Amplificador diferencial o circuit de substracció de tensió

Els Op-Amps es van desenvolupar originalment per a càlculs matemàtics analògics, des de llavors han demostrat ser útils en moltes aplicacions de disseny. Com van dir amb raó els meus professors, els amplificadors operatius són calculadores de tensió aritmètica, que poden realitzar l'addició de dos valors de voltatge donats mitjançant el circuit de l'amplificador sumador i la diferència entre dos valors de voltatge mitjançant un amplificador diferencial. A part d'això, l'Op-Amp també s'utilitza com a amplificadors inversors i amplificadors no inversors.

Ja hem après com podem utilitzar un amplificador operatiu com a sumador de tensió o amplificador sumador, de manera que en aquest tutorial aprendrem a utilitzar amplificador operatiu com a amplificador diferencial per trobar la diferència de voltatge entre dos valors de voltatge. També s’anomena substractor de tensió. També provarem el circuit de substracció de tensió en una placa de control i comprovarem si el circuit funciona com s’esperava.

Conceptes bàsics de l'Op-Amp

Abans de capbussar-nos en els amplificadors diferencials, anem a córrer ràpidament pels conceptes bàsics de l'Op-Amp. Un Op-Amp és un dispositiu de cinc terminals (paquet únic) amb dos terminals (Vs +, Vs-) per alimentar el dispositiu. Dels tres terminals restants, dos (V +, V-) s’utilitzen per a senyals que s’anomenen terminal inversor i no inversor i el restant (Vout) és el terminal de sortida. A continuació es mostra el símbol bàsic d’un Op-Amp.

El funcionament d’un Op-Amp és molt senzill, pren la tensió diferent de dos pins (V +, V-), l’amplifica amb un valor de guany i el dóna com a tensió de sortida (Vout). El guany d'un Op-Amp pot ser molt alt, cosa que el fa adequat per a aplicacions d'àudio. Recordeu sempre que el voltatge d'entrada de l'Op-Amp ha de ser inferior al voltatge de funcionament. Per obtenir més informació sobre amplificador operatiu, consulteu la seva aplicació en diversos circuits basats en amplificadors operatius.

Per a un Op-Amp ideal, la impedància d'entrada serà molt elevada, és a dir, no hi haurà corrent cap a dins o cap a fora de l'Op-Amp a través dels pins d'entrada (V +, V-). Per entendre el funcionament dels amplificadors operatius, podem classificar àmpliament els circuits amplificadors operatius com a bucle obert i tancat.

Circuit de llaç obert amplificador operatiu (comparadors)

En un circuit d'amplificador operatiu de bucle obert, el pin de sortida (Vout) no està connectat amb cap dels pins d'entrada, és a dir, no es proporciona cap feedback. En aquestes condicions de bucle obert, l' amplificador operatiu funciona com un comparador. A continuació es mostra un simple comparador d'amplificadors operatius. Fixeu-vos que el pin Vout no està connectat amb els pins d'entrada V1 o V2.

En aquesta condició, si el voltatge subministrat a V1 és superior a V2, la sortida Vout augmentarà. De la mateixa manera, si les tensions subministrades a V2 són superiors a V1, la sortida Vout baixarà.

Circuit de llaç tancat d'amplificadors operatius (amplificadors)

En un circuit d'amplificador operatiu de bucle tancat, el pin de sortida de l'amplificador operatiu està connectat amb qualsevol dels pins d'entrada per proporcionar una retroalimentació. Aquesta retroalimentació es diu com a connexió de bucle tancat. Durant el bucle tancat, un amplificador operatiu funciona com a amplificador, és durant aquest mode que un amplificador operatiu troba moltes aplicacions útils com a memòria intermèdia, seguidor de tensió, amplificador inversor, amplificador sense inversió, amplificador sumador, amplificador diferencial, substracte de tensió, etc. el pin Vout està connectat al terminal d'inversió, llavors s'anomena circuit de retroalimentació negativa (que es mostra a continuació) i si es connecta al terminal no inversor s'anomena circuit de retroalimentació positiva.

Amplificador diferencial o extractor de tensió

Ara entrem en el nostre tema, Amplificador diferencial. Un amplificador diferencial inclou bàsicament dos valors de tensió, troba la diferència entre aquests dos valors i l’amplifica. El voltatge resultant es pot obtenir a partir del pin de sortida. A continuació es mostra un circuit amplificador diferencial bàsic.

Però espereu, no és això el que fa un Op-Amp de manera predeterminada, fins i tot quan no té comentaris, que necessita dues entrades i proporciona les seves diferències al pin de sortida. Llavors, per què necessitem totes aquestes resistències elegants?

Doncs sí, però l'op-amp quan s'utilitza en bucle obert (sense retroalimentació) tindrà un guany incontrolat molt alt que pràcticament no és útil. Per tant, fem servir el disseny anterior per establir el valor del guany mitjançant resistències en un bucle de retroalimentació negativa. Al nostre circuit per sobre de la resistència R3 actua com una resistència de retroalimentació negativa i les resistències R2 i R4 formen un divisor de potencial. El valor del guany es pot establir utilitzant el valor correcte de les resistències.

Com es pot establir el guany d’un amplificador diferencial?

La tensió de sortida de l'amplificador diferencial mostrat anteriorment pot ser donada per la fórmula següent

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

La fórmula anterior es va obtenir a partir de la funció de transferència del circuit anterior mitjançant el teorema de superposició. Però no ens dediquem gaire a això. Podem simplificar encara més l’equació anterior considerant R1 = R2 i R3 = R4. Així ho aconseguirem

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

A partir de la fórmula anterior podem concloure que la relació entre R3 i R1 serà igual al guany de l'amplificador.

Guany = R3 / R1

Ara, substituïm els valors de les resistències pel circuit anterior i comprovem si el circuit funciona com s’esperava.

Simulació del circuit amplificador diferencial

El valor de la resistència que he triat és de 10k per a R1 i R2 i 22k per a R3 i R4. La simulació del circuit per al mateix es mostra a continuació.

Als efectes de la simulació, he subministrat 4V per a V2 i 3,6V per a V1. La resistència 22k i 10k segons les fórmules establirà un guany de 2,2 (22/10). Així, la resta serà de 0,4 V (4-3,6) i es multiplicarà pel valor de guany de 2,2, de manera que la tensió resultant serà de 0,88 V, tal com es mostra a la simulació anterior. També comprovem el mateix mitjançant la fórmula que hem comentat anteriorment.

Vout = (R3 / R1) (V2-V1) quan R1 = R2 i R3 = R4 = (22/10) (4-3,6) = (2,2) x (0,4) = 0,88v

Prova del circuit d'amplificador diferencial al maquinari

Ara a la part divertida, realment construïm el mateix circuit a la taula de verificació i comprovem si aconseguim aconseguir els mateixos resultats. Estic fent servir el LM324 Op-Amp per construir el circuit i faig servir el mòdul d’alimentació Breadboard que vam construir anteriorment. Aquest mòdul pot proporcionar una sortida de 5V i 3,3V, de manera que estic fent servir el rail d’alimentació de 5V per alimentar el meu amplificador operatiu i el rail d’alimentació de 3,3V com a V1. Després vaig utilitzar el meu RPS (Regulated Power Supply) per proporcionar 3,7 V al pin V2. La diferència entre les tensions és de 0,4 i tenim un guany de 2,2 que ens hauria de donar 0,88 V i això és exactament el que vaig obtenir. La imatge següent mostra la configuració i el multímetre amb la lectura de 0,88 V.

Això demostra que la nostra comprensió de l'ampli operatiu diferencial és correcta i ara ja sabem dissenyar-ne un pel nostre compte amb el valor de guany requerit. El funcionament complet també es pot trobar al vídeo que es mostra a continuació. Aquests circuits s’utilitzen més sovint en aplicacions de control de volum.

Però, atès que el circuit té resistències al costat de la tensió d'entrada (V1 i V2), no proporciona una impedància d'entrada molt alta i també té un alt guany de mode comú que condueix a una relació CMRR baixa. Per superar aquests desavantatges, hi ha una versió improvisada d'amplificador diferencial anomenat amplificador d'instrumentació, però deixem-ho per a un altre tutorial.

Espero que hàgiu entès el tutorial i us hagi agradat conèixer els amplificadors diferencials. Si teniu cap consulta, deixeu-los a la secció de comentaris o utilitzeu els fòrums per obtenir més preguntes tècniques i una resposta més ràpida.