Tot nu toe hebben we slechts een van de ingangen van de operationele versterker gebruikt voor de verbinding met de versterker, waarbij we ofwel de “inverterende” ofwel de “niet-inverterende” ingang hebben gebruikt om een enkel ingangssignaal te versterken, waarbij de andere ingang met massa is verbonden.
Maar omdat een standaard operationele versterker twee ingangen heeft, inverterend en niet-inverterend, kunnen we ook signalen op beide ingangen tegelijk aansluiten en zo een ander type operationele versterkerschakeling produceren, een zogenaamde Differentiële Versterker.
Basically, as we saw in the first tutorial about operational amplifiers, all op-amps are “Differential Amplifiers” due to their input configuration. Maar door een spanningssignaal op een ingangsaansluiting aan te sluiten en een ander spanningssignaal op de andere ingangsaansluiting, zal de resulterende uitgangsspanning evenredig zijn met het “Verschil” tussen de twee ingangsspanningssignalen V1 en V2.
Dus differentiële versterkers versterken het verschil tussen twee spanningen, waardoor dit type operationele versterkerschakeling een subtractor is, in tegenstelling tot een somversterker die de ingangsspanningen optelt of sommeert. Dit type operationele versterkerschakeling is algemeen bekend als een Differentiële Versterker-configuratie en wordt hieronder getoond:
Differentiële versterker
Door elke ingang om beurten met 0v massa te verbinden kunnen we superpositie gebruiken om voor de uitgangsspanning Vout op te lossen. De overdrachtsfunctie voor een verschilversterkerschakeling wordt dan gegeven als:
Wanneer de weerstanden, R1 = R2 en R3 = R4 kan de bovenstaande overdrachtsfunctie voor de verschilversterker worden vereenvoudigd tot de volgende uitdrukking:
Vergelijking van de verschilversterker
Als alle weerstanden dezelfde ohmse waarde hebben, dat wil zeggen: R1 = R2 = R3 = R4 dan wordt de schakeling een Unity Gain Differentiaalversterker en is de spanningsversterking van de versterker precies één of unity. De uitgangswaarde is dan eenvoudig Vout = V2 – V1.
Ook moet worden opgemerkt dat als ingang V1 hoger is dan ingang V2, de som van de uitgangsspanning negatief zal zijn, en als V2 hoger is dan V1, de som van de uitgangsspanning positief zal zijn.
De verschilversterkerschakeling is een zeer nuttige op-amp schakeling en door meer weerstanden parallel aan de ingangsweerstanden R1 en R3 toe te voegen, kan de resulterende schakeling worden gemaakt om de spanningen die op hun respectieve ingangen worden toegepast te “Optellen” of “Aftrekken”. Een van de meest gebruikelijke manieren om dit te doen is door een “weerstandsbrug”, gewoonlijk een brug van Wheatstone genoemd, aan te sluiten op de ingang van de versterker, zoals hieronder getoond.
Whitstone Bridge Differentiële Versterker
De standaard differentiële versterkerschakeling wordt nu een differentiële spanningsvergelijker door de ene ingangsspanning te “vergelijken” met de andere. Door bijvoorbeeld één ingang aan te sluiten op een vaste spanningsreferentie op één poot van het weerstandsbrugnetwerk en de andere op een “thermistor” of een “lichtafhankelijke weerstand” kan de versterkerschakeling worden gebruikt om lage of hoge temperatuur- of lichtniveaus te detecteren, aangezien de uitgangsspanning een lineaire functie wordt van de veranderingen in de actieve poot van de weerstandsbrug en dit wordt hieronder gedemonstreerd.
Licht-geactiveerde verschilversterker
Hierboven fungeert de schakeling als een licht-schakelaar die het uitgangsrelais ofwel “AAN” ofwel “UIT” zet wanneer het door de LDR-weerstand gedetecteerde lichtniveau een vooraf ingestelde waarde overschrijdt of onderschrijdt. Een vaste spanningsreferentie wordt toegepast op de niet-inverterende ingangsklem van de op-amp via het R1 – R2 spanningsdeler netwerk.
De spanningswaarde op V1 bepaalt het uitschakelpunt van de op-amps met een teruggekoppelde potentiometer, VR2 gebruikt om de schakelhysterese in te stellen. Dat is het verschil tussen het lichtniveau voor “ON” en het lichtniveau voor “OFF”.
De tweede poot van de verschilversterker bestaat uit een standaard lichtafhankelijke weerstand, ook bekend als een LDR, fotoresistieve sensor die zijn weerstandswaarde (vandaar de naam) verandert met de hoeveelheid licht op zijn cel, aangezien hun weerstandswaarde een functie is van de verlichting.
De LDR kan elk standaardtype cadmiumsulfide (cdS) fotogeleidende cel zijn, zoals de gewone NORP12 die een weerstandsbereik heeft van ongeveer 500Ω bij zonlicht tot ongeveer 20kΩ of meer in het donker.
De NORP12 fotogeleidende cel heeft een spectrale respons die vergelijkbaar is met die van het menselijk oog, waardoor hij ideaal is voor gebruik in toepassingen voor verlichtingsregeling. De weerstand van de fotocel is evenredig met het lichtniveau en daalt met toenemende lichtintensiteit, zodat het spanningsniveau op V2 ook zal veranderen boven of onder het schakelpunt dat kan worden bepaald door de positie van VR1.
Dan door het aanpassen van het lichtniveau trip of set positie met behulp van potentiometer VR1 en de schakelhysterese met behulp van potentiometer, VR2 een precisie licht-gevoelige schakelaar kan worden gemaakt. Afhankelijk van de toepassing kan de output van de op-amp de belasting direct schakelen, of een transistorschakelaar gebruiken om een relais of de lampen zelf aan te sturen.
Het is ook mogelijk om temperatuur te detecteren met behulp van dit soort eenvoudige circuitconfiguratie door de lichtafhankelijke weerstand te vervangen door een thermistor. Door de posities van VR1 en de LDR te verwisselen, kan de schakeling worden gebruikt om licht of donker te detecteren, of warmte of koude met behulp van een thermistor.
Een belangrijke beperking van dit type versterkerontwerp is dat de ingangsimpedanties lager zijn vergeleken met die van andere operationele versterkerconfiguraties, bijvoorbeeld een niet-inverterende (single-ended ingang) versterker.
Elke ingangsspanningsbron moet stroom door een ingangsweerstand sturen, die minder totale impedantie heeft dan die van de ingang van de op-amps alleen. Dit kan goed zijn voor een bron met lage impedantie, zoals de brugschakeling hierboven, maar niet zo goed voor een bron met hoge impedantie.
Eén manier om dit probleem te ondervangen is het toevoegen van een Unity Gain Bufferversterker, zoals de spanningsvolger die we in de vorige tutorial hebben gezien, aan elke ingangsweerstand. Dit geeft ons dan een differentiële versterkerschakeling met zeer hoge ingangsimpedantie en lage uitgangsimpedantie, aangezien deze bestaat uit twee niet-inverterende buffers en één differentiële versterker. Dit vormt dan de basis voor de meeste “Instrumentatieversterkers”.
Instrumentatieversterker
Instrumentatieversterkers (in-amps) zijn differentiële versterkers met een zeer hoge versterking, die een hoge ingangsimpedantie hebben en een single ended uitgang. Instrumentatieversterkers worden hoofdzakelijk gebruikt om zeer kleine differentiële signalen van rekstrookjes, thermokoppels of stroommeettoestellen in motorbesturingssystemen te versterken.
In tegenstelling tot standaard operationele versterkers, waarbij de versterking wordt bepaald door een externe resistieve terugkoppeling tussen de uitgangsklem en één ingangsklem, positief of negatief, hebben instrumentatieversterkers een interne terugkoppelingsweerstand die effectief is geïsoleerd van de ingangsklemmen als het ingangssignaal wordt toegepast over twee differentiële ingangen, V1 en V2.
De instrumentatieversterker heeft ook een zeer goede common mode rejection ratio, CMRR (nuluitgang wanneer V1 = V2) van meer dan 100dB bij DC. Een typisch voorbeeld van een drie op-amp instrumentatieversterker met een hoge ingangsimpedantie ( Zin ) is hieronder gegeven:
Hoge ingangsimpedantie instrumentatieversterker
De twee nietinverterende versterkers vormen een differentiële ingangstrap die fungeert als bufferversterkers met een versterking van 1 + 2R2/R1 voor differentiële ingangssignalen en unity gain voor common mode ingangssignalen. Aangezien de versterkers A1 en A2 gesloten lusversterkers met negatieve terugkoppeling zijn, kunnen we verwachten dat de spanning op Va gelijk is aan de ingangsspanning V1.
Aangezien de op-amps geen stroom opnemen aan hun ingangsklemmen (virtuele aarde), moet dezelfde stroom vloeien door het netwerk van drie weerstanden R2, R1 en R2, dat over de uitgangen van de op-amp is aangesloten. Dit betekent dan dat de spanning aan de bovenzijde van R1 gelijk zal zijn aan V1 en de spanning aan de onderzijde van R1 gelijk aan V2.
Dit levert een spanningsval op over weerstand R1 die gelijk is aan het spanningsverschil tussen de ingangen V1 en V2, de differentiële ingangsspanning, omdat de spanning op het sommatieknooppunt van elke versterker, Va en Vb gelijk is aan de spanning die op zijn positieve ingangen staat.
Als echter een common-mode spanning op de ingangen van de versterker wordt gezet, zullen de spanningen aan beide zijden van R1 gelijk zijn, en zal er geen stroom door deze weerstand lopen. Omdat er geen stroom loopt door R1 (en dus ook niet door beide weerstanden R2), werken de versterkers A1 en A2 als unity-gain volgers (buffers). Aangezien de ingangsspanning aan de uitgangen van de versterkers A1 en A2 differentieel over het netwerk van drie weerstanden loopt, kan de differentiële versterking van de schakeling worden gevarieerd door alleen de waarde van R1 te veranderen.
De spanningsuitgang van de differentiële op-amp A3 die als subtractor werkt, is eenvoudigweg het verschil tussen zijn twee ingangen ( V2 – V1 ) en dat wordt versterkt door de versterking van A3 die één, eenheid, kan zijn (aannemende dat R3 = R4). Dan hebben we een algemene uitdrukking voor de totale spanningsversterking van de instrumentatieversterkerschakeling als:
Vergelijking instrumentatieversterker
In de volgende tutorial over Operationele Versterkers, onderzoeken we het effect van de uitgangsspanning, Vout, wanneer de terugkoppelweerstand wordt vervangen door een frequentie-afhankelijke reactantie in de vorm van een capaciteit. De toevoeging van deze terugkoppelcondensator levert een niet-lineaire operationele versterkerschakeling op die een integrerende versterker wordt genoemd.
