của mạch khuếch đại Instrumentation thể được tính toán bằng cách sử dụng dưới đây công thức.
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))
Trong đó, R = Giá trị điện trở của mạch. Ở đây R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 là 10k
Rg = Điện trở tăng. Ở đây Rg = R1 mà là 22k.
Vì vậy giá trị của R và Rg quyết định độ lợi của bộ khuếch đại. Giá trị thu được có thể được tính bằng
Tăng = (1+ (2R / Rg))
Mô phỏng Bộ khuếch đại dụng cụ
Đoạn mạch trên khi mô phỏng cho kết quả như sau.
Như bạn có thể thấy điện áp đầu vào V1 là 2,8V và V2 là 3,3V. Giá trị của R là 10k và giá trị của Rg là 22k. Đặt tất cả các giá trị này trong các công thức trên
Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3.3-2.8) (1+ (2x10 / 22)) = (0.5) * (1.9) = 0.95V
Chúng tôi nhận được giá trị của điện áp đầu ra là 0,95V phù hợp với mô phỏng ở trên. Vậy hệ số khuếch đại của đoạn mạch trên là 1,9 và hiệu điện thế là 0,5V. Vì vậy, mạch này về cơ bản sẽ đo sự khác biệt giữa các điện áp đầu vào và nhân nó với độ lợi và tạo ra nó dưới dạng điện áp đầu ra.
Bạn cũng có thể nhận thấy rằng điện áp đầu vào V1 và V2 xuất hiện trên điện trở Rg, điều này là do phản hồi âm của Op-amp U1: A và U1: B. Điều này đảm bảo rằng điện áp rơi trên Rg bằng hiệu điện thế giữa V1 và V2 làm cho lượng dòng điện chạy qua các điện trở R5 và R6 bằng nhau làm cho điện áp trên chân 3 và chân 2 bằng nhau trên op-amp U2: A. Nếu bạn đo điện áp trước điện trở, bạn có thể thấy điện áp đầu ra thực tế từ op-amp U1: A và U1: B có sự khác biệt sẽ bằng điện áp đầu ra như được hiển thị ở trên trong mô phỏng.
Kiểm tra Mạch Khuếch đại Dụng cụ trên Phần cứng
Lý thuyết đủ cho phép thực sự xây dựng cùng một mạch trên bảng mạch và đo các mức điện áp. Thiết lập kết nối của tôi được hiển thị bên dưới.
Tôi đã sử dụng bộ nguồn breadboard mà chúng tôi đã xây dựng trước đó. Bo mạch này có thể cung cấp cả 5V và 3.3V. Tôi đang sử dụng đường sắt 5V để cấp nguồn cho cả op-amps và 3.3V làm điện áp đầu vào tín hiệu V2. Điện áp đầu vào khác V2 được đặt thành 2,8V bằng cách sử dụng RPS của tôi. Vì tôi cũng đã sử dụng điện trở 10k cho R và điện trở 22k cho R1, mức tăng của mạch sẽ là 1,9. Điện áp chênh lệch là 0,5V và độ lợi là 1,9 tích số này sẽ cho chúng ta 0,95V là điện áp đầu ra được đo và hiển thị trong hình ảnh bằng đồng hồ vạn năng. Hoạt động hoàn chỉnh của mạch khuếch đại thiết bị đo được hiển thị trong video được liên kết bên dưới.
Tương tự, bạn có thể thay đổi giá trị của R1 để đặt mức tăng theo yêu cầu bằng cách sử dụng các công thức đã thảo luận ở trên. Vì độ lợi của bộ khuếch đại này có thể được điều khiển rất dễ dàng bằng cách sử dụng một điện trở duy nhất nên nó thường được sử dụng trong điều khiển âm lượng cho các mạch âm thanh.
Hy vọng bạn đã hiểu mạch và thích học một cái gì đó hữu ích. Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào, hãy để lại chúng trong phần bình luận bên dưới hoặc sử dụng diễn đàn để được phản hồi nhanh hơn.