Οι ενισχυτές είναι ηλεκτρονικά κυκλώματα που αυξάνουν την ισχύ ενός σήματος, ώστε να μπορεί να υποβληθεί σε επεξεργασία, να μετρηθεί ή να μεταδοθεί πιο αποτελεσματικά. Στα αναλογικά συστήματα, τα σήματα από αισθητήρες, πηγές ήχου ή κυκλώματα ελέγχου είναι συχνά πολύ αδύναμα για να χρησιμοποιηθούν απευθείας, επομένως οι ενισχυτές χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση των επιπέδων τάσης, τη βελτίωση της ποιότητας του σήματος και την προετοιμασία του σήματος για το επόμενο στάδιο. Οι λειτουργικοί ενισχυτές, οι διαφορικοί ενισχυτές και οι ενισχυτές οργάνων χειρίζονται ο καθένας τα σήματα με διαφορετικούς τρόπους και χρησιμοποιούνται σε διαφορετικές καταστάσεις. Αυτό το άρθρο συγκρίνει αυτούς τους τρεις τύπους ενισχυτών, εξηγώντας πώς λειτουργούν, πώς διαφέρουν και πώς να επιλέξετε τον κατάλληλο για εφαρμογές πραγματικού κόσμου.
Γ1. Τι είναι ένας λειτουργικός ενισχυτής;
Γ2. Τι είναι ένας διαφορικός ενισχυτής;
Γ3. Τι είναι ο ενισχυτής οργάνων;
Γ4. Op-Amp vs Διαφορικός ενισχυτής vs Ενισχυτής οργάνων
Γ5. Βασικοί παράγοντες απόδοσης ενισχυτή που πρέπει να ληφθούν υπόψη
Γ6. Πραγματικές εφαρμογές κάθε τύπου ενισχυτή
Γ7. Συμπέρασμα
Τι είναι ένας λειτουργικός ενισχυτής;
Ένας λειτουργικός ενισχυτής, ή op-amp, είναι ένας ηλεκτρονικός ενισχυτής που αυξάνει τη διαφορά μεταξύ δύο τάσεων εισόδου και παράγει μία τάση εξόδου. Διαθέτει δύο ακροδέκτες εισόδου: τη μη αναστρεφόμενη είσοδο (+) και την αναστροφή εισόδου (−). Η έξοδος αλλάζει με βάση τη διαφορά τάσης μεταξύ αυτών των δύο εισόδων.
Σε πρακτικά κυκλώματα, ένας op-amp χρησιμοποιείται συνήθως με εξωτερικά εξαρτήματα ανάδρασης, όπως αντιστάσεις και πυκνωτές. Αυτά τα μέρη ελέγχουν το κέρδος, τη σταθερότητα, το εύρος ζώνης και τη συνολική συμπεριφορά του κυκλώματος. Η βασική ιδέα ενός op-amp μπορεί να εκφραστεί ως:
Vout = Aol(V+ − V−)
όπου Vout είναι η τάση εξόδου, Aol είναι το κέρδος ανοιχτού βρόχου, V+ είναι η μη αναστρεφόμενη τάση εισόδου και V− είναι η τάση εισόδου αναστροφής. Σε πραγματικές εφαρμογές, το πολύ υψηλό κέρδος ανοιχτού βρόχου ελέγχεται συνήθως από αρνητική ανάδραση, ώστε το κύκλωμα να μπορεί να παράγει μια σταθερή και προβλέψιμη έξοδο.
Τι είναι ο διαφορικός ενισχυτής;
Ένας διαφορικός ενισχυτής αυξάνει τη διαφορά μεταξύ δύο τάσεων εισόδου και μειώνει τα σήματα που εμφανίζονται εξίσου και στις δύο εισόδους. Αυτά τα ίσα σήματα ονομάζονται σήματα κοινής λειτουργίας. Εξαιτίας αυτού, ένας διαφορικός ενισχυτής είναι χρήσιμος όταν το σημαντικό σήμα είναι η διαφορά τάσης μεταξύ δύο σημείων, όχι μόνο ένα σήμα που μετράται σε σχέση με τη γείωση.
Ένας βασικός διαφορικός ενισχυτής έχει δύο εισόδους, που συχνά ονομάζονται V1 και V2, και μία έξοδο. Η έξοδος αλλάζει με βάση τη διαφορά μεταξύ των δύο εισόδων. Εάν και οι δύο είσοδοι ανεβαίνουν ή πέφτουν μαζί λόγω θορύβου ή παρεμβολών, ο ενισχυτής προσπαθεί να απορρίψει αυτό το κοινό σήμα και να ενισχύσει μόνο τη χρήσιμη διαφορά.
Η βασική ιδέα μπορεί να εκφραστεί ως:
Vout = Ad(V2 − V1)
όπου Vout είναι η τάση εξόδου, Ad είναι το διαφορικό κέρδος και V2 − V1 είναι η διαφορά τάσης μεταξύ των δύο σημάτων εισόδου.
Τι είναι ο ενισχυτής οργάνων;
Ένας ενισχυτής οργάνων είναι ένας ενισχυτής ακριβείας που έχει σχεδιαστεί για να ενισχύει πολύ μικρά διαφορικά σήματα ενώ απορρίπτει θόρυβο ή ανεπιθύμητα σήματα που εμφανίζονται εξίσου και στις δύο εισόδους. Χρησιμοποιείται συνήθως όταν το σήμα προέρχεται από αισθητήρες, επειδή πολλοί αισθητήρες παράγουν αλλαγές ασθενούς τάσης που χρειάζονται ακριβή ενίσχυση πριν από την επεξεργασία.
Ένας ενισχυτής οργάνων έχει δύο ακροδέκτες εισόδου και συνήθως έναν ακροδέκτη εξόδου. Όπως ένας διαφορικός ενισχυτής, ενισχύει τη διαφορά μεταξύ των δύο τάσεων εισόδου. Ωστόσο, παρέχει υψηλότερη σύνθετη αντίσταση εισόδου, καλύτερη απόρριψη κοινής λειτουργίας και πιο σταθερό κέρδος από έναν βασικό διαφορικό ενισχυτή. Αυτό βοηθά στην αποφυγή φόρτωσης του αισθητήρα και βελτιώνει την ακρίβεια μέτρησης.
Η βασική ιδέα μπορεί να εκφραστεί ως:
Vout = G(V2 − V1)
όπου Vout είναι η τάση εξόδου, G είναι το κέρδος του ενισχυτή και V2 − V1 είναι η διαφορική τάση εισόδου.
Op-Amp vs Διαφορικός ενισχυτής vs Ενισχυτής οργάνων
| Σημείο σύγκρισης | Λειτουργικός ενισχυτής | Διαφορικός ενισχυτής | Ενισχυτής οργάνων |
|---|---|---|---|
| Τύπος εισόδου | Μπορεί να χρησιμοποιηθεί με είσοδο μονού άκρου ή διαφορική ανάλογα με το σχεδιασμό του κυκλώματος | Χρησιμοποιεί δύο σήματα εισόδου και ανταποκρίνεται στη διαφορά τους | Χρησιμοποιεί δύο σήματα εισόδου και ανταποκρίνεται στη διαφορά τους |
| Τύπος εξόδου | Συνήθως έξοδος ενός άκρου | Συνήθως έξοδος ενός άκρου, αλλά υπάρχουν και πλήρως διαφορικές εκδόσεις | Συνήθως έξοδος ενός άκρου, ανάλογα με το σχεδιασμό του IC |
| Βασική εξίσωση | Vout = Aol(V+ − V−) | Vout = Ad(V2 − V1) | Vout = G(V2 − V1) |
| Αποκτήστε τον έλεγχο | Το κέρδος ρυθμίζεται συνήθως από εξωτερικές αντιστάσεις ανάδρασης | Το κέρδος καθορίζεται από τις αναλογίες αντιστάσεων | Το κέρδος ρυθμίζεται συχνά από μία αντίσταση ρύθμισης κέρδους |
| Αντίσταση εισόδου | Συνήθως υψηλό, ανάλογα με τον τύπο και τη διαμόρφωση του op-amp | Μέτρια έως υψηλή, αλλά τα βασικά σχέδια αντιστάσεων μπορούν να φορτώσουν την πηγή | Πολύ υψηλό, καθιστώντας το κατάλληλο για αισθητήρες |
| Επίπεδο ακρίβειας | Γενικής χρήσης έως ακρίβεια, ανάλογα με τον ενισχυτή λειτουργίας που χρησιμοποιείται | Μέτρια έως καλή ακρίβεια | Υψηλή ακρίβεια |
| Σφάλμα μετατόπισης | Εξαρτάται από τον επιλεγμένο ενισχυτή λειτουργίας | Επηρεάζεται από μετατόπιση op-amp και αναντιστοιχία αντιστάσεων | Συνήθως χαμηλή μετατόπιση και χαμηλή μετατόπιση σε μοντέλα ακριβείας |
| Εύρος ζώνης | Μεγάλη γκάμα, ανάλογα με τον ενισχυτή λειτουργίας | Εξαρτάται από το δίκτυο op-amp, gain και αντίστασης | Συχνά χαμηλότερο από τους γενικούς ενισχυτές λειτουργίας σε υψηλό κέρδος |
| Πολυπλοκότητα κυκλώματος | Απλό έως μέτριο | Μέτρια | Μέτρια έως υψηλή, αλλά απλή όταν χρησιμοποιείτε ενσωματωμένο IC |
| Εξωτερικά εξαρτήματα | Αντιστάσεις ανάδρασης και άλλα εξαρτήματα ανάλογα με τη διαμόρφωση | Απαιτεί αντιστάσεις που ταιριάζουν με ακρίβεια | Συχνά χρειάζεται μόνο μια αντίσταση ρύθμισης κέρδους και λίγα εξαρτήματα στήριξης |
| Ευαισθησία στην αντιστοίχιση αντιστάσεων | Σημαντικό σε κυκλώματα ρύθμισης κέρδους | Πολύ σημαντικό για την ακρίβεια κέρδους και το CMRR | Λιγότερο δύσκολο για τους χρήστες όταν χρησιμοποιούν ενσωματωμένα ολοκληρωμένα κυκλώματα με αντιστοιχισμένες αντιστάσεις |
| Βέλτιστη χρήση | Γενική ενίσχυση, φιλτράρισμα, προσωρινή αποθήκευση και επεξεργασία αναλογικού σήματος | Μέτρηση διαφορών τάσης μεταξύ δύο σημείων | Μέτρηση σήματος αισθητήρα ακριβείας |
| Κύριο πλεονέκτημα | Πολύ ευέλικτο και ευρέως διαθέσιμο | Απορρίπτει κοινά σήματα και μετρά τις διαφορές τάσης | Υψηλή ακρίβεια, υψηλή αντίσταση εισόδου και ισχυρή απόρριψη κοινής λειτουργίας |
| Κύριος περιορισμός | Δεν είναι πάντα ιδανικό για μικροσκοπικά σήματα αισθητήρων χωρίς επιπλέον σχεδιαστική φροντίδα | Η ακρίβεια εξαρτάται από την αντιστοίχιση της αντίστασης και την αντίσταση εισόδου | Πιο εξειδικευμένο και μπορεί να κοστίσει περισσότερο από τα βασικά κυκλώματα op-amp |
Βασικοί παράγοντες απόδοσης ενισχυτή που πρέπει να ληφθούν υπόψη
Ρύθμιση απολαβής και ακρίβεια απολαβής
Η ρύθμιση απολαβής εξηγεί πώς ελέγχεται το κέρδος εξόδου του ενισχυτή, ενώ η ακρίβεια απολαβής εξηγεί πόσο κοντά είναι το πραγματικό κέρδος στην αναμενόμενη τιμή.
• Σε ένα κύκλωμα op-amp, το κέρδος ρυθμίζεται συνήθως από εξωτερικές αντιστάσεις ανάδρασης. Για παράδειγμα, ένας μη αναστρεφόμενος ενισχυτής λειτουργίας χρησιμοποιεί την αναλογία αντίστασης γύρω από τη διαδρομή ανάδρασης για να ορίσει το κέρδος. Αυτό καθιστά τους ενισχυτές λειτουργίας πολύ ευέλικτους, επειδή η ίδια συσκευή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για προσωρινή αποθήκευση, χαμηλό κέρδος, υψηλό κέρδος, φιλτράρισμα ή ρύθμιση σήματος.
• Σε έναν διαφορικό ενισχυτή, το κέρδος εξαρτάται επίσης από τις αναλογίες αντιστάσεων, αλλά η αντιστοίχιση αντιστάσεων γίνεται πιο κρίσιμη. Εάν οι αναλογίες αντιστάσεων δεν ταιριάζουν στενά, ο ενισχυτής μπορεί να προκαλέσει σφάλμα απολαβής και ασθενέστερη απόρριψη κοινής λειτουργίας. Για διαφορικά κυκλώματα ακριβείας, οι σχεδιαστές χρησιμοποιούν συχνά αντιστάσεις αυστηρής ανοχής, όπως εξαρτήματα 0.1% ή 0.01% αντί για τυπικές αντιστάσεις 1%.
• Σε έναν ενισχυτή οργάνων, το κέρδος ρυθμίζεται συχνά από μία εξωτερική αντίσταση ή ένα εσωτερικό δίκτυο ρύθμισης απολαβής, γεγονός που διευκολύνει την επίτευξη σταθερού κέρδους στα κυκλώματα αισθητήρων και μετρήσεων. Η Analog Devices σημειώνει ότι οι ενισχυτές λειτουργίας διαμορφώνονται μέσω πολλών εξωτερικών εξαρτημάτων, ενώ οι ενισχυτές οργάνων συνήθως διαμορφώνονται για κέρδος μέσω μιας αντίστασης ή επιλέξιμων βρυσών απολαβής.
Απόρριψη κοινής λειτουργίας και απόρριψη θορύβου
Η απόρριψη κοινής λειτουργίας περιγράφει πόσο καλά ένας ενισχυτής απορρίπτει σήματα που εμφανίζονται και στις δύο εισόδους ταυτόχρονα. Αυτό είναι σημαντικό επειδή τα πραγματικά κυκλώματα συχνά λαμβάνουν κοινό θόρυβο από καλώδια ρεύματος, κινητήρες, τροφοδοτικά μεταγωγής, μακριά καλώδια αισθητήρων ή κοντινά ψηφιακά κυκλώματα. Εάν ο ενισχυτής έχει κακή απόρριψη κοινής λειτουργίας, μέρος αυτού του ανεπιθύμητου θορύβου μπορεί να εμφανιστεί στην έξοδο και να μειώσει την ακρίβεια του σήματος.
• Οι ενισχυτές λειτουργίας μπορούν να απορρίψουν σήματα κοινής λειτουργίας, αλλά η πραγματική τους απόδοση εξαρτάται από τη διαμόρφωση του κυκλώματος και το σχεδιασμό ανάδρασης.
• Ένας διαφορικός ενισχυτής είναι ειδικά κατασκευασμένος για να ενισχύει τη διαφορά μεταξύ δύο εισόδων, αλλά το CMRR του εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την αντιστοίχιση αντιστάσεων. Εάν το δίκτυο αντιστάσεων δεν είναι ισορροπημένο, η απόρριψη θορύβου κοινής λειτουργίας γίνεται πιο αδύναμη.
• Οι ενισχυτές οργάνων παρέχουν συνήθως την ισχυρότερη απόρριψη κοινής λειτουργίας επειδή είναι σχεδιασμένοι για μικρά διαφορικά σήματα σε θορυβώδη περιβάλλοντα. Σε πολλές εφαρμογές αισθητήρων ακριβείας, οι ενισχυτές οργάνων μπορεί να έχουν τιμές CMRR περίπου 80 dB έως πάνω από 120 dB, ανάλογα με το κέρδος και τον τύπο της συσκευής.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο προτιμώνται συχνά για αισθητήρες γεφυρών, θερμοστοιχεία και ιατρικά ή βιομηχανικά σήματα μέτρησης. Το Analog Devices περιγράφει τους ενισχυτές οργάνων ως μπλοκ απολαβής διαφορικής εισόδου που χρησιμοποιούνται συνήθως όπου απαιτείται υψηλή αντίσταση εισόδου και απόρριψη κοινής λειτουργίας.
Αντίσταση εισόδου και φόρτωση πηγής
Η σύνθετη αντίσταση εισόδου δείχνει πόσο επηρεάζει ο ενισχυτής την πηγή σήματος. Μια υψηλή σύνθετη αντίσταση εισόδου σημαίνει ότι ο ενισχυτής παίρνει πολύ λίγο ρεύμα από την πηγή, επομένως το αρχικό σήμα διατηρείται καλύτερα. Μια χαμηλή αντίσταση εισόδου μπορεί να φορτώσει την πηγή, να μειώσει τη μετρούμενη τάση και να δημιουργήσει σφάλμα σήματος πριν καν ξεκινήσει η ενίσχυση.
• Οι ενισχυτές λειτουργίας έχουν συνήθως υψηλή αντίσταση εισόδου, ειδικά οι τύποι εισόδου CMOS και JFET. Αυτό τα καθιστά χρήσιμα για προσωρινή αποθήκευση τάσης και γενική ρύθμιση σήματος.
• Οι διαφορικοί ενισχυτές μπορούν να έχουν χαμηλότερη αποτελεσματική αντίσταση εισόδου επειδή το σήμα εισόδου συχνά διέρχεται από δίκτυα αντιστάσεων. Αυτό μπορεί να γίνει πρόβλημα όταν το σήμα πηγής είναι αδύναμο ή προέρχεται από αισθητήρα υψηλής σύνθετης αντίστασης.
• Οι ενισχυτές οργάνων παρέχουν συνήθως πολύ υψηλή και ισορροπημένη αντίσταση εισόδου και στις δύο εισόδους, γεγονός που βοηθά στην αποφυγή φόρτισης του αισθητήρα.
Μετατόπιση, μετατόπιση και ακρίβεια μέτρησης
Η τάση μετατόπισης είναι ένα μικρό ανεπιθύμητο σφάλμα τάσης που εμφανίζεται στην είσοδο του ενισχυτή. Ακόμη και όταν τα δύο σήματα εισόδου είναι ίσα, ένας πραγματικός ενισχυτής μπορεί να παράγει ένα μικρό σφάλμα εξόδου λόγω εσωτερικής ανισορροπίας. Αυτό το σφάλμα γίνεται πιο σοβαρό κατά τη μέτρηση πολύ μικρών σημάτων, όπως οι έξοδοι αισθητήρων επιπέδου microvolt ή millivolt.
Μετατόπιση σημαίνει ότι η μετατόπιση ή το κέρδος αλλάζει καθώς η θερμοκρασία αλλάζει με την πάροδο του χρόνου. Αυτό έχει σημασία σε βιομηχανικά, αυτοκίνητα και κυκλώματα μέτρησης ακριβείας, επειδή ο ενισχυτής μπορεί να μην παραμένει σε μια σταθερή θερμοκρασία. Οι γενικοί ενισχυτές λειτουργίας μπορεί να είναι αποδεκτοί για βασική ρύθμιση σήματος, αλλά οι ενισχυτές ακριβείας και οι ενισχυτές οργάνων είναι καλύτεροι όταν η μετατόπιση και η μετατόπιση πρέπει να είναι πολύ χαμηλές. Για παράδειγμα, ορισμένοι ενισχυτές ακριβείας μηδενικής μετατόπισης μπορεί να έχουν τάση μετατόπισης στην περιοχή υπο-μικροβολτ και μετατόπιση μετατόπισης έως και 0.005 μV/°C, ανάλογα με τη συσκευή. Η οικογένεια ενισχυτών ακριβείας OPAx189 της TI είναι ένα παράδειγμα που παραθέτει πολύ χαμηλές τιμές μετατόπισης και μετατόπισης για μέτρηση σήματος ακριβείας.
Εύρος ζώνης, ρυθμός περιστροφής και απόκριση σήματος
Το εύρος ζώνης δείχνει το εύρος των συχνοτήτων που μπορεί να χειριστεί ένας ενισχυτής χωρίς μεγάλη απώλεια σήματος. Ο ρυθμός περιστροφής δείχνει πόσο γρήγορα μπορεί να αλλάξει η τάση εξόδου, συνήθως μετρούμενη σε V/μs. Αυτοί οι δύο παράγοντες καθορίζουν εάν ο ενισχυτής μπορεί να ακολουθήσει με ακρίβεια τα σήματα εισόδου που αλλάζουν γρήγορα. Εάν το εύρος ζώνης είναι πολύ χαμηλό, τα σήματα υψηλής συχνότητας γίνονται πιο αδύναμα. Εάν ο ρυθμός περιστροφής είναι πολύ χαμηλός, η έξοδος μπορεί να φαίνεται παραμορφωμένη όταν το σήμα αλλάζει γρήγορα.
Για τους ενισχυτές λειτουργίας, το εύρος ζώνης σχετίζεται συχνά με το προϊόν κέρδους-εύρους ζώνης. Αυτό σημαίνει ότι καθώς αυξάνεται το κέρδος κλειστού βρόχου, το χρησιμοποιήσιμο εύρος ζώνης συνήθως μειώνεται. Για παράδειγμα, εάν ένας λειτουργικός ενισχυτής ανάδρασης τάσης έχει γινόμενο εύρους ζώνης κέρδους 10 MHz, μπορεί να παρέχει εύρος ζώνης περίπου 10 MHz σε κέρδος 1, αλλά μόνο περίπου 1 MHz σε κέρδος 10, σε μια απλοποιημένη περίπτωση. Το προϊόν κέρδους κλειστού βρόχου και εύρους ζώνης είναι ένα βασικό στοιχείο αξίας για πολλούς ενισχυτές ανάδρασης τάσης.
Οι ενισχυτές διαφορικού και οργάνων έχουν επίσης όρια εύρους ζώνης, ειδικά σε υψηλότερο κέρδος. Οι ενισχυτές οργάνων είναι συχνά βελτιστοποιημένοι για ακρίβεια και απόρριψη θορύβου και όχι για πολύ υψηλή ταχύτητα, επομένως το εύρος ζώνης τους μπορεί να γίνει στενότερο καθώς αυξάνεται το κέρδος. Για γρήγορα σήματα, θα πρέπει να ελέγξετε τόσο το εύρος ζώνης όσο και τον ρυθμό περιστροφής στο φύλλο δεδομένων. Το εύρος ζώνης πλήρους ισχύος θα πρέπει συνήθως να είναι αρκετές φορές υψηλότερο από τη μέγιστη συχνότητα σήματος εξόδου για να αποφευχθεί η παραμόρφωση στα σχέδια ενισχυτών υψηλής ταχύτητας
Πραγματικές εφαρμογές κάθε τύπου ενισχυτή
Εφαρμογές Λειτουργικού Ενισχυτή
Οι λειτουργικοί ενισχυτές χρησιμοποιούνται ευρέως όταν ένα κύκλωμα χρειάζεται ευέλικτο έλεγχο σήματος. Μπορούν να ενισχύσουν σήματα ασθενούς τάσης, να αποθηκεύσουν ένα στάδιο κυκλώματος από ένα άλλο, να φιλτράρουν ανεπιθύμητες συχνότητες ή να προσαρμόσουν ένα σήμα πριν πάει σε ADC, μικροελεγκτή ή άλλο αναλογικό κύκλωμα. Επειδή το κέρδος και η λειτουργία ρυθμίζονται από εξωτερικά στοιχεία ανάδρασης, ένα IC op-amp μπορεί να υποστηρίξει πολλούς διαφορετικούς ρόλους κυκλώματος.
Ένα κοινό παράδειγμα είναι το LM358. Είναι ένας διπλός λειτουργικός ενισχυτής που χρησιμοποιείται συχνά σε αναλογικά κυκλώματα ευαίσθητα στο κόστος. Η Texas Instruments αναφέρει το LM358 ως έναν διπλό λειτουργικό ενισχυτή 30 V, 700 kHz, γεγονός που τον καθιστά κατάλληλο για γενική ρύθμιση σήματος, ενίσχυση χαμηλής συχνότητας, κυκλώματα διεπαφής αισθητήρων και βασικά συστήματα αναλογικού ελέγχου. Για παράδειγμα, ένα LM358 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση μιας μικρής τάσης αισθητήρα πριν διαβαστεί από έναν μικροελεγκτή ή μπορεί να λειτουργήσει ως buffer τάσης, ώστε το επόμενο στάδιο κυκλώματος να μην φορτώνει την πηγή σήματος.
Οι λειτουργικοί ενισχυτές είναι επίσης συνηθισμένοι σε ενεργά φίλτρα, προενισχυτές ήχου, ακόλουθους τάσης, ενισχυτές σφαλμάτων σε τροφοδοτικά και κυκλώματα ανίχνευσης σήματος που μοιάζουν με συγκριτές. Είναι συνήθως η καλύτερη επιλογή όταν το κύκλωμα χρειάζεται ευελιξία και όχι την υψηλότερη απόδοση μέτρησης ακριβείας.
Εφαρμογές διαφορικού ενισχυτή
Οι διαφορικοί ενισχυτές χρησιμοποιούνται όταν το κύκλωμα χρειάζεται να μετρήσει τη διαφορά μεταξύ δύο σημείων τάσης αντί να μετρήσει μία τάση σε σχέση με τη γείωση. Αυτό τα καθιστά χρήσιμα στην ανίχνευση ρεύματος, την αφαίρεση τάσης, την ισορροπημένη λήψη σήματος, την ανάδραση ελέγχου κινητήρα και τα κυκλώματα όπου εμφανίζεται ανεπιθύμητος θόρυβος και στις δύο γραμμές εισόδου. Εστιάζοντας στη διαφορά τάσης, ένας διαφορικός ενισχυτής μπορεί να μειώσει τον κοινόχρηστο θόρυβο και να εξάγει το χρήσιμο σήμα.
Ένα πραγματικό παράδειγμα IC είναι το AD8276 από την Analog Devices. Ο AD8276 είναι ένας ενισχυτής διαφοράς κέρδους μονάδας που έχει σχεδιαστεί για ρύθμιση σήματος ακριβείας σε εφαρμογές χαμηλής κατανάλωσης. Περιλαμβάνει εσωτερικές αντιστάσεις κομμένες με λέιζερ, οι οποίες συμβάλλουν στη βελτίωση της ακρίβειας απολαβής και της απόρριψης κοινής λειτουργίας σε σύγκριση με έναν απλό διαφορικό ενισχυτή διακριτής αντίστασης. Η Analog Devices αναφέρει τους AD8276/AD8277 ως ενισχυτές διαφοράς γενικής χρήσης με αναλογία απόρριψης κοινής λειτουργίας 86 dB και μετατόπιση χαμηλού κέρδους.
Σε πραγματικά κυκλώματα, μια συσκευή όπως το AD8276 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ανίχνευση ρεύματος, μέτρηση τάσης ακριβείας, μετατροπή ενός άκρου σε διαφορικό και ρύθμιση βιομηχανικού σήματος. Είναι χρήσιμο όταν ο σχεδιαστής χρειάζεται ακριβή αφαίρεση μεταξύ δύο σημάτων, αλλά δεν χρειάζεται την πλήρη απόδοση μέτρησης αισθητήρα ενός ενισχυτή οργάνων.
Εφαρμογές ενισχυτή οργάνων
Οι ενισχυτές οργάνων χρησιμοποιούνται όταν το κύκλωμα πρέπει να μετρήσει με ακρίβεια πολύ μικρά διαφορικά σήματα, ειδικά όταν υπάρχει θόρυβος. Είναι κοινά σε συστήματα αισθητήρων επειδή παρέχουν υψηλή αντίσταση εισόδου, σταθερό κέρδος και ισχυρή απόρριψη κοινής λειτουργίας. Αυτό βοηθά στην αποφυγή φόρτωσης ή παραμόρφωσης αδύναμων σημάτων αισθητήρα πριν από την ενίσχυση.
Ένα συνηθισμένο παράδειγμα είναι το INA333 από την Texas Instruments. Ο INA333 είναι ένας ενισχυτής οργάνων χαμηλής ισχύος, ακριβείας σχεδιασμένος για ακριβή μέτρηση σήματος. Η TI δηλώνει ότι χρησιμοποιεί σχεδιασμό ενισχυτή οργάνων τριών op-amp και ότι μια μόνο εξωτερική αντίσταση μπορεί να ρυθμίσει το κέρδος. Αυτό το καθιστά χρήσιμο για φορητές εφαρμογές και εφαρμογές που βασίζονται σε αισθητήρες όπου τα μικρά σήματα χρειάζονται καθαρή ενίσχυση.
Οι ενισχυτές οργάνων χρησιμοποιούνται συχνά με κυψέλες φορτίου, μετρητές τάσης, αισθητήρες γεφυρών, θερμοστοιχεία, αισθητήρες πίεσης, βιοϊατρικούς αισθητήρες και συστήματα απόκτησης δεδομένων. Για παράδειγμα, μια κυψέλη φορτίου μπορεί να παράγει μόνο ένα μικρό σήμα στάθμης millivolt όταν εφαρμόζεται βάρος. Ένας ενισχυτής οργάνων όπως ο INA333 μπορεί να ενισχύσει αυτό το μικρό διαφορικό σήμα ενώ απορρίπτει τον θόρυβο που λαμβάνεται από τα καλώδια του αισθητήρα.
Πραγματικό παράδειγμα επιλογής ενισχυτή
| Περίπτωση χρήσης συστήματος | Τύπος σήματος | Βασική απαίτηση | Προτεινόμενος ενισχυτής | Γιατί ταιριάζει |
|---|---|---|---|---|
| Ενισχυτής ήχου (μικρόφωνο σε ηχείο) | mV έως V (μονού άκρου) | Ευέλικτο κέρδος, μεγάλο εύρος ζώνης | Op-Amp (π.χ. TL072, LM358) | Χειρίζεται την ενίσχυση, το φιλτράρισμα και την προσωρινή αποθήκευση σήματος με απλό σχεδιασμό |
| Παρακολούθηση ρεύματος κινητήρα | mV (διακλάδωση, διαφορικό) | Απόρριψη θορύβου, ανοσία PWM | Διαφορικός ενισχυτής (π.χ. INA240) | Μετρά τη διαφορά τάσης και απορρίπτει τον θόρυβο μεταγωγής |
| Ιατρικό Σύστημα ΗΚΓ | μV (πολύ μικρό διαφορικό) | Υψηλή ακρίβεια, υψηλή CMRR | Ενισχυτής οργάνων (π.χ. AD8232) | Ενισχύει τα αδύναμα σήματα με ισχυρή απόρριψη θορύβου |
| Δυναμοκυψέλες / Σύστημα ζύγισης | mV (αισθητήρας γέφυρας) | Υψηλή αντίσταση εισόδου, σταθερό κέρδος | Ενισχυτής οργάνων (π.χ. INA333) | Αποτρέπει τη φόρτωση του αισθητήρα και εξασφαλίζει ακριβή μέτρηση |
| Έλεγχος ανάδρασης τροφοδοτικού | V (μονού άκρου) | Σταθερό κέρδος, γρήγορη απόκριση | Op-Amp | Χρησιμοποιείται ως ενισχυτής σφαλμάτων για ρύθμιση τάσης |
| Διεπαφή βιομηχανικού αισθητήρα | mV έως V (διαφορικό ή μονόπλευρο) | Ακρίβεια και χειρισμός θορύβου | Ενισχυτής Op-Amp ή Instrumentation | Η επιλογή εξαρτάται από την ισχύ του σήματος και το επίπεδο θορύβου |
| Ανίχνευση ρεύματος μπαταρίας | mV (διαφορικό χαμηλής ή υψηλής πλευράς) | Ακρίβεια, χαμηλή μετατόπιση | Διαφορικός ενισχυτής | Μετρά με ακρίβεια τη μικρή πτώση τάσης στην αντίσταση διακλάδωσης |
Συμπέρασμα
Οι λειτουργικοί ενισχυτές, οι διαφορικοί ενισχυτές και οι ενισχυτές οργάνων εξυπηρετούν διαφορετικές ανάγκες σήματος. Χρησιμοποιήστε έναν ενισχυτή λειτουργίας για ευέλικτη ενίσχυση, προσωρινή αποθήκευση, φιλτράρισμα και γενική ρύθμιση σήματος. Χρησιμοποιήστε έναν διαφορικό ενισχυτή όταν το κύκλωμα χρειάζεται να συγκρίνει δύο σημεία τάσης ή να μειώσει τον κοινό θόρυβο. Χρησιμοποιήστε έναν ενισχυτή οργάνων όταν μετράτε πολύ μικρά σήματα αισθητήρων που χρειάζονται υψηλή ακρίβεια, υψηλή αντίσταση εισόδου και ισχυρή απόρριψη θορύβου. Η επιλογή του σωστού ενισχυτή εξαρτάται από τον τύπο σήματος, το επίπεδο θορύβου, την ακρίβεια, την ταχύτητα και τις απαιτήσεις κυκλώματος.
