Differenzverstärker oder Spannungssubtrahiererschaltung

Operationsverstärker wurden ursprünglich für analoge mathematische Berechnungen entwickelt und haben sich seitdem in vielen Entwurfsanwendungen als nützlich erwiesen. Wie meine Professoren zu Recht sagten, sind Operationsverstärker arithmetische Spannungsrechner. Sie können die Addition von zwei gegebenen Spannungswerten unter Verwendung der Summierverstärkerschaltung und die Differenz zwischen zwei Spannungswerten unter Verwendung eines Differenzverstärkers durchführen. Abgesehen davon wird der Operationsverstärker auch häufig als invertierende Verstärker und nicht invertierende Verstärker verwendet.

Wir haben bereits gelernt, wie wir einen Operationsverstärker als Spannungsaddierer oder Summierverstärker verwenden können. In diesem Lernprogramm erfahren Sie, wie Sie den Operationsverstärker als Differenzverstärker verwenden, um die Spannungsdifferenz zwischen zwei Spannungswerten zu ermitteln. Es wird auch als Spannungssubtrahierer bezeichnet. Wir werden auch die Spannungssubtrahierschaltung auf einem Steckbrett testen und prüfen, ob die Schaltung wie erwartet funktioniert.

Grundlagen des Operationsverstärkers

Bevor wir uns mit den Differential-Operationsverstärkern befassen, wollen wir uns kurz mit den Grundlagen des Operationsverstärkers befassen. Ein Operationsverstärker ist ein Gerät mit fünf Anschlüssen (einzelnes Gehäuse) mit zwei Anschlüssen (Vs +, Vs-) zur Stromversorgung des Geräts. Von den verbleibenden drei Anschlüssen werden zwei (V +, V-) für Signale verwendet, die als invertierender und nicht invertierender Anschluss bezeichnet werden, und der verbleibende (Vout) ist der Ausgangsanschluss. Das Grundsymbol eines Operationsverstärkers ist unten dargestellt.

Die Arbeitsweise eines Operationsverstärkers ist sehr einfach, er nimmt die unterschiedliche Spannung von zwei Pins (V +, V-) auf, verstärkt sie um einen Verstärkungswert und gibt sie als Ausgangsspannung (Vout) an. Die Verstärkung eines Operationsverstärkers kann sehr hoch sein, was ihn für Audioanwendungen geeignet macht. Denken Sie immer daran, dass die Eingangsspannung des Operationsverstärkers unter seiner Betriebsspannung liegen sollte. Um mehr über Operationsverstärker zu erfahren, überprüfen Sie deren Anwendung in verschiedenen auf Operationsverstärkern basierenden Schaltkreisen.

Für einen idealen Operationsverstärker ist die Eingangsimpedanz sehr hoch, dh es fließt kein Strom durch die Eingangsstifte (V +, V-) in den Operationsverstärker hinein oder aus ihm heraus. Um die Funktionsweise von Operationsverstärkern zu verstehen, können wir die Operationsverstärkerschaltungen grob in offene und geschlossene Schleifen einteilen.

Operationsverstärker Leerlauf (Komparatoren)

In einer Operationsverstärkerschaltung mit offener Schleife ist der Ausgangspin (Vout) mit keinem der Eingangspins verbunden, dh es wird keine Rückkopplung bereitgestellt. Unter solchen Bedingungen arbeitet der Operationsverstärker als Komparator. Ein einfacher Operationsverstärkerkomparator ist unten dargestellt. Beachten Sie, dass der Vout-Pin nicht mit den Eingangspins V1 oder V2 verbunden ist.

In diesem Zustand wird der Ausgang Vout hoch, wenn die an V1 gelieferte Spannung größer als V2 ist. Wenn die an V2 gelieferten Spannungen größer als V1 sind, wird der Ausgang Vout ebenfalls niedrig.

Operationsverstärker-Regelkreis (Verstärker)

In einer Operationsverstärkerschaltung mit geschlossenem Regelkreis ist der Ausgangspin des Operationsverstärkers mit einem der Eingangspins verbunden, um eine Rückkopplung bereitzustellen. Diese Rückmeldung wird als Closed-Loop-Verbindung bezeichnet. Während eines geschlossenen Regelkreises arbeitet ein Operationsverstärker als Verstärker. In diesem Modus findet ein Operationsverstärker viele nützliche Anwendungen wie Puffer, Spannungsfolger, invertierender Verstärker, nicht invertierender Verstärker, Summierverstärker, Differenzverstärker, Spannungssubtrahierer usw. Wenn Der Vout-Pin ist mit dem invertierenden Anschluss verbunden, wird dann als negative Rückkopplungsschaltung bezeichnet (siehe unten) und wenn er mit dem nicht invertierenden Anschluss verbunden ist, wird er als positiver Rückkopplungskreis bezeichnet.

Differenzverstärker oder Spannungssubtrahierer

Kommen wir nun zu unserem Thema Differenzverstärker. Ein Differenzverstärker nimmt grundsätzlich zwei Spannungswerte auf, ermittelt die Differenz zwischen diesen beiden Werten und verstärkt sie. Die resultierende Spannung kann vom Ausgangspin erhalten werden. Eine grundlegende Differenzverstärkerschaltung ist unten gezeigt.

Aber warte!, Ist das nicht das, was ein Operationsverstärker standardmäßig tut, auch wenn er keine Rückkopplung hat? Er benötigt zwei Eingänge und liefert ihre Unterschiede am Ausgangspin. Warum brauchen wir dann all diese ausgefallenen Widerstände?

Nun ja, aber Operationsverstärker haben bei Verwendung im offenen Regelkreis (ohne Rückkopplung) eine sehr hohe unkontrollierte Verstärkung, was praktisch nicht sinnvoll ist. Daher verwenden wir das obige Design, um den Wert der Verstärkung mithilfe von Widerständen in einer negativen Rückkopplungsschleife einzustellen. In unserer obigen Schaltung wirkt der Widerstand R3 als Gegenkopplungswiderstand und die Widerstände R2 und R4 bilden einen Potentialteiler. Der Wert der Verstärkung kann mit dem richtigen Wert der Widerstände eingestellt werden.

Wie stelle ich die Verstärkung eines Differenzverstärkers ein?

Die Ausgangsspannung des oben gezeigten Differenzverstärkers kann durch die folgende Formel angegeben werden

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

Die obige Formel wurde aus der Übertragungsfunktion der obigen Schaltung unter Verwendung des Überlagerungssatzes erhalten. Aber lassen Sie uns nicht viel darauf eingehen. Wir können die obige Gleichung weiter vereinfachen, indem wir R1 = R2 und R3 = R4 betrachten. Also werden wir bekommen

Vout = (R3 / R1) (V2-V1), wenn R1 = R2 und R3 = R4

Aus der obigen Formel können wir schließen, dass das Verhältnis zwischen R3 und R1 gleich der Verstärkung des Verstärkers ist.

Verstärkung = R3 / R1

Lassen Sie uns nun die Widerstandswerte für die obige Schaltung ersetzen und prüfen, ob die Schaltung wie erwartet funktioniert.

Simulation der Differenzverstärkerschaltung

Der von mir gewählte Widerstandswert beträgt 10k für R1 und R2 und 22k für R3 und R4. Die Schaltungssimulation dafür ist unten gezeigt.

Zum Zwecke der Simulation habe ich 4 V für V2 und 3,6 V für V1 geliefert. Der Widerstand 22k und 10k gemäß den Formeln stellt eine Verstärkung von 2,2 (22/10) ein. Die Subtraktion beträgt also 0,4 V (4-3,6) und wird mit dem Verstärkungswert 2,2 multipliziert, sodass die resultierende Spannung 0,88 V beträgt, wie in der obigen Simulation gezeigt. Lassen Sie uns dies auch anhand der zuvor besprochenen Formel überprüfen.

Vout = (R3 / R1) (V2-V1), wenn R1 = R2 und R3 = R4 = (22/10) (4-3,6) = (2,2) x (0,4) = 0,88 V.

Testen der Differenzverstärkerschaltung auf Hardware

Nun zum lustigen Teil, lassen Sie uns tatsächlich dieselbe Schaltung auf dem Steckbrett bauen und prüfen, ob wir in der Lage sind, dieselben Ergebnisse zu erzielen. Ich verwende den Operationsverstärker LM324, um die Schaltung aufzubauen, und verwende das zuvor gebaute Breadboard-Netzteilmodul. Dieses Modul kann 5V- und 3,3V-Ausgang liefern, daher verwende ich die 5V-Stromschiene, um meinen Operationsverstärker und die 3,3V-Stromschiene als V1 zu versorgen. Dann habe ich mein RPS (Regulated Power Supply) verwendet, um den Pin V2 mit 3,7 V zu versorgen. Der Unterschied zwischen den Spannungen beträgt 0,4 und wir haben eine Verstärkung von 2,2, was uns 0,88 V geben sollte, und genau das habe ich bekommen. Das Bild unten zeigt den Aufbau und das Multimeter mit dem Messwert 0,88 V.

Dies beweist, dass unser Verständnis des Differenzial-Operationsverstärkers korrekt ist, und jetzt wissen wir, wie wir einen eigenen mit dem erforderlichen Verstärkungswert entwerfen können. Die komplette Arbeit finden Sie auch in dem unten angegebenen Video. Diese Schaltungen werden häufiger in Lautstärkeregelungsanwendungen verwendet.

Da die Schaltung jedoch auf der Eingangsspannungsseite (V1 und V2) Widerstände aufweist, liefert sie keine sehr hohe Eingangsimpedanz und weist auch eine hohe Gleichtaktverstärkung auf, was zu einem niedrigen CMRR-Verhältnis führt. Um diese Nachteile zu überwinden, gibt es eine improvisierte Version des Differenzverstärkers, den Instrumentenverstärker. Lassen Sie dies jedoch für ein anderes Tutorial.

Ich hoffe, Sie haben das Tutorial verstanden und es genossen, etwas über Differenzverstärker zu lernen. Wenn Sie Fragen haben, lassen Sie diese im Kommentarbereich oder nutzen Sie die Foren für weitere technische Fragen und schnellere Antworten.