Использование оптоизолятора для изменения усиления операционного усилителя

11

Рассмотрим эту схему, которая является стандартным неинвертирующим усилителем с усилением A = 1+R1/R2.

Стандартный неинвертирующий усилитель с A = 1 + R1 / R2

Теперь я хочу иметь возможность динамически изменять это значение усиления, используя вывод микроконтроллера. Я придумал это решение, которое в основном изменяет значение резистора обратной связи, вставляя параллельно другой резистор:

Неинвертирующий усилитель с изменяемым усилением

Я думаю, что новое усиление (с включенным оптоизолятором)

A = 1 + (R1||R3)/R2
  = 1 + (R1 R3)/(R2(R1+R3))

Будет ли это решение работать так, как я задумал? Я особенно обеспокоен тем, что напряжение насыщения фототранзистора может как-то повлиять на операционный усилитель. Если да, есть ли альтернативное решение этой проблемы?

Гайер
источник
1
Интересный вопрос, и мне самому интересно получить ответ. Но вы узнаете больше всего, построив схему и протестировав результат, а затем обсудите результаты в вопросе, если вы их не понимаете или хотите улучшить реакцию.
Джиппи
2
Есть ли конкретная причина, по которой вам нужно изолировать MCU от операционного усилителя? Я спрашиваю, потому что мой обычный ответ будет использовать цифровой горшок или цифровой переключатель и некоторые резисторы, чтобы достичь того же результата.
Markt
Посмотрите на эту таблицу данных , в ней есть несколько интересных приложений. Он основан на полевом транзисторе с оптопарами, и его характеристики более благоприятны для переменного тока, чем для биполярного типа. Вам действительно нужна изоляция? Кстати, могут быть и другие варианты.
Джиппи
@markt: микроконтроллер фактически находится на другой плате, а плата с операционным усилителем имеет только источник питания 24 В. Кроме того, я хочу, чтобы схема была максимально простой, поэтому было бы лучше избегать использования дополнительных проводов для электропитания и т. Д. Но в любом случае спасибо за предложение, может быть, я укушу пулю и воспользуюсь вашим решением;)
Гейер
@jippie: Смотрите мой ответ на комментарий Маркта. Изоляция была бы хороша, но мне определенно любопытно другое решение. Тогда я бы добавил изоляцию в другом месте.
Гейер

Ответы:

7

Предположение : существует некоторая потребность в оптической изоляции между регулировкой усиления (выходной ток) и модулем усиления.

Вот упрощение подхода в вопросе, который удаляет любые транзисторы / полевые транзисторы из тракта обратной связи и обеспечивает аналоговый (непрерывный) диапазон коэффициентов усиления, сохраняя при этом оптоизоляцию. Используйте оптрон LDR, используемый в некоторых классических и DIY аудио усилители :

LDR опто

Для одноразовой или самодельной альтернативы используйте вместо этого дешевый и вездесущий светозависимый резистор CdS, соединенный с обычным светодиодом:

LDR

Схема, таким образом:

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Сопротивление управления усилением - это параллельная комбинация R1 и (R2 + R_LDR).

Изменяя либо коэффициент заполнения сигнала ШИМ, либо напряжение на выводе ЦАП микроконтроллера, интенсивность света светодиода изменяется. По мере того, как это увеличивается, сопротивление светодиода падает от очень высокого значения (т.е. незначительного влияния на расчет усиления), когда светодиод выключен, до низкого значения, когда светодиод работает почти на 100%.

Примечание . При использовании ШИМ частота ШИМ должна быть значительно выше, чем частотный диапазон сигнала. В противном случае ШИМ подключится к тракту сигнала, как указано @ pjc50.

Аниндо Гош
источник
Разве частота ШИМ не будет подключена к выходу?
pjc50
Это не имеет значения, если частота ШИМ находится в пределах звуковой частоты. LDR имеют очень медленный отклик, типичное время нарастания от 5 до 10 нс, поэтому они будут действовать как фильтры нижних частот.
Аниндо Гош
@ pjc50 На самом деле, позвольте мне исправить это: OP не указал, в каком частотном диапазоне находится сигнал для усиления. Таким образом, да, если частота ШИМ была в пределах или близко к желаемой полосе, и все же недостаточно высока для низкочастотного отклика LDR для включения, тогда будет подключение ШИМ к сигнальному тракту.
Аниндо Гош
5

Все предоставленные ответы более или менее работоспособны, но имеют некоторые недостатки:

  1. Все, но ответы Anindo Ghosh будут работать только с довольно низкими напряжениями или с небольшим диапазоном регулирования (ну или очень высокие нелинейные искажения).

  2. Решение с фоторезистором будет работать, но резистивные оптопары являются своего рода экзотическими элементами.

  3. Почти невозможно обеспечить какой-либо точный коэффициент усиления, и этот коэффициент будет зависеть от температуры.

Таким образом, такие схемы подходят только для схем AGC, где вторая обратная подача будет регулировать усиление до необходимых значений.

Если необходимо установить точное и надежное усиление, единственный метод работы состоит в том, чтобы использовать МОП-транзисторы, управляемые в режиме переключения (ВКЛ / ВЫКЛ), и обычные резисторы:

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

johnfound
источник
вместо дискретного полевого МОП-транзистора вы можете использовать четырехканальный аналоговый КМОП-коммутатор IC CD4066
yogece
1
@yogece Да, но это на самом деле не нужно, потому что у переключателей один конец заземлен. ИМО, можно использовать пакет из нескольких МОП-транзисторов малой мощности.
Джоннаунд
Пожалуйста.
Markt
2

Почему бы вам не использовать регулировку усиления от шины SPI от MCU: -

введите описание изображения здесь

Существуют и другие микросхемы управления усилением, которые могут активироваться аппаратными линиями, если вам не нравится SPI. Я широко использовал это устройство и могу ручаться за его полезность и точность.

Материал SPI не должен быть высокоскоростным и может быть изолирован, если он вам действительно нужен. Я пробежал 2 мегагерцовых SPI 10 метра с приличными драйверами, но довольно медленная скорость не будет проблемой.

Энди ака
источник
1

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Предполагая, что заземление вашего операционного усилителя и заземление вашего MCU идентичны, этот подход будет работать. Если нет, используйте оптопару для управления MOSFET. Вы также можете добавить несколько параллельных MOSFET (с отдельными линиями управления), чтобы получить несколько вариантов усиления.

Markt
источник
Вы поменяли входы операционного усилителя;). Но кроме этого, это интересный подход. Есть ли у быть МОП - транзистор, или будет биполярный одна работа, а?
Гейер
LOL даже не думал о входах ;-) MOSFET был бы лучше, потому что он будет представлять цепи (когда активен) как небольшое сопротивление к земле. Я подозреваю, что BJT будет выглядеть как текущий приемник, то есть он будет активно определять путь обратной связи с усилителем и мешать его работе. Хотя стоит попробовать на макете.
Маркет
@ pjc50: На мой взгляд, это решение не зависит от ШИМ-входа FET. Я не хочу использовать ШИМ в любом случае.
Гейер
К сожалению, этот комментарий был неправильным ответом!
pjc50
0

Я бы сказал, что лучшей идеей было бы использовать оптоизолятор для управления переключателем CMOS и использовать его для включения резистора. Подобное включение фототранзистора в петлю может привести к странным результатам.

alex.forencich
источник
0

Я отвечаю на свой вопрос здесь, потому что я принял совет Джиппи. Я построил схему на макете и провел измерения.

  • Электропитание: 5 В (7805)
  • Операционный усилитель: LM324
  • Оптоизолятор: SFH610A-3
  • R1: 21,7 К
  • R2: 9,83 К
  • R3: 21,8 К
  • Включен оптоизолятор с током 7,7 мА

При этих значениях резисторов ожидаемое усиление составляет 2,11.

Вот результаты измерений:

Vin     Vout measured   Vout Expected   Difference in %
0       0               0   
0.077   0.164           0.162           1.2
0.1     0.213           0.211           0.9
0.147   0.314           0.31            1.3
0.154   0.329           0.324           1.5
0.314   0.668           0.661           1.1
0.49    1.04            1.032           0.8
0.669   1.422           1.409           0.9
0.812   1.726           1.71            0.9
1       2.12            2.106           0.7
1.23    2.61            2.591           0.7
1.52    3.24            3.202           1.2
1.84    3.75            3.876           -3.3     |
2.1     3.75            4.423           -15.2    | (reached max output voltage)
2.54    3.75            5.35            -29.9    v

измерение

Кроме того, я измерил напряжение на R3 и опто-транзисторе, что позволило мне рассчитать значение резистора для транзистора. Это колебалось от 400 до 800 Ом, скорее всего из-за того, что у моего мультиметра были проблемы с измерением малых напряжений. Компенсация ожидаемого усиления путем добавления 600 Ом к R3 снижает разницу до 0,6% макс.

Итак, мой ответ: да, он будет работать так, как я ожидал, возможно, в основном из-за того, что токи настолько малы, что транзистор используется в линейной области. Я не ожидал бы таких же результатов, если бы используемые резисторы имели намного меньшее сопротивление.

Тем не менее, я изменил свою схему, чтобы использовать метод, предложенный Марктом и Джонаундом. Кажется более правильным.

Гайер
источник