Amplificatore differenziale o circuito sottrattore di tensione

Gli amplificatori operazionali sono stati originariamente sviluppati per calcoli matematici analogici, da allora si sono dimostrati utili in molte applicazioni di progettazione. Come hanno giustamente detto i miei professori, gli amplificatori operazionali sono calcolatori aritmetici di tensione, possono eseguire l'addizione di due valori di tensione dati usando il circuito dell'amplificatore sommatore e la differenza tra due valori di tensione usando un amplificatore differenziale. Oltre a questo, l'amplificatore operazionale è anche comunemente usato come amplificatori invertenti e amplificatori non invertenti.

Abbiamo già imparato come utilizzare un amplificatore operazionale come sommatore di tensione o amplificatore sommatore, quindi in questo tutorial impareremo come utilizzare l'amplificatore operazionale come amplificatore differenziale per trovare la differenza di tensione tra due valori di tensione. È anche chiamato il sottrattore di tensione. Proveremo anche il circuito del sottrattore di tensione su una breadboard e controlleremo se il circuito funziona come previsto.

Nozioni di base sull'amplificatore operazionale

Prima di immergerci negli amplificatori operazionali differenziali, esaminiamo rapidamente le basi dell'amplificatore operazionale. Un Op-Amp è un dispositivo a cinque terminali (confezione singola) con due terminali (Vs +, Vs-) per alimentare il dispositivo. Dei restanti tre terminali, due (V +, V-) sono utilizzati per i segnali che sono chiamati terminale invertente e non invertente e il rimanente (Vout) è il terminale di uscita. Il simbolo di base di un amplificatore operazionale è mostrato di seguito.

Il funzionamento di un Op-Amp è molto semplice, prende la diversa tensione da due pin (V +, V-), la amplifica di un valore di Gain e la fornisce come tensione di uscita (Vout). Il guadagno di un amplificatore operazionale può essere molto alto, rendendolo adatto per applicazioni audio. Ricorda sempre che la tensione di ingresso dell'amplificatore operazionale dovrebbe essere inferiore alla sua tensione di funzionamento. Per saperne di più sull'amplificatore operazionale, controlla la sua applicazione in vari circuiti basati sull'amplificatore operazionale.

Per un amplificatore operazionale ideale l'impedenza di ingresso sarà molto alta, ovvero nessuna corrente fluirà dentro o fuori l'amplificatore operazionale attraverso i pin di ingresso (V +, V-). Per comprendere il funzionamento dell'amplificatore operazionale possiamo categorizzare ampiamente i circuiti dell'amplificatore operazionale come anello aperto e anello chiuso.

Circuito ad anello aperto op-amp (comparatori)

In un circuito op-amp ad anello aperto, il pin di uscita (Vout) non è collegato a nessuno dei pin di ingresso, ovvero non viene fornito alcun feedback. In tali condizioni ad anello aperto, l' amplificatore operazionale funziona come un comparatore. Di seguito è mostrato un semplice comparatore operazionale. Notare che il pin Vout non è collegato ai pin di ingresso V1 o V2.

In questa condizione, se la tensione fornita a V1 è maggiore di V2 l'uscita Vout sarà alta. Allo stesso modo, se le tensioni fornite a V2 sono maggiori di V1, l'uscita Vout diventerà bassa.

Circuito ad anello chiuso op-amp (amplificatori)

In un circuito dell'amplificatore operazionale a circuito chiuso, il pin di uscita dell'amplificatore operazionale è collegato con uno dei pin di ingresso per fornire un feedback. Questo feedback è chiamato connessione ad anello chiuso. Durante il circuito chiuso un amplificatore operazionale funziona come un amplificatore, è durante questa modalità un amplificatore operazionale trova molte applicazioni utili come buffer, inseguitore di tensione, amplificatore invertente, amplificatore non invertente, amplificatore sommatore, amplificatore differenziale, sottrattore di tensione ecc. il pin Vout è collegato al terminale invertente, quindi viene chiamato circuito di feedback negativo (mostrato di seguito) e se collegato al terminale non invertente viene chiamato circuito di feedback positivo.

Amplificatore differenziale o sottrattore di tensione

Ora entriamo nel nostro argomento, Amplificatore differenziale. Un amplificatore differenziale prende fondamentalmente due valori di tensione, trova la differenza tra questi due valori e la amplifica. La tensione risultante può essere ottenuta dal pin di uscita. Di seguito è mostrato un circuito di amplificazione differenziale di base.

Ma aspetta !, non è questo ciò che un amplificatore operazionale fa di default anche quando non ha feedback, prende due ingressi e fornisce le loro differenze sul pin di uscita. Allora perché abbiamo bisogno di tutti questi fantasiosi resistori?

Ebbene sì, ma l'amplificatore operazionale se usato in anello aperto (senza feedback) avrà un guadagno incontrollato molto alto che praticamente non è utile. Quindi usiamo il progetto sopra per impostare il valore del guadagno usando resistori in un ciclo di feedback negativo. Nel nostro circuito sopra il resistore R3 funge da resistore di feedback negativo e i resistori R2 e R4 formano un potenziale divisore. Il valore del guadagno può essere impostato utilizzando il giusto valore delle resistenze.

Come impostare il guadagno di un amplificatore differenziale?

La tensione di uscita dell'amplificatore differenziale mostrato sopra può essere data dalla formula seguente

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

La formula sopra è stata ottenuta dalla funzione di trasferimento del circuito sopra utilizzando il teorema di sovrapposizione. Ma non entriamo molto in questo. Possiamo ulteriormente semplificare l'equazione precedente considerando R1 = R2 e R3 = R4. Quindi otterremo

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

Dalla formula sopra possiamo concludere che il rapporto tra R3 e R1 sarà uguale al guadagno dell'amplificatore.

Guadagno = R3 / R1

Ora, sostituiamo i valori dei resistori per il circuito sopra e controlliamo se il circuito funziona come previsto.

Simulazione del circuito dell'amplificatore differenziale

Il valore del resistore che ho scelto è 10k per R1 e R2 e 22k per R3 e R4. La simulazione del circuito per lo stesso è mostrata di seguito.

Ai fini della simulazione, ho fornito 4 V per V2 e 3,6 V per V1. Il resistore 22k e 10k secondo le formule imposterà un guadagno di 2.2 (22/10). Quindi la sottrazione sarà di 0,4 V (4-3,6) e sarà moltiplicata per il valore di guadagno 2,2 in modo che la tensione risultante sarà 0,88 V come mostrato nella simulazione sopra. Verifichiamo anche lo stesso utilizzando la formula che abbiamo discusso in precedenza.

Vout = (R3 / R1) (V2-V1) quando R1 = R2 e R3 = R4 = (22/10) (4-3.6) = (2.2) x (0.4) = 0.88v

Test del circuito dell'amplificatore differenziale sull'hardware

Ora alla parte divertente, costruiamo effettivamente lo stesso circuito sulla breadboard e controlliamo se siamo in grado di ottenere gli stessi risultati. Sto usando l' amplificatore operazionale LM324 per costruire il circuito e utilizzo il modulo di alimentazione Breadboard che abbiamo costruito in precedenza. Questo modulo può fornire 5 V e 3,3 V di uscita, quindi sto usando la barra di alimentazione 5 V per alimentare il mio amplificatore operazionale e la barra di alimentazione 3,3 V come V1. Quindi ho usato il mio RPS (alimentatore regolato) per fornire 3,7 V al pin V2. La differenza tra le tensioni è 0,4 e abbiamo un guadagno di 2,2 che dovrebbe darci 0,88 V ed è esattamente quello che ho ottenuto. L'immagine sotto mostra la configurazione e il multimetro con la lettura 0,88V su di esso.

Ciò dimostra che la nostra comprensione dell'amplificatore operazionale differenziale è corretta e ora sappiamo come progettarne uno da soli con il valore di guadagno richiesto. La lavorazione completa la trovate anche nel video sotto riportato. Questi circuiti sono più spesso utilizzati nelle applicazioni di controllo del volume.

Tuttavia, poiché il circuito ha resistori sul lato della tensione di ingresso (V1 e V2), non fornisce un'impedenza di ingresso molto elevata e ha anche un guadagno di modo comune elevato che porta a un basso rapporto CMRR. Per ovviare a questi svantaggi esiste una versione improvvisata di amplificatore differenziale chiamato amplificatore di strumentazione, ma lasciamolo per un altro tutorial.

Spero che tu abbia capito il tutorial e ti sia piaciuto imparare a conoscere gli amplificatori differenziali. Se hai domande, lasciale nella sezione commenti o usa i forum per domande più tecniche e risposte più rapide.