Bộ khuếch đại khuếch đại có thể lập trình sử dụng mosfet và bóng bán dẫn

Trong ngành đo lường, một khối chức năng rất quan trọng là Bộ khuếch đại độ lợi lập trình (PGA). Nếu bạn là một người đam mê điện tử hoặc một sinh viên đại học, bạn có thể đã thấy một chiếc đồng hồ vạn năng hoặc máy hiện sóng đo điện áp rất nhỏ rất quý giá vì mạch có PGA tích hợp cùng với một ADC mạnh mẽ giúp quá trình đo chính xác.

Ngày nay, bộ khuếch đại PGA có sẵn bộ khuếch đại dựa trên op-amp, không đảo ngược với hệ số khuếch đại do người dùng lập trình. Loại thiết bị này có trở kháng đầu vào rất cao, băng thông rộng và tham chiếu điện áp đầu vào có thể lựa chọn được tích hợp trong vi mạch. Nhưng tất cả những tính năng này đều đi kèm với một cái giá phải trả, và đối với tôi, không đáng để bỏ ra một con chip đắt như vậy cho một ứng dụng chung chung.

Vì vậy, để khắc phục những tình huống này, tôi đã đưa ra một sự sắp xếp bao gồm Op-amp, MOSFET và Arduino, qua đó tôi có thể thay đổi độ lợi của op-amp theo lập trình. Vì vậy, trong hướng dẫn này, tôi sẽ chỉ cho bạn cách xây dựng Bộ khuếch đại độ lợi lập trình của riêng bạn với op-amp LM358 và MOSFETS, đồng thời tôi sẽ thảo luận một số ưu và nhược điểm của mạch cùng với thử nghiệm.

Khái niệm cơ bản về Op-Amp

Để hiểu hoạt động của mạch này, điều rất quan trọng là phải biết cách hoạt động của bộ khuếch đại hoạt động. Tìm hiểu thêm về Op-amp bằng cách làm theo mạch kiểm tra op-amp này.

Trong hình trên, bạn có thể thấy một bộ khuếch đại hoạt động. Công việc cơ bản của bộ khuếch đại là khuếch đại tín hiệu đầu vào, cùng với khuếch đại, op-amp cũng có thể thực hiện các hoạt động khác nhau như tổng, phân biệt, tích hợp, v.v. Tìm hiểu thêm về bộ khuếch đại tổng hợp và bộ khuếch đại vi sai tại đây.

Op-amp chỉ có ba thiết bị đầu cuối. Đầu cuối có dấu (+) được gọi là đầu vào không đảo và đầu cuối có dấu (-) được gọi là đầu vào đảo. Bên cạnh hai thiết bị đầu cuối này, thiết bị đầu cuối thứ ba là thiết bị đầu cuối đầu ra.

Một op-amp chỉ tuân theo hai quy tắc

Không có dòng điện nào chạy vào hoặc ra khỏi đầu vào op-amp.
Op-amp cố gắng giữ các đầu vào ở cùng mức điện áp.

Vì vậy, với hai quy tắc đã được làm rõ, chúng ta có thể phân tích các mạch dưới đây. Ngoài ra, hãy tìm hiểu thêm về Op-amp bằng cách xem qua các mạch dựa trên Op-amp khác nhau.

Bộ khuếch đại tăng ích có thể lập trình hoạt động

Hình trên cung cấp cho bạn một ý tưởng cơ bản về cách sắp xếp mạch của Bộ khuếch đại PGA thô sơ của tôi. Trong mạch này, op-amp được cấu hình như một bộ khuếch đại không đảo, và như chúng ta đã biết với cách sắp xếp mạch không đảo, chúng ta có thể thay đổi mức tăng của op-amp bằng cách thay đổi điện trở phản hồi hoặc điện trở đầu vào, như bạn có thể thấy từ sự sắp xếp mạch ở trên, tôi chỉ cần chuyển đổi MOSFETs từng cái một để thay đổi độ lợi của op-amp.

Trong phần kiểm tra, tôi thực hiện chỉ là tôi chuyển đổi từng MOSFET và so sánh giá trị đo được với giá trị thực tế, bạn có thể quan sát kết quả trong phần "kiểm tra mạch" bên dưới.

Thành phần bắt buộc

Arduino Nano - 1
IC LM358 - 1
Bộ điều chỉnh LM7805 - 1
BC548 Bóng bán dẫn NPN chung - 2
BS170 MOSFET kênh N chung - 2
Điện trở 200K - 1
Điện trở 50K - 2
Điện trở 24K - 2
Điện trở 6,8K - 1
Điện trở 1K - 4
Điện trở 4,7K - 1
220R, 1% điện trở - 1
Công tắc xúc giác Chung - 1
LED hổ phách 3mm - 2
Bread Board Generic - 1
Jumper Wires Chung - 10
Nguồn cung cấp ± 12V - 1

Sơ đồ

Để trình diễn Bộ khuếch đại độ lợi có thể lập trình, mạch được xây dựng trên một bảng mạch không hàn với sự trợ giúp của sơ đồ; Để giảm điện cảm ký sinh bên trong và điện dung của breadboard, tất cả các thành phần đã được đặt càng gần càng tốt.

Và nếu bạn đang thắc mắc tại sao lại có một cụm dây trong breadboard của tôi? hãy để tôi nói với bạn rằng đó là để tạo kết nối đất tốt vì kết nối đất bên trong trong một bảng mạch rất kém.

Ở đây op-amp trong mạch được cấu hình như một bộ khuếch đại không đảo và điện áp đầu vào từ bộ điều chỉnh điện áp 7805 là 4,99V.

Giá trị đo được cho điện trở R6 là 6,75K và R7 là 220,8R hai điện trở này tạo thành một bộ chia điện áp được sử dụng để tạo ra điện áp thử nghiệm đầu vào cho op-amp. Các Điện trở R8 và R9 được sử dụng để hạn chế các cơ sở đầu vào hiện tại của transistor T3 và T4. Các điện trở R10 và R11 được sử dụng để hạn chế tốc độ chuyển mạch của MOSFETs T1 & T2, nếu không, nó có thể gây ra dao động trong mạch.

Trong blog này, tôi muốn cho bạn thấy lý do sử dụng MOSFET hơn là BJT, do đó là cách sắp xếp mạch.

Mã Arduino cho PGA

Ở đây Arduino Nano được sử dụng để điều khiển đế của bóng bán dẫn và cổng của MOSFET, đồng thời một đồng hồ vạn năng được sử dụng để hiển thị các mức điện áp vì ADC tích hợp của Arduino hoạt động rất kém, khi đo mức thấp các mức điện áp.

Mã Arduino hoàn chỉnh cho dự án này được đưa ra bên dưới. Vì đây là một mã Arduino rất đơn giản nên chúng tôi không cần bao gồm bất kỳ thư viện nào. Nhưng chúng ta cần xác định một số hằng số và các chân đầu vào như được hiển thị trong mã.

Các khoảng trống setup () là các khối chức năng chính mà đọc và viết hoạt động cho tất cả các đầu vào và đầu ra được thực hiện theo yêu cầu.

#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_sự_ngay int debounce_counter = 0; void setup () {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); } void loop () {bool val = digitalRead (BUTTON_PIN); // đọc giá trị đầu vào if (val == LOW) {debounce_counter ++; if (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, THẤP);digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, THẤP); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, THẤP); digitalWrite (LED_PIN1, LOW); digitalWrite (LED_PIN2, THẤP); } if (button_is_pressed == 2) {digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, THẤP); digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, THẤP); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, THẤP); digitalWrite (LED_PIN1, LOW); digitalWrite (LED_PIN2, CAO); } if (button_is_pressed == 3) {digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, HIGH); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, THẤP); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, THẤP); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, THẤP); digitalWrite (LED_PIN1, CAO); digitalWrite (LED_PIN2, CAO); } if (button_is_pressed == 1) {digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, THẤP); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, THẤP); digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, THẤP); digitalWrite (LED_PIN1, CAO);digitalWrite (LED_PIN2, LOW); } if (button_is_pressed> = 4) {button_is_pressed = 0; }}}

Tính toán cho Bộ khuếch đại độ lợi có thể lập trình

Các giá trị đo được cho mạch khuếch đại PGA được hiển thị bên dưới.

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

Ghi chú! Các giá trị đo được của điện trở được hiển thị bởi vì với các giá trị đo điện trở chúng ta có thể so sánh chặt chẽ giữa giá trị lý thuyết và giá trị thực tế.

Bây giờ phép tính từ máy tính chia điện áp được hiển thị bên dưới,

Đầu ra của bộ chia điện áp là 0,1564V

Tính độ lợi của bộ khuếch đại không đảo cho 4 điện trở

Vout khi R1 là điện trở được chọn

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

Vout khi R2 là điện trở được chọn

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

Vout khi R3 là điện trở được chọn

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

Vout khi R4 là điện trở được chọn

Vout = (1+ (199,5 / 50,45)) * 0,1564 = 0,77486V

Tôi đã làm tất cả những điều đó để so sánh các giá trị lý thuyết và thực tế càng gần càng tốt.

Với tất cả các tính toán được thực hiện, chúng ta có thể chuyển sang phần thử nghiệm.

Kiểm tra mạch khuếch đại khuếch đại có thể lập trình

Hình ảnh trên cho bạn thấy điện áp đầu ra khi MOSFET T1 bật, do đó có dòng điện chạy qua Điện trở R1.

Hình trên cho bạn thấy điện áp đầu ra khi Transistor T4 được bật, do đó có dòng điện chạy qua Điện trở R4.

Hình ảnh trên cho bạn thấy điện áp đầu ra khi MOSFET T2 bật, do đó có dòng điện chạy qua Điện trở R2.

Hình trên cho bạn thấy điện áp đầu ra khi Transistor T3 được bật, do đó có dòng điện chạy qua Điện trở R3.

Như bạn có thể thấy từ giản đồ rằng T1, T2 là MOSFET và T3, T4 là bóng bán dẫn. Vì vậy, khi MOSFET được sử dụng, lỗi nằm trong phạm vi 1 đến 5 mV nhưng khi các bóng bán dẫn được sử dụng làm công tắc, chúng tôi gặp lỗi trong phạm vi 10 đến 50 mV.

Với các kết quả trên, rõ ràng MOSFET là giải pháp tối ưu cho loại ứng dụng này, và các lỗi trong lý thuyết và thực tế có thể do lỗi bù của op-amp.

Ghi chú! Xin lưu ý rằng tôi đã thêm hai đèn LED chỉ để thử nghiệm và bạn không thể tìm thấy chúng trong sơ đồ thực tế, nó hiển thị mã nhị phân để cho biết chân nào đang hoạt động

Ưu và nhược điểm của Bộ khuếch đại độ lợi có thể lập trình

Vì mạch này rẻ, dễ dàng và đơn giản, nó có thể được thực hiện trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Ở đây MOSFET được sử dụng như một công tắc để truyền tất cả dòng điện qua điện trở xuống đất, đó là lý do tại sao ảnh hưởng của nhiệt độ là không chắc chắn và với các công cụ và thiết bị thử nghiệm hạn chế của tôi, tôi không thể cho bạn thấy ảnh hưởng của nhiệt độ thay đổi đối với mạch.

Mục tiêu của việc sử dụng BJT cùng với MOSFET là vì tôi muốn cho bạn thấy BJT có thể kém như thế nào đối với loại ứng dụng này.

Giá trị của điện trở phản hồi và điện trở đầu vào phải nằm trong dải KΩ, đó là bởi vì với giá trị điện trở thấp hơn, nhiều dòng điện hơn sẽ chạy qua MOSFET, do đó sẽ có nhiều điện áp giảm trên MOSFET gây ra kết quả không thể đoán trước.

Cải tiến thêm

Mạch có thể được sửa đổi thêm để cải thiện hiệu suất của nó như chúng ta có thể thêm bộ lọc để loại bỏ tiếng ồn tần số cao.

Vì op-amp thạch đậu LM358 được sử dụng trong thử nghiệm này, các lỗi bù của op-amp đóng vai trò chính ở điện áp đầu ra. Vì vậy, nó có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách sử dụng một bộ khuếch đại công cụ thay vì một LM358.

Mạch này chỉ được thực hiện cho mục đích trình diễn. Nếu bạn đang nghĩ đến việc sử dụng mạch này trong một ứng dụng thực tế, bạn phải sử dụng op-amp loại chopper và điện trở 0,1 ohms có độ chính xác cao để đạt được sự ổn định tuyệt đối.

Tôi hy vọng bạn thích bài viết này và học được điều gì đó mới từ nó. Nếu bạn có bất kỳ nghi ngờ nào, bạn có thể hỏi trong phần bình luận bên dưới hoặc có thể sử dụng diễn đàn của chúng tôi để thảo luận chi tiết.