Penguat keuntungan yang dapat diprogramkan menggunakan mosfet dan transistor

Dalam industri pengukuran, blok fungsional yang sangat penting adalah Programmable Gain Amplifier (PGA). Sekiranya anda peminat elektronik atau pelajar kolej, anda mungkin pernah melihat multimeter atau osiloskop mengukur voltan yang sangat kecil kerana litar ini mempunyai PGA bawaan di samping ADC kuat yang membantu proses pengukuran yang tepat.

Pada masa ini, penguat PGA di luar rak menawarkan penguat berasaskan op-amp, bukan pembalik dengan faktor keuntungan yang dapat diprogramkan oleh pengguna. Peranti jenis ini mempunyai impedans input yang sangat tinggi, lebar jalur lebar, dan rujukan voltan input yang boleh dipilih yang dimasukkan ke dalam IC. Tetapi semua ciri ini mempunyai kos, dan bagi saya, tidak semestinya meletakkan chip yang mahal untuk aplikasi generik.

Oleh itu, untuk mengatasi situasi ini, saya telah membuat susunan yang terdiri daripada Op-amp, MOSFET, dan Arduino, di mana saya dapat mengubah keuntungan op-amp secara terprogram. Oleh itu, dalam tutorial ini, saya akan menunjukkan kepada anda cara membina Penguat Gain yang Dapat Diprogramkan sendiri dengan op-amp LM358 dan MOSFETS, dan saya akan membincangkan beberapa kebaikan dan keburukan litar di samping ujian.

Asas Op-Amp

Untuk memahami cara kerja litar ini, sangat penting untuk mengetahui bagaimana penguat operasi berfungsi. Ketahui lebih lanjut mengenai Op-amp dengan mengikuti litar penguji op-amp ini.

Dalam gambar di atas, anda dapat melihat penguat operasi. Tugas asas penguat adalah memperkuat isyarat input, di samping penguat, op-amp juga dapat melakukan pelbagai operasi seperti jumlah, membezakan, mengintegrasikan, dll. Ketahui lebih lanjut mengenai penjumlahan penjumlahan dan penguat pembezaan di sini.

Op-amp hanya mempunyai tiga terminal. Terminal dengan tanda (+) disebut input bukan pembalik, dan terminal dengan tanda (-) disebut input terbalik. Selain dua terminal ini, terminal ketiga adalah terminal output.

Op-amp hanya mengikuti dua peraturan

Tiada arus mengalir masuk atau keluar dari input op-amp.
Op-amp cuba mengekalkan input pada tahap voltan yang sama.

Oleh itu, dengan kedua-dua peraturan tersebut dibersihkan, kita dapat menganalisis litar di bawah. Juga, ketahui lebih lanjut mengenai Op-amp dengan melalui pelbagai rangkaian berasaskan Op-amp.

Penguat Keuntungan Boleh Diprogramkan

Gambar di atas memberi anda idea asas mengenai susunan litar Penguat PGA crud saya. Dalam litar ini, op-amp dikonfigurasikan sebagai penguat bukan pembalik, dan seperti yang kita semua tahu dengan susunan litar non-pembalik, kita dapat mengubah keuntungan op-amp dengan mengubah perintang maklum balas atau perintang input, seperti yang anda lihat dari susunan litar di atas, saya hanya perlu menukar MOSFET satu demi satu untuk mengubah keuntungan op-amp.

Di bahagian ujian, saya hanya menukar MOSFET satu demi satu dan membandingkan nilai yang diukur dengan nilai praktikal, dan anda dapat melihat hasilnya di bahagian "menguji litar" di bawah.

Komponen Diperlukan

Arduino Nano - 1
LM358 IC - 1
Pengatur LM7805 - 1
Transistor NPN Generik BC548 - 2
BS170 Generic N-channel MOSFET - 2
200K Perintang - 1
Perintang 50K - 2
Perintang 24K - 2
Perintang 6.8K - 1
Perintang 1K - 4
Perintang 4.7K - 1
220R, 1% Perintang - 1
Tactile Switch Generic - 1
Amber LED 3mm - 2
Generik Papan Roti - 1
Jumper Wayar Generik - 10
Bekalan Kuasa ± 12V - 1

Gambarajah skematik

Untuk demonstrasi Programmable Gain Amplifier, litar dibina pada papan roti tanpa solder dengan bantuan skema; Untuk mengurangkan induktansi dan kapasitansi parasit dalaman papan roti, semua komponen diletakkan sedekat mungkin.

Dan jika anda tertanya-tanya mengapa terdapat sekumpulan wayar di papan roti saya? izinkan saya memberitahu anda bahawa untuk membuat sambungan tanah yang baik kerana sambungan tanah dalaman di papan roti sangat buruk.

Di sini op-amp di litar dikonfigurasikan sebagai penguat bukan pembalik dan voltan input dari pengatur voltan 7805 adalah 4.99V.

Nilai yang diukur untuk perintang R6 adalah 6.75K dan R7 adalah 220.8R kedua perintang ini membentuk pembahagi voltan yang digunakan untuk menghasilkan voltan ujian input untuk op-amp. The Perintang R8 dan R9 digunakan untuk menghadkan arus tapak input transistor T3 dan T4. The perintang R10 dan R11 digunakan untuk menghadkan kelajuan pensuisan daripada MOSFET T1 & T2, jika tidak, ia boleh menyebabkan ayunan dalam litar.

Dalam blog ini, saya ingin menunjukkan kepada anda alasan untuk menggunakan MOSFET daripada BJT, oleh itu susunan litar.

Kod Arduino untuk PGA

Di sini Arduino Nano digunakan untuk mengendalikan pangkal transistor dan gerbang MOSFET, dan multimeter digunakan untuk menunjukkan tahap voltan kerana ADC bawaan Arduino melakukan pekerjaan yang sangat buruk, ketika mengukur rendah tahap voltan.

Kod Arduino lengkap untuk projek ini diberikan di bawah. Oleh kerana ini adalah kod Arduino yang sangat mudah, kita tidak perlu memasukkan perpustakaan. Tetapi kita perlu menentukan beberapa pemalar dan pin input seperti yang ditunjukkan dalam kod.

The setup tidak sah () adalah blok fungsi utama di mana membaca dan menulis operasi untuk semua input dan output dilaksanakan sebagai satu keperluan.

#define BS170_WITH_50K_PIN 9 #tentukan BS170_WITH_24K_PIN 8 #tentukan BC548_WITH_24K_PIN 7 #tentukan BC548_WITH_50K_PIN 6 #tentukan BUTTON_PIN 5 #tentukan LED_PIN1 2_definisi_Perhatian_Perhatian_Perhatian_Perhatian_Perhatian_Perhatian_Perhatian_ int debounce_counter = 0; batal persediaan () {pinMode (BS170_WITH_50K_PIN, OUTPUT); pinMode (BS170_WITH_24K_PIN, OUTPUT); pinMode (BC548_WITH_24K_PIN, OUTPUT); pinMode (BC548_WITH_50K_PIN, OUTPUT); pinMode (LED_PIN1, OUTPUT); pinMode (LED_PIN2, OUTPUT); pinMode (BUTTON_PIN, INPUT); } gelung void () {bool val = digitalRead (BUTTON_PIN); // baca nilai input jika (val == RENDAH) {debounce_counter ++; jika (debounce_counter> PRESSED_CONFIDENCE_LEVEL) {debounce_counter = 0; button_is_pressed ++; } jika (button_is_pressed == 0) {digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, TINGGI); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, RENDAH);digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, RENDAH); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, RENDAH); digitalWrite (LED_PIN1, RENDAH); digitalWrite (LED_PIN2, RENDAH); } jika (button_is_pressed == 2) {digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, TINGGI); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, RENDAH); digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, RENDAH); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, RENDAH); digitalWrite (LED_PIN1, RENDAH); digitalWrite (LED_PIN2, TINGGI); } jika (button_is_pressed == 3) {digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, TINGGI); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, RENDAH); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, RENDAH); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, RENDAH); digitalWrite (LED_PIN1, TINGGI); digitalWrite (LED_PIN2, TINGGI); } jika (button_is_pressed == 1) {digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, TINGGI); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, RENDAH); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, RENDAH); digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, RENDAH); digitalWrite (LED_PIN1, TINGGI);digitalWrite (LED_PIN2, RENDAH); } jika (button_is_pressed> = 4) {button_is_pressed = 0; }}}

Pengiraan untuk Penguat Keuntungan yang Dapat Diprogramkan

Nilai yang diukur untuk litar penguat PGA ditunjukkan di bawah.

Vin = 4.99V R7 = 220.8 Ω R6 = 6.82 KΩ R5 = 199.5K R4 = 50.45K R3 = 23.99K R2 = 23.98K R1 = 50.5K

Catatan! Nilai-nilai perintang yang diukur ditunjukkan kerana dengan nilai-nilai perintang yang diukur kita dapat membandingkan nilai teori dan nilai praktikal dengan teliti.

Sekarang pengiraan dari kalkulator pembahagi voltan ditunjukkan di bawah,

Keluaran pembahagi voltan ialah 0.1564V

Mengira keuntungan penguat bukan pembalik untuk 4 perintang

Vout apabila R1 adalah perintang terpilih

Vout = (1+ (199.5 / 50.5)) * 0.1564 = 0.77425V

Vout apabila R2 adalah perintang terpilih

Vout = (1+ (199.5 / 23.98)) * 0.1564 = 1.45755V

Vout apabila R3 adalah perintang terpilih

Vout = (1+ (199.5 / 23.99)) * 0.1564 = 1.45701V

Vout apabila R4 adalah perintang terpilih

Vout = (1+ (199.5 / 50.45)) * 0.1564 = 0.77486V

Saya melakukan semua itu untuk membandingkan nilai teori dan praktikal sedekat mungkin.

Dengan semua pengiraan selesai, kita dapat beralih ke bahagian ujian.

Pengujian Litar Amplifier Gain yang Dapat Diprogramkan

Gambar di atas menunjukkan voltan keluaran semasa MOSFET T1 dihidupkan, oleh itu arus mengalir melalui Resistor R1.

Gambar di atas menunjukkan voltan keluaran semasa Transistor T4 dihidupkan, oleh itu arus mengalir melalui Resistor R4.

Gambar di atas menunjukkan voltan keluaran semasa MOSFET T2 dihidupkan, oleh itu arus mengalir melalui Resistor R2.

Gambar di atas menunjukkan voltan keluaran semasa Transistor T3 dihidupkan, oleh itu arus mengalir melalui Resistor R3.

Seperti yang anda lihat dari skema bahawa T1, T2 adalah MOSFET, dan T3, T4 adalah transistor. Oleh itu, apabila MOSFET digunakan, ralatnya berada dalam julat 1 hingga 5 mV tetapi ketika transistor digunakan sebagai suis, kita mendapat ralat dalam julat 10 hingga 50 mV.

Dengan hasil di atas, jelas bahawa MOSFET adalah penyelesaian goto untuk aplikasi seperti ini, dan kesalahan dalam teori dan praktikal mungkin disebabkan oleh kesalahan pengimbangan op-amp.

Catatan! Harap maklum bahawa saya telah menambahkan dua LED hanya untuk ujian dan anda tidak dapat mencarinya dalam skema sebenar, ia menunjukkan kod binari untuk menunjukkan pin mana yang aktif

Kebaikan & Keburukan Penguat Keuntungan Boleh Diprogram

Oleh kerana litar ini murah, mudah, dan ringkas, ia dapat dilaksanakan dalam banyak aplikasi yang berbeza.

Di sini MOSFET digunakan sebagai suis untuk mengalirkan semua arus melalui perintang ke tanah itulah sebabnya kesan suhu tidak pasti, dan dengan alat dan peralatan ujian saya yang terhad, saya tidak dapat menunjukkan kepada anda kesan suhu yang berbeza-beza pada litar.

Objektif penggunaan BJT bersama dengan MOSFET adalah kerana saya ingin menunjukkan betapa buruknya BJT untuk aplikasi seperti ini.

Nilai perintang maklum balas dan perintang input mesti berada dalam julat KΩ, itu kerana dengan nilai perintang yang lebih rendah, lebih banyak arus akan mengalir melalui MOSFET, oleh itu lebih banyak voltan akan turun di seluruh MOSFET menyebabkan hasil yang tidak dapat diramalkan.

Peningkatan Lanjutan

Litar dapat diubahsuai lebih jauh untuk meningkatkan kinerjanya seperti kita dapat menambahkan penapis untuk menolak suara frekuensi tinggi.

Oleh kerana LM358 jelly bean op-amp digunakan dalam ujian ini, kesalahan mengimbangi op-amp memainkan peranan utama pada voltan keluaran. Oleh itu, ia boleh diperbaiki lagi dengan menggunakan penguat instrumental dan bukan LM358.

Litar ini dibuat hanya untuk tujuan demonstrasi sahaja. Sekiranya anda berfikir untuk menggunakan litar ini dalam aplikasi praktikal, anda harus menggunakan op-amp jenis pencincang dan perintang 0.1 ohm berketepatan tinggi untuk mencapai kestabilan mutlak.

Saya harap anda menyukai artikel ini dan mengetahui sesuatu yang baru. Sekiranya anda mempunyai keraguan, anda boleh bertanya dalam komen di bawah atau boleh menggunakan forum kami untuk perbincangan terperinci.