Do tej pory używaliśmy tylko jednego z wejść wzmacniacza operacyjnego do podłączenia do wzmacniacza, używając albo „odwracającego” albo „nieodwracającego” terminala wejściowego do wzmocnienia pojedynczego sygnału wejściowego z drugim wejściem podłączonym do masy.
Ale ponieważ standardowy wzmacniacz operacyjny ma dwa wejścia, odwracające i nieodwracające, możemy również podłączyć sygnały do obu tych wejść w tym samym czasie, tworząc inny popularny typ układu wzmacniacza operacyjnego zwany wzmacniaczem różnicowym.
Praktycznie, jak widzieliśmy w pierwszym tutorialu o wzmacniaczach operacyjnych, wszystkie op-ampy są „wzmacniaczami różnicowymi” ze względu na konfigurację ich wejść. Ale podłączając jeden sygnał napięciowy do jednego zacisku wejściowego i drugi sygnał napięciowy do drugiego zacisku wejściowego, wynikowe napięcie wyjściowe będzie proporcjonalne do „różnicy” pomiędzy dwoma wejściowymi sygnałami napięciowymi V1 i V2.
Wzmacniacze różnicowe wzmacniają różnicę pomiędzy dwoma napięciami, co sprawia, że ten typ wzmacniacza operacyjnego jest wzmacniaczem odejmującym, w przeciwieństwie do wzmacniacza sumującego, który dodaje lub sumuje razem napięcia wejściowe. Ten typ układu wzmacniacza operacyjnego jest powszechnie znany jako konfiguracja wzmacniacza różnicowego i jest pokazany poniżej:
Wzmacniacz różnicowy
Podłączając każde wejście po kolei do masy 0v możemy użyć superpozycji do rozwiązania problemu napięcia wyjściowego Vout. Wtedy funkcja przenoszenia dla układu wzmacniacza różnicowego jest dana jako:
Gdy rezystory, R1 = R2 i R3 = R4 powyższa funkcja przenoszenia dla wzmacniacza różnicowego może być uproszczona do następującego wyrażenia:
Równanie wzmacniacza różnicowego
Jeśli wszystkie rezystory mają taką samą wartość omową, czyli: R1 = R2 = R3 = R4 wówczas układ stanie się wzmacniaczem różnicowym o wzmocnieniu równym jedności (Unity Gain Differential Amplifier) i wzmocnienie napięciowe wzmacniacza będzie wynosiło dokładnie jeden lub jedność. Wówczas wyrażenie wyjściowe będzie po prostu Vout = V2 – V1.
Zauważ również, że jeśli wejście V1 jest wyższe niż wejście V2, suma napięcia wyjściowego będzie ujemna, a jeśli V2 jest wyższe niż V1, suma napięcia wyjściowego będzie dodatnia.
Obwód wzmacniacza różnicowego jest bardzo użytecznym obwodem op-ampa i przez dodanie większej ilości rezystorów równolegle z rezystorami wejściowymi R1 i R3, obwód wynikowy może być wykonany tak, aby albo „dodawać” albo „odejmować” napięcia przyłożone do ich odpowiednich wejść. Jednym z najczęstszych sposobów jest podłączenie „mostka rezystancyjnego”, zwanego potocznie mostkiem Wheatstone’a, do wejścia wzmacniacza, jak pokazano poniżej.
Wzmacniacz różnicowy z mostkiem Wheatstone’a
Standardowy układ wzmacniacza różnicowego staje się teraz komparatorem napięcia różnicowego poprzez „porównywanie” jednego napięcia wejściowego z drugim. Na przykład, poprzez podłączenie jednego wejścia do stałego napięcia odniesienia ustawionego na jednej nodze mostka rezystancyjnego, a drugiego do „termistora” lub „rezystora zależnego od światła”, obwód wzmacniacza może być użyty do wykrywania niskich lub wysokich poziomów temperatury lub światła, ponieważ napięcie wyjściowe staje się liniową funkcją zmian w aktywnej nodze mostka rezystancyjnego, co zostało zademonstrowane poniżej.
Wzmacniacz różnicowy aktywowany światłem
Tutaj powyższy układ działa jak przełącznikktóry włącza lub wyłącza przekaźnik wyjściowy, gdy poziom światła wykrywany przez rezystor LDR przekracza lub spada poniżej ustawionej wartości. Stałe napięcie odniesienia jest przyłożone do nieodwracającego zacisku wejściowego op-ampa poprzez sieć dzielnika napięcia R1 – R2.
Wartość napięcia na V1 ustawia punkt zadziałania op-ampa z potencjometrem zwrotnym, VR2 używanym do ustawienia histerezy przełączania. Jest to różnica pomiędzy poziomem światła dla „ON” a poziomem światła dla „OFF”.
Druga nóżka wzmacniacza różnicowego składa się ze standardowego rezystora zależnego od światła, znanego również jako LDR, czujnika fotorezystancyjnego, który zmienia swoją wartość rezystancyjną (stąd jego nazwa) wraz z ilością światła padającego na jego komórkę, ponieważ ich wartość rezystancyjna jest funkcją oświetlenia.
LDR może być dowolnym standardowym typem ogniwa fotoprzewodzącego z siarczku kadmu (cdS), takim jak popularny NORP12, który ma zakres rezystywności od około 500Ω w świetle słonecznym do około 20kΩ lub więcej w ciemności.
Pojedyncze ogniwo fotoprzewodzące NORP12 ma odpowiedź spektralną podobną do odpowiedzi ludzkiego oka, co czyni je idealnym do użycia w aplikacjach typu kontrola oświetlenia. Rezystancja fotokomórki jest proporcjonalna do natężenia światła i spada wraz ze wzrostem natężenia światła, dlatego poziom napięcia na V2 będzie się również zmieniał powyżej lub poniżej punktu przełączania, który można określić przez położenie VR1.
Potem poprzez regulację wyzwalacza poziomu światła lub pozycji nastawy za pomocą potencjometru VR1 i histerezy przełączania za pomocą potencjometru VR2 można stworzyć precyzyjny przełącznik światłoczuły. W zależności od zastosowania, wyjście z op-ampa może bezpośrednio przełączać obciążenie, lub użyć przełącznika tranzystorowego do sterowania przekaźnikiem lub samymi lampami.
Możliwe jest również wykrywanie temperatury przy użyciu tego typu prostej konfiguracji układu poprzez zastąpienie rezystora zależnego od światła termistorem. Poprzez zmianę pozycji VR1 i LDR, układ może być użyty do wykrywania światła lub ciemności, ciepła lub zimna za pomocą termistora.
Jednym z głównych ograniczeń tego typu wzmacniaczy jest to, że ich impedancje wejściowe są niższe w porównaniu do innych konfiguracji wzmacniaczy operacyjnych, na przykład wzmacniacza nieodwracającego (single-ended input).
Każde źródło napięcia wejściowego musi napędzać prąd przez rezystancję wejściową, która ma mniejszą całkowitą impedancję niż impedancja samego wejścia op-ampa. Może to być dobre dla źródeł o niskiej impedancji, takich jak powyższy obwód mostkowy, ale nie jest tak dobre dla źródeł o wysokiej impedancji.
Jednym ze sposobów na pokonanie tego problemu jest dodanie do każdego rezystora wejściowego wzmacniacza buforowego o jedności wzmocnienia, takiego jak wzmacniacz podążający za napięciem, o którym była mowa w poprzednim poradniku. To daje nam układ wzmacniacza różnicowego o bardzo wysokiej impedancji wejściowej i niskiej impedancji wyjściowej, ponieważ składa się on z dwóch nieodwracających buforów i jednego wzmacniacza różnicowego. To stanowi podstawę dla większości „wzmacniaczy instrumentalnych”.
Wzmacniacz instrumentalny
Wzmacniacze instrumentalne (in-amps) są wzmacniaczami różnicowymi o bardzo wysokim wzmocnieniu, które mają wysoką impedancję wejściową i pojedynczy koniec na wyjściu. Wzmacniacze instrumentalne są głównie używane do wzmacniania bardzo małych sygnałów różnicowych z tensometrów, termopar lub czujników prądu w systemach sterowania silnikiem.
W odróżnieniu od standardowych wzmacniaczy operacyjnych, w których wzmocnienie pętli zamkniętej jest określane przez zewnętrzne sprzężenie zwrotne o charakterze rezystancyjnym, podłączone między ich zaciskiem wyjściowym a jednym zaciskiem wejściowym, dodatnim lub ujemnym, „wzmacniacze instrumentalne” posiadają wewnętrzny rezystor sprzężenia zwrotnego, który jest skutecznie odizolowany od ich zacisków wejściowych, ponieważ sygnał wejściowy jest podawany przez dwa wejścia różnicowe, V1 i V2.
Wzmacniacz oprzyrządowania ma również bardzo dobry współczynnik odrzucania sygnału wspólnego (common mode rejection ratio, CMRR) (zero na wyjściu, gdy V1 = V2) znacznie przekraczający 100dB przy DC. Typowy przykład wzmacniacza instrumentacyjnego z trzema op-ampami o wysokiej impedancji wejściowej ( Zin ) jest podany poniżej:
Wzmacniacz przyrządowy o wysokiej impedancji wejściowej
Dwa wzmacniacze nieodwracające.Dwa wzmacniacze nieodwracające tworzą różnicowy stopień wejściowy działający jako wzmacniacze buforowe o wzmocnieniu 1 + 2R2/R1 dla różnicowych sygnałów wejściowych i o wzmocnieniu równym jedności dla sygnałów wejściowych typu common mode. Ponieważ wzmacniacze A1 i A2 są wzmacniaczami z zamkniętą pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego, możemy oczekiwać, że napięcie na Va będzie równe napięciu wejściowemu V1. Podobnie, napięcie na Vb będzie równe wartości na V2.
Jako że op-ampy nie pobierają prądu na swoich zaciskach wejściowych (wirtualna masa), ten sam prąd musi płynąć przez sieć trzech rezystorów R2, R1 i R2 podłączonych do wyjść op-ampów. Oznacza to, że napięcie na górnym końcu R1 będzie równe V1, a napięcie na dolnym końcu R1 będzie równe V2.
Wytwarza to spadek napięcia na rezystorze R1, który jest równy różnicy napięć między wejściami V1 i V2, różnicowemu napięciu wejściowemu, ponieważ napięcie na złączu sumującym każdego wzmacniacza, Va i Vb, jest równe napięciu przyłożonemu do jego dodatnich wejść.
Jeśli jednak do wejść wzmacniaczy zostanie przyłożone napięcie typu common-mode, napięcia po obu stronach R1 będą równe i przez ten rezystor nie popłynie żaden prąd. Ponieważ przez R1 (a więc i przez oba rezystory R2) nie płynie żaden prąd, wzmacniacze A1 i A2 będą pracowały jako wzmacniacze o jednolitym wzmocnieniu (bufory). Ponieważ napięcie wejściowe na wyjściach wzmacniaczy A1 i A2 pojawia się w sposób zróżnicowany na sieci trzech rezystorów, wzmocnienie różnicowe układu może być zmieniane poprzez zmianę wartości R1.
Napięcie wyjściowe z opampa różnicowego A3 działającego jako odejmowacz, jest po prostu różnicą pomiędzy jego dwoma wejściami ( V2 – V1 ) i które jest wzmacniane przez wzmocnienie A3, które może wynosić jeden, jedność, (zakładając, że R3 = R4). Wtedy mamy ogólne wyrażenie na ogólne wzmocnienie napięciowe układu wzmacniacza instrumentacyjnego jako:
Równanie wzmacniacza instrumentalnego
W kolejnym tutorialu o wzmacniaczach operacyjnych, zbadamy wpływ napięcia wyjściowego, Vout, gdy rezystor sprzężenia zwrotnego zostanie zastąpiony zależną od częstotliwości reaktancją w postaci pojemności. Dodanie tej pojemności sprzężenia zwrotnego powoduje powstanie nieliniowego układu wzmacniacza operacyjnego, zwanego wzmacniaczem całkującym.
