Aktyw Forum

Zarejestruj się na forum.ep.com.pl i zgłoś swój akces do Aktywu Forum. Jeśli jesteś już zarejestrowany wystarczy, że się zalogujesz.

Sprawdź punkty Zarejestruj się

Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Moderatorzy: Jacek Bogusz, Moderatorzy

Awatar użytkownika
leonow32
-
-
Posty: 108
Rejestracja: 10 maja 2011, o 15:56
Lokalizacja: Poznań

Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: leonow32 » 15 wrz 2013, o 12:03

Istnieją wynalazki, które są genialne w swojej prostocie. Wzmacniacz instrumentalny jest jednym z nich. Działa podobnie jak wzmacniacz różnicowy, jednak eliminuje jego wady, zachowując niewielki stopień skomplikowania. Wzmacniacze instrumentalne są bardzo szeroko stosowane w najróżniejszych urządzeniach pomiarowych ze względu na kilka bardzo pożądanych zalet, których inne wzmacniacze nie mają.

Największym plusem jest możliwość regulowania wzmocnienia przy zmianie zaledwie jednego rezystora! Wystarczy jeden zwykły potencjometr (najlepiej o charakterystyce logarytmicznej) by szybko zmieniać wzmocnienie w zależności od potrzeb. Ponadto, wzmacniacze instrumentalnie łatwo krzyżują się z układami cyfrowymi, dając zaskakujące możliwości. Przykładem takiej krzyżówki techniki analogowej i cyfrowej są wzmacniacze o wzmocnieniu regulowanym programowo. Są one bardzo powszechne - chociażby w nowszych AVR-ach można sobie ustalić wzmocnienie w przetworniku analogowo-cyfrowym. Istnieją scalone wzmacniacze instrumentalne z interfejsem I2C lub SPI, które można łatwo połączyć z dowolnym mikrokontrolerem. Idąc dalej tą drogą, możemy zbudować urządzenie pomiarowe, które będzie automatycznie zmieniać wzmocnienie i zakresy pomiarowe, by uzyskać zawsze najlepszą rozdzielczość pomiaru. Zatem problemy, które stosując tradycyjne układy były trudne do rozwiązania, przy zastosowaniu nowoczesnych wzmacniaczy stają się banalne. I to jest właśnie postęp techniki!

Kolejną zaletą jest wysoka rezystancja wejściowa, ponieważ sygnały podajemy prosto na wejścia układów scalonych, bez obciążania ich dodatkowymi rezystorami. Wzmacniacz instrumentalny ma także bardzo dobry współczynnik CMRR, czyli dobrze tłumi sygnał wspólny, wzmacniając jedynie różnice między sygnałami wejściowymi.

Zobaczmy schemat wzmacniacza instrumentalnego. Składa się z trzech wzmacniaczy operacyjnych oraz siedmiu rezystorów.

Obrazek

Rezystor Rv zaznaczony strzałką reguluje wzmocnienie. Im większa jest jego rezystancja, tym wzmocnienie jest mniejsze. Gdyby ten rezystor usunąć, pozostawiając przerwę w obwodzie, to wzmocnienie wyniesie 1 (wtedy wzmacniacze wejściowe staną się zwykłymi wtórnikami napięcia), a działanie układu ograniczy się jedynie do odejmowania sygnałów wejściowych.

Jak to działa? Zwróćmy uwagę, że rezystory R1-Rv-R1 tworzą dzielnik napięcia. Co możemy o nim powiedzieć? Co możemy uznać za pewnik? Zacznijmy od przypomnienia sobie pierwszej fundamentalnej zasady, która już wielokrotnie była przytaczana przy okazji omawiania innych wzmacniaczy operacyjnych:
Zasada 1 - wzmacniacz operacyjny tak oddziaływuje swoim wyjściem na wejście, poprzez ujemne sprzężenie zwrotne, by napięcia na wejściu odwracającym (-) i nieodwracającym (+) były sobie równe
Zatem jeśli napięcia na wejściach są równe, to napięcie na jednej nóżce Rv wynosi tyle, co V1, a na drugiej jest V2. Odejmując V1 i V2 dowiemy się, jakie napięcie panuje na Rv, a dalej, z prawa Ohma obliczymy jaki płynie przez niego prąd. Teraz przypomnijmy kolejną zasadę:
Zasada 2 - wejścia wzmacniacza nie pobierają prądu
Zatem prąd płynący przez Rv płynie również przez oba rezystory R1, powodując oczywiście powstanie napięć na ich nóżkach, zgodnie z prawem Ohma. Wykonując kilka prostych obliczeń możemy się dowiedzieć, jakie napięcia są na wyjściach górnego i dolnego wzmacniacza operacyjnego. A co z prawą stroną układu? To jest zwyczajny wzmacniacz różnicowy, opisany w poprzednim odcinku cyklu o wzmacniaczach.

Możemy dodać dodatkową regulację wzmocnienia, podobnie jak we wzmacniaczu różnicowym, nieznacznie modyfikując schemat i ustalając wartości R2 oraz R3. Dostajemy w ten sposób dodatkowy mnożnik lub dzielnik, w zależności co nam jest potrzebne.

Obrazek

Choć na schemacie widać trzy wzmacniacze operacyjne, tak naprawdę wzmacniaczy instrumentalnych nie buduje się z tradycyjnych wzmacniaczy operacyjnych i rezystorów. Kupuje się gotowy scalak, który to wszystko już ma w środku, z wyjątkiem oczywiście rezystora Rv. Zintegrowanie wszystkich elementów w jednej obudowie ma dodatkową zaletę - monolityczny kawałek krzemu jest zdecydowanie bardziej stabilny temperaturowo. Ponadto, rezystory w krzemie można trymować laserowo w fabryce scalaków, dzięki czemu są zdecydowanie bardziej precyzyjne niż zwykłe rezystory.

Jeden z czytelników chciał, bym zamieścił jakieś konkretne przykłady wzmacniaczy instrumentalnych. Nie ma problemu - oto jedne z nich. Prawdę mówiąc, jest ich całe mnóstwo i można godzinami przeglądać katalogi producentów.
:arrow: AD8221 - dobre parametry za niską cenę
:arrow: AD8222 - dwa wzmacniacze instrumentalne w jednej obudowie
:arrow: AD8226 - energooszczędny
:arrow: AD8220 - wejścia JFET
:arrow: AD8228 - dobra regulacja wzmocnienia
:arrow: AD8295 - dodatkowe dwa precyzyjne wzmacniacze operacyjne
:arrow: AD8429 - niskoszumny

Zaciekawił Cię temat wzmacniaczy operacyjnych? Zapraszam do przeczytania pozostałych moich artykułów. Warto je znać, nawet w dobie elektroniki cyfrowej :D
:arrow: Wtórnik napięcia
:arrow: Wzmacniacz odwracający
:arrow: Wzmacniacz nieodwracający
:arrow: Wzmacniacz różnicowy
:arrow: Wzmacniacz instrumentalny
:arrow: Źródło prądowe na wzmacniaczu operacyjnym
:arrow: Wzmacniacze operacyjne

Awatar użytkownika
rafal.220
-
-
Posty: 1274
Rejestracja: 27 paź 2012, o 15:46

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: rafal.220 » 15 wrz 2013, o 12:49

Oczywiście rozwiązanie bardzo ciekawe, zwłaszcza w przypadkach kiedy nie możemy sobie pozwolić na symetryczne zasilanie.. :)
Warto je znać, nawet w dobie elektroniki cyfrowej
Oczywiście, przecież współczesna elektronika bardzo często współpracuje z tą analogową. :)

Awatar użytkownika
MatyAS
-
-
Posty: 396
Rejestracja: 18 kwie 2007, o 21:37
Lokalizacja: warszawa
Kontaktowanie:

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: MatyAS » 15 wrz 2013, o 14:07

Przepraszam, co takiego niezwykłego w tym układzie?
http://obrazki.elektroda.pl/8087594200_ ... _thumb.jpg
W ten (lub bardzo podobny) sposób realizowane są wejścia mikrofonowe w większości mikserów... :?

Awatar użytkownika
Wojtek
-
-
Posty: 867
Rejestracja: 21 lut 2003, o 18:21

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: Wojtek » 15 wrz 2013, o 14:15

Oczywiście rozwiązanie bardzo ciekawe, zwłaszcza w przypadkach kiedy nie możemy sobie pozwolić na symetryczne zasilanie.
Ono jest ciekawe wcale nie z takiego powodu.
Idea wzmacniaczy pomiarowych jest powszechnie znana od dawna i równie powszechnie wykorzystywana np. we wzmacniaczach sygnałów biologicznych jak EKG czy EEG.
Przepraszam, co takiego niezwykłego w tym układzie?
Przecież autorowi tematu wcale nie chodzi o niezwykłość takiego układu :wink:

Awatar użytkownika
matiz
-
-
Posty: 324
Rejestracja: 1 kwie 2007, o 22:03
Lokalizacja: nagrywamy.com
Kontaktowanie:

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: matiz » 15 wrz 2013, o 14:39

Oczywiście rozwiązanie bardzo ciekawe, zwłaszcza w przypadkach kiedy nie możemy sobie pozwolić na symetryczne zasilanie.. :)
Ale taki układ tak samo jak zwykły wzmacniacz operacyjny wymaga albo nie wymaga symetrycznego zasilania... Zamieszczony na schemacie wymaga ;)

Awatar użytkownika
Wojtek
-
-
Posty: 867
Rejestracja: 21 lut 2003, o 18:21

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: Wojtek » 15 wrz 2013, o 15:09

Ale taki układ tak samo jak zwykły wzmacniacz operacyjny wymaga albo nie wymaga symetrycznego zasilania... Zamieszczony na schemacie wymaga ;)
Dokładnie tak, a gdyby miał być zasilany jednym napięciem to w miejsce punktu gdzie na schemacie jest masa (rezystor R3) powinno być podpięte np. wyjście wzmacniacza operacyjnego pracującego w układzie wtórnika napięcia, który podaje tam napięcie zasilające podzielone w zależności od potrzeb w jakimś stosunku np 1/2 czy 1/3.

Awatar użytkownika
rafal.220
-
-
Posty: 1274
Rejestracja: 27 paź 2012, o 15:46

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: rafal.220 » 15 wrz 2013, o 16:43

Ono jest ciekawe wcale nie z takiego powodu.
Idea wzmacniaczy pomiarowych jest powszechnie znana od dawna i równie powszechnie wykorzystywana np. we wzmacniaczach sygnałów biologicznych jak EKG czy EEG.
Jest, ponieważ nie we wszystkich kartach pomiarowych jest stosowany taki przedwzmacniacz scalony...
Tego typu wzmacniacze ułatwiają życie swoją elastycznością, oraz prostotą.
Cieszy mnie to, że lenow na forum przypomniał o tych "kostkach"...
Ale taki układ tak samo jak zwykły wzmacniacz operacyjny wymaga albo nie wymaga symetrycznego zasilania... Zamieszczony na schemacie wymaga
Różnica polega na tym, że w zwykłym wzmacniaczu masz więcej kombinacji z połączeniami zewnętrznymi..

Awatar użytkownika
matiz
-
-
Posty: 324
Rejestracja: 1 kwie 2007, o 22:03
Lokalizacja: nagrywamy.com
Kontaktowanie:

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: matiz » 15 wrz 2013, o 16:47

Ale taki układ tak samo jak zwykły wzmacniacz operacyjny wymaga albo nie wymaga symetrycznego zasilania... Zamieszczony na schemacie wymaga
Różnica polega na tym, że w zwykłym wzmacniaczu masz więcej kombinacji z połączeniami zewnętrznymi..
Hmmm... nie rozumiem?

Awatar użytkownika
rafal.220
-
-
Posty: 1274
Rejestracja: 27 paź 2012, o 15:46

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: rafal.220 » 15 wrz 2013, o 16:54

To sobie zaprojektuj układ na jednym i drugim a sam się przekonasz.
Po za tym weź sobie pod uwagę chociażby mikrofon nisko szumowy zasilany z linii +45V

Awatar użytkownika
matiz
-
-
Posty: 324
Rejestracja: 1 kwie 2007, o 22:03
Lokalizacja: nagrywamy.com
Kontaktowanie:

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: matiz » 15 wrz 2013, o 17:13

Nadal nie rozumiem, co to ma do możliwości czy łatwości niesymetrycznego zasilania?

Awatar użytkownika
Wojtek
-
-
Posty: 867
Rejestracja: 21 lut 2003, o 18:21

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: Wojtek » 15 wrz 2013, o 17:14

Ja odpadam :) - mnie wystarczy.

Awatar użytkownika
rafal.220
-
-
Posty: 1274
Rejestracja: 27 paź 2012, o 15:46

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: rafal.220 » 15 wrz 2013, o 17:32

Nadal nie rozumiem, co to ma do możliwości czy łatwości niesymetrycznego zasilania?
Po prostu mniej mi wychodzi elementów zewnętrznych oraz prostsza jest PCB... Teraz rozumiesz ?

Awatar użytkownika
Wojtek
-
-
Posty: 867
Rejestracja: 21 lut 2003, o 18:21

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: Wojtek » 15 wrz 2013, o 17:43

Oczywiście rozwiązanie bardzo ciekawe, zwłaszcza w przypadkach kiedy nie możemy sobie pozwolić na symetryczne zasilanie.. :)
Nadal nie rozumiem, co to ma do możliwości czy łatwości niesymetrycznego zasilania?
Po prostu mniej mi wychodzi elementów zewnętrznych oraz prostsza jest PCB... Teraz rozumiesz ?
matiz odpuść :lol: kolega rafal.220 trochę się że tak powiem zapętlił.

Awatar użytkownika
rafal.220
-
-
Posty: 1274
Rejestracja: 27 paź 2012, o 15:46

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: rafal.220 » 15 wrz 2013, o 19:13

matiz odpuść kolega rafal.220 trochę się że tak powiem zapętlił.
Nie zapętliłem, a jedynie liczyłem na domyślność. (sam wiesz, że w układach wzmacniaczy zasilanych jednym napięciem PCB jest bardziej skomplikowane, a tu część struktury znajduje się już w scalaku, z jednoczesnym zachowaniem dobrych parametrów)

Awatar użytkownika
MatyAS
-
-
Posty: 396
Rejestracja: 18 kwie 2007, o 21:37
Lokalizacja: warszawa
Kontaktowanie:

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: MatyAS » 15 wrz 2013, o 19:19

Ono jest ciekawe wcale nie z takiego powodu.
W takim razie przepraszam, że źle odczytałem przesłanie zawarte w pierwszym poście.
zasilany z linii +45V
Typowe napięcie fantoma to 48V.
http://pl.wikipedia.org/wiki/Zasilanie_Phantom
A dostosowanie do zasilania pojedynczym zasilaniem to raptem dorobienie układu sztucznej masy i (co zresztą i w zasilaniu symetrycznym też by się przydało) dołożenie pojemności blokujących przedostawanie się składowej stałej do sygnału użytecznego (o ile jest taka konieczność).

Awatar użytkownika
rafal.220
-
-
Posty: 1274
Rejestracja: 27 paź 2012, o 15:46

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: rafal.220 » 15 wrz 2013, o 21:01

Typowe napięcie fantoma to 48V.
Z tym że i sporo droższe podzespoły w układzie zasilania.

Sztuczna masa to standard, chodź w bardziej profesjonalnych mikrofonach stosuje się zasilanie przedwzmacniaczy +/- 15V. Z tąd to zasilanie 45V.

Co do wartości 48V, to owszem takowa jest w szeregu, lecz w gniazdach mikrofonowych występuje 45V (być może różni producenci mają różne standardy...)

Awatar użytkownika
matiz
-
-
Posty: 324
Rejestracja: 1 kwie 2007, o 22:03
Lokalizacja: nagrywamy.com
Kontaktowanie:

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: matiz » 15 wrz 2013, o 21:52

matiz odpuść kolega rafal.220 trochę się że tak powiem zapętlił.
Nie zapętliłem, a jedynie liczyłem na domyślność. (sam wiesz, że w układach wzmacniaczy zasilanych jednym napięciem PCB jest bardziej skomplikowane, a tu część struktury znajduje się już w scalaku, z jednoczesnym zachowaniem dobrych parametrów)
Co jest w scalaku, jaka część struktury, czego? Taki wzmacniacz przecież ma wejście odwracające i nieodwracające, które nie mogą przyjąć napięć większych od zasilającego, a przy pracy z napięciem zmiennym jakoś muszą być spolaryzowane, dokładnie tak samo jak w normalnym wzmacniaczu operacyjnym. Nie widzę tu żadnego "zysku"?

Dodano po namyśle:
w bardziej profesjonalnych mikrofonach stosuje się zasilanie przedwzmacniaczy +/- 15V. Z tąd to zasilanie 45V.

Co do wartości 48V, to owszem takowa jest w szeregu, lecz w gniazdach mikrofonowych występuje 45V (być może różni producenci mają różne standardy...)
Ciekawe teorie... ;)

Awatar użytkownika
rafal.220
-
-
Posty: 1274
Rejestracja: 27 paź 2012, o 15:46

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: rafal.220 » 15 wrz 2013, o 22:37

Co jest w scalaku, jaka część struktury, czego? Taki wzmacniacz przecież ma wejście odwracające i nieodwracające, które nie mogą przyjąć napięć większych od zasilającego, a przy pracy z napięciem zmiennym jakoś muszą być spolaryzowane, dokładnie tak samo jak w normalnym wzmacniaczu operacyjnym. Nie widzę tu żadnego "zysku"?
Poczytaj jeszcze trochę... (może znajdziesz odpowiedzi na swoje wątpliwości)
Ciekawe teorie...
.........

Awatar użytkownika
Wojtek
-
-
Posty: 867
Rejestracja: 21 lut 2003, o 18:21

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: Wojtek » 16 wrz 2013, o 05:02

Ono jest ciekawe wcale nie z takiego powodu.
W takim razie przepraszam, że źle odczytałem przesłanie zawarte w pierwszym poście.
Układ jako taki jest ciekawy ale nie z powodu sugerowanej przez kolegę rafal.220 łatwości zasilania niesymetrycznego :roll:
A przesłanie jest proste jak dla mnie i dlatego moderator powinien przesunąć temat do działu "Polecane linki".

Ehh widzę, że jak zwykle tutaj, z reklamy bloga, do której pretekstem był wzmacniacz pomiarowy opisywany zresztą w każdej dostępnej literaturze dotyczącej wzmacniaczy operacyjnych, kolega rafal.220 zaczyna idiotyczną dyskusję. Ja definitywnie już w niej nie biorę udziału :)

Kolego leonow32 nie jestem przeciwko twojemu blogowi, mało tego sam go innym chętnie polecam.

Awatar użytkownika
matiz
-
-
Posty: 324
Rejestracja: 1 kwie 2007, o 22:03
Lokalizacja: nagrywamy.com
Kontaktowanie:

Re: Wzmacniacze operacyjne i wzmacniacz instrumentalny

Postautor: matiz » 16 wrz 2013, o 07:24

Poczytaj jeszcze trochę... (może znajdziesz odpowiedzi na swoje wątpliwości)
Klasyka. Brak argumentów czyli wycieczki osobiste i niegrzeczne uwagi.
Pytanie jest proste - dlaczego łatwiej zasilać niesymetrycznie taki układ niż pojedynczy wzmacniacz operacyjny. Odpowiedzi nie znasz, jak widać, i słusznie, bo to nieprawda, tylko dlaczego się przy tym upierasz?

Wróć do „Elektronika - tematy dowolne”

Kto jest online

Użytkownicy przeglądający to forum: Google [Bot] i 134 gości