Pojačala su elektronska kola koja povećavaju snagu signala, tako da se može efikasnije obrađivati, meriti ili prenositi. U analognim sistemima, signali iz senzora, audio izvora ili kontrolnih kola su često suviše slabi da bi se direktno koristili, tako da se pojačala koriste za povećanje nivoa napona, poboljšanje kvaliteta signala i pripremu signala za sledeću fazu. Operativni pojačala, diferencijalna pojačala, i instrumentacija pojačala svaki rukovanje signale na različite načine i koriste se u različitim situacijama. Ovaj članak upoređuje ova tri tipa pojačala, objašnjavajući kako oni rade, kako se razlikuju, i kako odabrati pravu za aplikacije u stvarnom svetu.
Šta je operativni pojačalo?
Operativno pojačalo, ili op-amp, je elektronsko pojačalo koje povećava razliku između dva ulazna napona i proizvodi jedan izlazni napon. Ima dva ulazna terminala: neinvertirajući ulaz (+) i invertirajući ulaz (-). Izlaz se menja na osnovu razlike napona između ova dva ulaza.
U praktičnim krugovima, op-amp se obično koristi sa spoljnim komponentama povratne sprege kao što su otpornici i kondenzatori. Ovi delovi kontrolišu dobitak, stabilnost, propusni opseg, i ukupno ponašanje kola. Osnovna ideja op-amp može se izraziti kao:
Vout = Aol(V+ − V−)
gde je Vout izlazni napon, Aol je dobitak otvorene petlje, V + je neinvertirajući ulazni napon, a V− je invertirajući ulazni napon. U realnim aplikacijama, veoma visok dobitak otvorene petlje se obično kontroliše negativnim povratnim informacijama, tako da kolo može da proizvede stabilan i predvidljiv izlaz.
Šta je diferencijalno pojačalo?
Diferencijalno pojačalo povećava razliku između dva ulazna napona i smanjuje signale koji se pojavljuju jednako na oba ulaza. Ovi jednaki signali se nazivaju signali zajedničkog režima. Zbog toga, diferencijalno pojačalo je korisno kada je važan signal razlika napona između dve tačke, a ne samo jedan signal mereno u odnosu na zemlju.
Osnovno diferencijalno pojačalo ima dva ulaza, često nazivaju V1 i V2, i jedan izlaz. Izlaz se menja na osnovu razlike između dva ulaza. Ako oba ulaza rastu ili padaju zajedno zbog buke ili smetnji, pojačalo pokušava da odbaci taj zajednički signal i samo pojača korisnu razliku.
Osnovna ideja se može izraziti kao:
Vout = Ad(V2 − V1)
gde je Vout izlazni napon, Ad je diferencijalni dobitak, a V2 − V1 je razlika napona između dva ulazna signala.
Šta je instrumentacija pojačalo?
Instrumentacija pojačalo je precizno pojačalo dizajniran da pojača veoma male diferencijalne signale dok odbacuje buku ili neželjene signale koji se pojavljuju jednako na oba ulaza. Obično se koristi kada signal dolazi iz senzora, jer mnogi senzori proizvode slabe promene napona kojima je potrebno precizno pojačanje pre obrade.
Instrumentacija pojačalo ima dva ulazna terminala i obično jedan izlazni terminal. Kao diferencijalno pojačalo, pojačava razliku između dva ulazna napona. Međutim, obezbeđuje veću ulaznu impedansu, bolje odbacivanje zajedničkog režima i stabilnije pojačanje od osnovnog diferencijalnog pojačala. Ovo pomaže u sprečavanju opterećenja senzora i poboljšava tačnost merenja.
Osnovna ideja se može izraziti kao:
Vout = G(V2 − V1)
gde je Vout izlazni napon, G je pojačalo pojačalo, a V2 − V1 je diferencijalni ulazni napon.
Op-amp protiv diferencijalnog pojačala protiv instrumentacije pojačalo
| Poredna tačka | Operativni pojačalo | Diferencijalno pojačalo | Instrumentacija pojačalo |
|---|---|---|---|
| Tip ulaza | Može se koristiti sa jednostranim ili diferencijalnim ulazom u zavisnosti od dizajna kola | Koristi dva ulazna signala i odgovara na njihovu razliku | Koristi dva ulazna signala i odgovara na njihovu razliku |
| Tip izlaza | Obično jednostruki izlaz | Obično jednostruki izlaz, ali postoje i potpuno diferencijalne verzije | Obično jednostruki izlaz, u zavisnosti od dizajna IC |
| Osnovna jednačina | Vout = Aol(V+ − V−) | Vout = Ad(V2 − V1) | Vout = G(V2 − V1) |
| Dobijte kontrolu | Dobitak se obično podešava spoljnim povratnim otpornicima | Dobitak je postavljen odnosima otpornika | Pojačanje se često postavlja jednim otpornikom za podešavanje pojačanja |
| Ulazna impedansa | Obično visoka, u zavisnosti od tipa i konfiguracije op-amp | Umeren do visok, ali osnovni dizajn otpornika može učitati izvor | Veoma visoka, što ga čini pogodnim za senzore |
| Nivo tačnosti | Opšte namene za preciznost, u zavisnosti od op-amp koristi | Umerena do dobra tačnost | Visoka tačnost |
| Greška ofseta | Zavisi od izabranog op-amp | Pogođen op-amp ofsetom i otpornikom neusklađenosti | Obično nizak ofset i nizak drift u preciznim modelima |
| Propusni opseg | Širok opseg, u zavisnosti od op-amp | Zavisi od op-amp, pojačanja i mreže otpornika | Često niži od opštih op-ampera pri visokom pojačanju |
| Složenost kola | Od jednostavnog do umerenog | Umereno | Umereno do visoko, ali jednostavno kada se koristi integrisani IC |
| Spoljne komponente | Povratni otpornici i drugi delovi u zavisnosti od konfiguracije | Zahteva tačno usklađene otpornike | Često je potreban samo otpornik za podešavanje pojačanja i nekoliko dijelova podrške |
| Osetljivost na podudaranje otpornika | Važno u kolima za podešavanje pojačanja | Veoma važno za tačnost dobijanja i CMRR | Manje teško za korisnike kada koriste integrisane IC-ove sa odgovarajućim otpornikom |
| Najbolja upotreba | Opšte pojačanje, filtriranje, baferovanje i analogna obrada signala | Merenje naponskih razlika između dve tačke | Precizno merenje signala senzora |
| Glavna prednost | Veoma fleksibilan i široko dostupan | Odbacuje zajedničke signale i meri razlike napona | Visoka preciznost, visoka ulazna impedansa i snažno odbacivanje u zajedničkom režimu |
| Glavno ograničenje | Nije uvek idealno za sitne senzorske signale bez dodatne brige o dizajnu | Tačnost zavisi od podudaranja otpornika i ulazne impedanse | Specijalizovaniji i može koštati više od osnovnih op-amp kola |
Ključni faktori performansi pojačala koje treba uzeti u obzir
Podešavanje pojačanja i tačnost pojačanja
Podešavanje pojačanja objašnjava kako se kontroliše izlazni dobitak pojačala, dok tačnost pojačanja objašnjava koliko je stvarni dobitak blizu očekivane vrednosti.
• U op-amp kolu, pojačanje se obično podešava spoljnim povratnim otpornicima. Na primer, ne-invertirajući op-amp koristi odnos otpornika oko putanje povratne sprege da podesite dobitak. To čini op-amperi veoma fleksibilan, jer isti uređaj može da se koristi za baferovanje, niski dobitak, visok dobitak, filtriranje, ili kondicioniranje signala.
• U diferencijalnom pojačalu, pojačanje takođe zavisi od odnosa otpornika, ali usklađivanje otpornika postaje kritičnije. Ako odnosi otpornika nisu blisko usklađeni, pojačalo može proizvesti grešku pojačanja i slabiji odbacivanje zajedničkog režima. Za precizne diferencijalne kola, dizajneri često koriste otpornike čvrste tolerancije, kao što su 0.1% ili 0.01% delova umesto standardnih 1% otpornika.
• U instrumentacijskom pojačalu, pojačanje se često postavlja jednim spoljnim otpornikom ili internom mrežom za podešavanje pojačanja, što olakšava postizanje stabilnog pojačanja u senzorskim i mernim krugovima. Analogni uređaji napominje da su op-amperi konfigurisani preko nekoliko spoljnih komponenti, dok su instrumentaciona pojačala obično konfigurisana za dobitak preko jednog otpornika ili izabratih slavina za pojačanje.
Odbijanje u zajedničkom režimu i odbacivanje buke
Common-mode odbacivanje opisuje koliko dobro pojačalo odbacuje signale koji se pojavljuju na oba ulaza u isto vreme. Ovo je važno jer stvarni krugovi često pokupe zajedničku buku iz dalekovoda, motora, prekidača napajanja, dugih senzorskih žica ili obližnjih digitalnih kola. Ako pojačalo ima loše odbacivanje zajedničkog režima, neki od tih neželjenih šumova mogu se pojaviti na izlazu i smanjiti tačnost signala.
• Op-pojačala mogu odbaciti signale zajedničkog režima, ali njihove stvarne performanse zavise od konfiguracije kola i dizajna povratnih informacija.
• Diferencijalno pojačalo je posebno napravljeno da pojača razliku između dva ulaza, ali njegov CMRR u velikoj meri zavisi od podudaranja otpornika. Ako mreža otpornika nije uravnotežena, odbacivanje buke u zajedničkom režimu postaje slabije.
• Instrumentacijska pojačala obično pružaju najjače odbacivanje u zajedničkom režimu jer su dizajnirana za male diferencijalne signale u bučnim okruženjima. U mnogim preciznim senzorskim aplikacijama, instrumentacijska pojačala mogu imati CMRR vrednosti oko 80 dB do preko 120 dB, u zavisnosti od pojačanja i tipa uređaja.
Zbog toga se često preferiraju za senzore mostova, termoelemente i medicinske ili industrijske merne signale. Analogni uređaji opisuje instrumentacije pojačala kao diferencijalno-ulazni dobitak blokova koji se obično koriste gde su potrebni visoka ulazna impedansa i zajedničkog režima odbacivanje.
Ulazna impedansa i učitavanje izvora
Ulazna impedansa pokazuje koliko pojačalo utiče na izvor signala. Visoka ulazna impedansa znači da pojačalo uzima vrlo malo struje iz izvora, tako da se originalni signal bolje čuva. Niska ulazna impedansa može da učita izvor, smanji izmereni napon i stvori grešku signala pre nego što pojačanje počne.
• Op-pojačala obično imaju visoku ulaznu impedansu, posebno CMOS i JFET-ulazne tipove. To ih čini korisnim za puferovanje napona i opšte kondicioniranje signala.
• Diferencijalna pojačala mogu imati nižu efektivnu ulaznu impedansu jer ulazni signal često prolazi kroz mreže otpornika. Ovo može postati problem kada je izvorni signal slab ili dolazi iz senzora visoke impedanse.
• Instrumentaciona pojačala obično obezbeđuju veoma visoku i uravnoteženu ulaznu impedansu na oba ulaza, što pomaže u sprečavanju opterećenja senzora.
Ofset, Drift, i tačnost merenja
Offset napon je mala neželjena greška napona koja se pojavljuje na ulazu pojačala. Čak i kada su dva ulazna signala jednaka, pravi pojačalo i dalje može proizvesti malu izlaznu grešku zbog unutrašnje neravnoteže. Ova greška postaje ozbiljnija kada se mere veoma male signale, kao što su izlazi senzora na nivou mikrovolta ili milivolta.
Drift znači ofset ili dobitak menja kako se temperatura menja tokom vremena. Ovo je važno u industrijskim, automobilskim i preciznim mernim krugovima, jer pojačalo ne može ostati na jednoj fiksnoj temperaturi. Opšti op-amperi mogu biti prihvatljivi za osnovno kondicioniranje signala, ali precizni op-amperi i instrumentacioni pojačala su bolji kada offset i drift moraju biti veoma niski. Na primer, neki off-drift precizni op-amperi mogu imati offset napon u sub-mikrovolt opsegu i offset drift kao niska kao 0.005 μV / °C, u zavisnosti od uređaja. TI OPAk189 porodica preciznih pojačala je jedan od primera koji navodi veoma niske vrednosti ofseta i drifta za precizno merenje signala.
Propusni opseg, brzina kretanja i odziv signala
Propusni opseg pokazuje opseg frekvencija pojačalo može da podnese bez većih gubitaka signala. Brzina prelaska pokazuje koliko brzo izlazni napon može da se promeni, obično mereno u V / μs. Ova dva faktora određuju da li pojačalo može tačno pratiti ulazne signale koji se brzo menjaju. Ako je propusni opseg prenizak, visokofrekventni signali postaju slabiji. Ako je brzina prelivanja je preniska, izlaz može izgledati iskrivljen kada se signal brzo menja.
Za op-ampera, propusni opseg se često odnosi na proizvod pojačanja. To znači da kako se povećava dobitak zatvorene petlje, upotrebljivi propusni opseg obično smanjuje. Na primer, ako napon-povratna op-amp ima dobitak-propusni opseg proizvod od 10 MHz, može da obezbedi oko 10 MHz propusni opseg na dobitak od 1, ali samo oko 1 MHz na dobitak od 10, u pojednostavljenom slučaju. Zatvorena petlja dobitak i propusni opseg proizvod je ključna figura zasluga za mnoge napona-povratne op-amps.
Diferencijalni i instrumentacioni pojačala takođe imaju granice propusnog opsega, posebno pri većem dobitku. Instrumentacija pojačala su često optimizovani za preciznost i odbacivanje buke, a ne veoma velike brzine, tako da njihov propusni opseg može postati uži kako se povećava dobitak. Za brze signale, trebalo bi da proverite i propusni opseg i brzinu prelaska u datasheetu. Propusni opseg pune snage obično treba da bude nekoliko puta veći od maksimalne frekvencije izlaznog signala kako bi se izbeglo izobličenje u dizajnu pojačala velike brzine
Primene u stvarnom svetu svakog tipa pojačala
Primene operativnog pojačala
Operativni pojačala se široko koriste kada je kolu potrebna fleksibilna kontrola signala. Oni mogu pojačati slabe naponske signale, puferirati jednu fazu kola od druge, filtrirati neželjene frekvencije ili podesiti signal pre nego što ode na ADC, mikrokontroler ili drugo analogno kolo. Jer dobitak i funkcija su postavljeni spoljnim komponentama povratne sprege, jedan op-amp IC može da podrži mnogo različitih uloga kola.
Uobičajeni primer je LM358. To je dvostruko operativno pojačalo koje se često koristi u analognim kolima osetljivim na troškove. Tekas Instruments navodi LM358 kao dvostruko, 30-V, 700-kHz operativno pojačalo, što ga čini pogodnim za opšte kondicioniranje signala, niskofrekventno pojačanje, senzorske krugove interfejsa i osnovne analogne kontrolne sisteme. Na primer, LM358 se može koristiti za pojačavanje malog napona senzora pre nego što ga čita mikrokontroler, ili može da deluje kao naponski bafer, tako da sledeća faza kola ne učitava izvor signala.
Operativni pojačala su takođe uobičajeni u aktivnim filterima, audio pretpojačala, napona sledbenika, pojačala grešaka u napajanju, i komparator-kao detektor signala kola. Oni su obično najbolji izbor kada je kolu potrebna fleksibilnost, a ne najveće performanse merenja preciznosti.
Diferencijalni pojačalo Aplikacije
Diferencijalni pojačala se koriste kada kolo treba da izmeri razliku između dve naponske tačke umesto merenja jednog napona u odnosu na zemlju. To ih čini korisnim u senzoru struje, oduzimanju napona, uravnoteženom prijemu signala, povratnim informacijama o kontroli motora i kolima u kojima se neželjena buka pojavljuje na obe ulazne linije. Fokusirajući se na razliku napona, diferencijalno pojačalo može smanjiti zajedničku buku i izvući koristan signal.
Pravi IC primer je AD8276 iz Analog Devices. AD8276 je jedinstvo-dobitak razlika pojačalo dizajniran za precizno kondicioniranje signala u aplikacijama male snage. To uključuje laserski tesan unutrašnje otpornike, što pomaže u poboljšanju tačnosti pojačanja i zajedničkog režima odbacivanja u poređenju sa jednostavnim diskretno-otpornik diferencijalnog pojačala. Analogni uređaji navodi AD8276 / AD8277 kao opšte namene razlika pojačala sa 86 dB odnosom odbacivanja u zajedničkom režimu i niskim pojačanje drift.
U stvarnim kolima, uređaj kao što je AD8276 može da se koristi za senzor struje, precizno merenje napona, single-ended-to-diferencijalnu konverziju, i industrijski signal kondicioniranje. Korisno je kada dizajner treba precizno oduzimanje između dva signala, ali ne treba punu performanse senzora-merenje instrumentacije pojačala.
Instrumentacija pojačalo Aplikacije
Instrumentacija pojačala se koriste kada kolo mora precizno meriti veoma male diferencijalne signale, posebno kada je prisutan šum. Oni su uobičajeni u senzorskim sistemima jer obezbeđuju visoku ulaznu impedansu, stabilan dobitak i snažno odbacivanje u zajedničkom režimu. Ovo pomaže u sprečavanju učitavanja ili iskrivljavanja slabih signala senzora pre pojačanja.
Uobičajeni primer je INA333 iz Tekas Instruments. INA333 je male snage, precizno instrumentaciono pojačalo dizajnirano za precizno merenje signala. TI navodi da koristi dizajn pojačala sa tri op-amp instrumentacije i da jedan spoljni otpornik može podesiti pojačanje. To ga čini korisnim za prenosive i senzorske aplikacije gde mali signali treba čisto pojačanje.
Instrumentacioni pojačavači se često koriste sa ćelijama opterećenja, mjeračima naprezanja, senzorima mostova, termoparovima, senzorima pritiska, biomedicinskim senzorima i sistemima za prikupljanje podataka. Na primer, ćelija opterećenja može proizvesti samo mali signal na nivou milivolta kada se primenjuje težina. Instrumentaciono pojačalo kao što je INA333 može pojačati taj mali diferencijalni signal dok odbacuje buku koju su pokupile žice senzora.
Pravi primer Izbor pojačala
| Slučaj korišćenja sistema | Tip signala | Ključni zahtev | Preporučeno pojačalo | Zašto se uklapa |
|---|---|---|---|---|
| Audio pojačalo (mikrofon na zvučnik) | mV do V (jednostruki) | Fleksibilan dobitak, širok propusni opseg | Op-Amp (npr. TL072, LM358) | Handles signal amplifikacija, filtriranje, i baferovanje sa jednostavnim dizajnom |
| Praćenje struje motora | mV (preko šanta, diferencijalni) | Odbacivanje buke, PWM imunitet | Diferencijalno pojačalo (npr, INA240) | Meri razliku napona i odbacuje prebacivanje buke |
| Medicinski EKG sistem | μV (vrlo mali diferencijal) | Visoka tačnost, visok CMRR | Instrumentacija pojačalo (npr, AD8232) | Pojačava slabe signale sa jakim odbacivanjem buke |
| Ćelija opterećenja / sistem za vaganje | mV (senzor mosta) | Visoka ulazna impedansa, stabilno pojačanje | Instrumentacija pojačalo (npr, INA333) | Sprečava opterećenje senzora i obezbeđuje precizno merenje |
| Povratna kontrola napajanja | V (jednostruki) | Stabilan dobitak, brz odziv | Op-Amp | Koristi se kao pojačalo greške za regulaciju napona |
| Industrijski senzorski interfejs | mV do V (diferencijalno ili jednostrano) | Tačnost i rukovanje bukom | Op-amp ili instrumentacija pojačalo | Izbor zavisi od jačine signala i nivoa buke |
| Senzor struje baterije | mV (niska strana ili visoka strana diferencijal) | Preciznost, nizak drift | Diferencijalno pojačalo | Precizno meri mali pad napona preko šant otpornika |
Zaključak
Operativni pojačala, diferencijalna pojačala, i instrumentacija pojačala svaki služi različite potrebe signala. Koristite op-amp za fleksibilno pojačanje, baferovanje, filtriranje i opšte kondicioniranje signala. Koristite diferencijalno pojačalo kada kolo treba da uporedi dve tačke napona ili smanjiti zajedničku buku. Koristite instrumentacijsko pojačalo prilikom merenja veoma malih senzorskih signala kojima je potrebna visoka preciznost, visoka ulazna impedansa i snažno odbacivanje buke. Izbor pravog pojačala zavisi od vrste signala, nivoa buke, tačnosti, brzine i zahteva kola.
