Võimendid on elektroonilised skeemid, mis suurendavad signaali tugevust, et seda saaks tõhusamalt töödelda, mõõta või edastada. Analoogsüsteemides on sensorite, heliallikate või juhtimisahelate signaalid sageli liiga nõrgad, et neid otse kasutada, seega kasutatakse võimendeid pingetaseme tõstmiseks, signaali kvaliteedi parandamiseks ja signaali ettevalmistamiseks järgmiseks etapiks. Operatiivvõimendid, diferentsiaalvõimendid ja instrumentatsioonivõimendid töötlevad signaale erinevalt ning neid kasutatakse erinevates olukordades. See artikkel võrdleb neid kolme võimenditüüpi, selgitades, kuidas need töötavad, kuidas erinevad ja kuidas valida õige reaalseks rakenduseks.
Mis on operatiivvõimendi?
Operatiivvõimendi ehk operatiivvõimendi on elektrooniline võimendi, mis suurendab kahe sisendpinge vahet ja tekitab ühe väljundpinge. Sellel on kaks sisendklemmi: mitte-inverteeriv sisend (+) ja inverteeriv sisend (−). Väljund muutub nende kahe sisendi pingevahe põhjal.
Praktilistes ahelates kasutatakse operatiivvõimendit tavaliselt koos väliste tagasisidekomponentidega, nagu takistid ja kondensaatorid. Need osad kontrollivad skeemi võimendust, stabiilsust, ribalaiust ja üldist käitumist. Operatiivvõimendi põhiidee võib väljendada järgmiselt:
Vout = Aol(V+ − V−)
kus Vout on väljundpinge, Aol on avatud ahela võimendus, V+ on mitte-inverteeriv sisendpinge ja V− on inverteeriv sisendpinge. Tõelistes rakendustes juhitakse väga suurt avatud ahela võimendust tavaliselt negatiivse tagasisidega, et ahel saaks toota stabiilset ja ennustatavat väljundit.
Mis on diferentsiaalvõimendi?
Diferentsiaalvõimendi suurendab kahe sisendpinge vahet ja vähendab signaale, mis esinevad mõlemal sisendil võrdselt. Neid võrdseid signaale nimetatakse ühisrežiimi signaalideks. Seetõttu on diferentsiaalvõimendi kasulik, kui oluline signaal on kahe punkti pingevahe, mitte ainult üks signaal maanduse vastu.
Põhilisel diferentsiaalvõimendil on kaks sisendit, mida sageli nimetatakse V1 ja V2, ning üks väljund. Väljund muutub vastavalt kahe sisendi erinevusele. Kui mõlemad sisendid tõusevad või langevad koos müra või häire tõttu, püüab võimendi seda ühist signaali tagasi lükata ja ainult kasulikku erinevust võimendada.
Põhiidee võib väljendada järgmiselt:
Vout = Ad(V2 − V1)
kus Vout on väljundpinge, Ad on diferentsiaalvõimendus ja V2 − V1 on pingevahe kahe sisendsignaali vahel.
Mis on instrumentatsioonivõimendi?
Instrumentatsioonivõimendi on täppisvõimendi, mis on loodud võimendama väga väikeseid diferentsiaalsignaale, tõrjudes samal ajal müra või soovimatuid signaale, mis esinevad mõlemal sisendil võrdselt. Seda kasutatakse tavaliselt siis, kui signaal tuleb anduritelt, kuna paljud andurid tekitavad nõrku pingemuutusi, mis vajavad täpset võimendust enne töötlemist.
Instrumentatsioonivõimendil on kaks sisendklemmi ja tavaliselt üks väljundklemm. Nagu diferentsiaalvõimendi, võimendab see kahe sisendpinge vahet. Siiski pakub see kõrgemat sisendtakistust, paremat ühise režiimi tõrjumist ja stabiilsemat võimendust kui tavaline diferentsiaalvõimendi. See aitab vältida sensori koormust ja parandab mõõtmise täpsust.
Põhiidee võib väljendada järgmiselt:
Vout = G(V2 − V1)
kus Vout on väljundpinge, G on võimendi võimendus ja V2 − V1 on diferentsiaalne sisendpinge.
Op-võimendi vs diferentsiaalvõimendi vs instrumentatsioonivõimendi
| Võrdluspunkt | Operatiivvõimendi | Diferentsiaalvõimendi | Instrumentatsiooni võimendi |
|---|---|---|---|
| Sisendi tüüp | Võib kasutada üheotsa või diferentsiaalsisendiga, sõltuvalt vooluringi disainist | Kasutab kahte sisendsignaali ja reageerib nende erinevusele | Kasutab kahte sisendsignaali ja reageerib nende erinevusele |
| Väljundi tüüp | Tavaliselt ühe otsaga väljund | Tavaliselt on olemas ühe otsaga väljund, kuid eksisteerivad ka täielikult diferentsiaalsed versioonid | Tavaliselt ühe otsaga väljund, sõltuvalt IC disainist |
| Põhivõrrand | Vout = Aol(V+ − V−) | Vout = Ad(V2 − V1) | Vout = G(V2 − V1) |
| Võimenduse kontroll | Võimendust määravad tavaliselt välised tagasisidetakistid | Võimendus määratakse takisti suhetega | Võimendus määratakse sageli ühe võimenduse seadistusega takisti |
| Sisendtakistus | Tavaliselt kõrge, sõltuvalt operaatorvõimendi tüübist ja konfiguratsioonist | Mõõdukas kuni kõrge, kuid põhilised takisti konstruktsioonid suudavad allikat laadida | Väga kõrge, mis teeb selle sobivaks sensoritele |
| Täpsustase | Üldotstarbeline kuni täpsus, sõltuvalt kasutatavast operatiivvõimendist | Mõõdukas kuni hea täpsus | Kõrge täpsus |
| Nihkeviga | Sõltub valitud operatsioonvõimendist | Mõjutatud operatiivvõimendi nihkest ja takisti sobimatusest | Tavaliselt madal nihke ja madal drift täppismudelites |
| Ribalaius | Lai vahemik, sõltuvalt operaatorvõimendist | Sõltub op-võimendist, võimendusest ja takistivõrgust | Sageli madalam kui tavalised operaatorvõimendid kõrge võimendusega |
| Skeemide keerukus | Lihtne kuni mõõdukas | Mõõdukas | Mõõdukas kuni kõrge, kuid lihtne integreeritud IC |
| Välised komponendid | Tagasisidetakistid ja muud osad sõltuvalt konfiguratsioonist | Vajab täpselt sobitatud takisteid | Sageli vajab ainult võimenduse seadistamise takistit ja mõningaid tugiosi |
| Tundlikkus takisti sobitamisele | Oluline võimenduse seadistamise ahelates | Väga oluline võimenduse täpsuse ja CMRR | Vähem keeruline kasutajatele, kui kasutatakse integreeritud sobitatud takistiga IC-sid |
| Parim kasutus | Üldine võimendus, filtreerimine, puhverdamine ja analoogsignaalitöötlus | Pingeerinevuste mõõtmine kahe punkti vahel | Täppissensori signaali mõõtmine |
| Peamine eelis | Väga paindlik ja laialdaselt kättesaadav | Lükkab levinud signaale tagasi ja mõõdab pingeerinevusi | Kõrge täpsus, kõrge sisendtakistus ja tugev ühise režiimi tõrjumine |
| Peamine piirang | Pole alati ideaalne väikeste sensorisignaalide jaoks ilma lisahoolduseta | Täpsus sõltub takisti sobitusest ja sisendtakistusest | Spetsialiseeritum ja võib maksta rohkem kui tavalised op-amp skeemid |
Võtmevõimendi jõudlustegurid, mida arvestada
Võimenduse seadistus ja võimenduse täpsus
Võimenduse seadistus selgitab, kuidas võimendi väljundvõimendust juhitakse, samas kui võimenduse täpsus näitab, kui lähedal on tegelik võimendus oodatavale väärtusele.
• Op-võimendi ahelas määratakse võimendus tavaliselt väliste tagasisidetakistite abil. Näiteks mitte-inverteeriv operatiivvõimendi kasutab takisti suhet tagasisidetee ümber võimenduse seadistamiseks. See teeb operatiivvõimendid väga paindlikuks, sest sama seadet saab kasutada puhverdamiseks, madala võimenduse, kõrge võimenduse, filtreerimise või signaali konditsioneerimise jaoks.
• Diferentsiaalvõimendis sõltub võimendus ka takisti suhetest, kuid takisti sobitamine muutub olulisemaks. Kui takistite suhted ei ole tihedalt kooskõlas, võib võimendi tekitada võimendusvea ja nõrgema ühise režiimi tõrjumise. Täppisdiferentsiaalskeemide puhul kasutavad disainerid sageli tiheda tolerantsiga takisteid, nagu 0,1% või 0,01% osad, mitte tavalisi 1% takisteid.
• Instrumentatsioonivõimendis määratakse võimendus sageli ühe välise takisti või sisemise võimendusvõrgu abil, mis teeb stabiilse võimenduse saavutamise sensorite ja mõõteahelates lihtsamaks. Analog Devices märgib, et operatiivvõimendid on konfigureeritud mitme välise komponendi kaudu, samas kui instrumentatsioonivõimendid on tavaliselt seadistatud võimenduseks ühe takisti või valitavate võimenduste kaudu.
Ühise režiimi tagasilükkamine ja müra tagasilükkamine
Ühise režiimi tagasilükkamine kirjeldab, kui hästi võimendi lükkab tagasi signaale, mis ilmuvad mõlemal sisendil samaaegselt. See on oluline, sest päris vooluringid püüavad sageli jagatud müra elektriliinidelt, mootoritelt, lülitustoiteallikatelt, pikkadelt sensorijuhtmetelt või lähedal asuvatest digitaalsetest vooluringidest. Kui võimendil on halb ühise režiimi tõrjumine, võib osa soovimatust mürast tekkida väljundis ja vähendada signaali täpsust.
• Operatiivvõimendid võivad ühise režiimi signaale tagasi lükata, kuid nende tegelik jõudlus sõltub skeemi konfiguratsioonist ja tagasiside disainist.
• Diferentsiaalvõimendi on spetsiaalselt loodud kahe sisendi vahe võimendamiseks, kuid selle CMRR sõltub tugevalt takistite sobitamisest. Kui takistivõrk ei ole tasakaalus, muutub ühise režiimi müra tõrjumine nõrgemaks.
• Instrumentatsioonivõimendid annavad tavaliselt kõige tugevama ühise režiimi tõrjumise, kuna need on loodud väikeste diferentsiaalsignaalide jaoks mürarikkas keskkonnas. Paljudes täppissensorite rakendustes võivad instrumendivõimendid omada CMRR-väärtusi vahemikus 80 dB kuni üle 120 dB, sõltuvalt võimendusest ja seadme tüübist.
Seetõttu eelistatakse neid sageli sillasensorite, termopaaride ning meditsiiniliste või tööstuslike mõõtesignaalide jaoks. Analog Devices kirjeldab instrumentatsioonivõimendeid kui diferentsiaalsisendiga võimendusplokke, mida kasutatakse sageli siis, kui on vaja suurt sisendtakistust ja ühise režiimi tagasilükkamist.
Sisendtakistus ja allika koormus
Sisendtakistus näitab, kui palju võimendi signaaliallikat mõjutab. Kõrge sisendtakistus tähendab, et võimendi võtab allikast väga vähe voolu, mistõttu originaalsignaal säilib paremini. Madal sisendtakistus võib allikat koormata, vähendada mõõdetud pinget ja tekitada signaalivea juba enne võimenduse algust.
• Operatiivvõimenditel on tavaliselt kõrge sisendtakistus, eriti CMOS ja JFET-sisendi tüübid. See teeb neist kasulikud pingepuhverdamiseks ja üldiseks signaali konditsioneerimiseks.
• Diferentsiaalvõimenditel võib olla madalam efektiivne sisendtakistus, kuna sisendsignaal läbib sageli takistivõrke. See võib tekkida probleemiks, kui allikasignaal on nõrk või tuleb kõrge takistusega andurist.
• Instrumentatsioonivõimendid annavad tavaliselt mõlemale sisendile väga kõrge ja tasakaalustatud sisendtakistuse, mis aitab vältida andurite koormust.
Nihke, triivimine ja mõõtmise täpsus
Nihke pinge on väike soovimatu pingeviga, mis ilmneb võimendi sisendis. Isegi kui kaks sisendsignaali on võrdsed, võib päris võimendi tekitada väikese väljundvea sisemise tasakaalutuse tõttu. See viga muutub tõsisemaks väga väikeste signaalide mõõtmisel, näiteks mikrovoltitaseme või millivolti taseme sensorite väljundid.
Triivimine tähendab, et nihke või võimendus muutub temperatuuri muutudes aja jooksul. See on oluline tööstus-, auto- ja täppismõõtmisahelates, sest võimendi ei pruugi püsida ühel kindlal temperatuuril. Üldised operaatorvõimendid võivad olla aktsepteeritavad põhilise signaali tingimiseks, kuid täppisoperaatorvõimendid ja instrumentatsioonivõimendid on paremad, kui nihke ja triiv peab olema väga väike. Näiteks mõnel nulltriiviga täppisoperatsioonvõimendil võib olla nihke pinge sub-mikrovoldis ja nihutatud triiv kuni 0,005 μV/°C, sõltuvalt seadmest. TI OPAx189 täppisvõimendi perekond on üks näide, mis toob välja väga madalad nihke ja triivi väärtused täpse signaali mõõtmiseks.
Ribalaius, nihkekiirus ja signaali vastus
Ribalaius näitab sagedusvahemikku, mida võimendi suudab taluda ilma suurema signaalikaotuseta. Nihkumiskiirus näitab, kui kiiresti väljundpinge võib muutuda, tavaliselt mõõdetuna V/μs-is. Need kaks tegurit määravad, kas võimendi suudab täpselt jälgida kiiresti muutuvaid sisendsignaale. Kui ribalaius on liiga väike, muutuvad kõrgsageduslikud signaalid nõrgemaks. Kui nihkumiskiirus on liiga madal, võib väljund tunduda moonutatud, kui signaal kiiresti muutub.
Operaatorvõimendite puhul on ribalaius sageli seotud võimenduse ja ribalaiuse produktiga. See tähendab, et suletud ahela võimenduse suurenedes tavaliselt väheneb kasutatav ribalaius. Näiteks kui pinge-tagasiside operatiivvõimendil on võimendus-ribalaiuse korrutis 10 MHz, võib see pakkuda umbes 10 MHz ribalaiust võimendusega 1, kuid lihtsustatud juhul ainult umbes 1 MHz võimendusega 10. Suletud ahela võimenduse ja ribalaiuse toode on paljude pingetagasisidega operatiivvõimendite jaoks oluline näitaja.
Diferentsiaal- ja instrumentatsioonivõimenditel on samuti ribalaiuse piirangud, eriti suurema võimenduse korral. Instrumentatsioonivõimendid on sageli optimeeritud täpsuse ja müra eemaldumise jaoks, mitte väga suureks kiiruseks, mistõttu võib nende ribalaius võimenduse kasvades kitsendada. Kiirete signaalide puhul peaksid kontrollima nii ribalaiust kui ka slew-kiirust andmelehes. Täisvõimsuse ribalaius peaks tavaliselt olema mitu korda suurem kui maksimaalne väljundsignaali sagedus, et vältida moonutusi kiirete võimendite disainides
Iga võimenditüübi reaalsed rakendused
Operatiivvõimendi rakendused
Operatiivvõimendeid kasutatakse laialdaselt, kui vooluring vajab paindlikku signaalijuhtimist. Nad suudavad võimendada nõrku pingesignaale, puhverdada üht vooluringi astet teisest, filtreerida soovimatuid sagedusi või reguleerida signaali enne, kui see läheb ADC-le, mikrokontrollerile või mõnele teisele analoogskeemile. Kuna võimendus ja funktsioon määratakse väliste tagasisidekomponentide poolt, suudab üks operatiivvõimendi IC toetada mitmeid erinevaid vooluahela rolle.
Levinud näide on LM358. See on topeltoperatiivvõimendi, mida sageli kasutatakse kulutundlikes analoogskeemides. Texas Instruments loetleb LM358 kui topelt, 30-V, 700 kHz operatiivvõimendi, mis teeb selle sobivaks üldiseks signaali konditsioneerimiseks, madalsageduslikuks võimenduseks, andurliidese ahelateks ja põhilisteks analoogjuhtimissüsteemideks. Näiteks võib LM358 võimendada väikest sensoripinget enne selle lugemist mikrokontrolleri poolt või toimida pingepuhvrina, et järgmine vooluahela aste ei koorma signaaliallikat.
Operatiivvõimendid on levinud ka aktiivsetes filtrites, helieelvõimendites, pingejälgijates, veavõimendites toiteallikates ja võrdleja-laadsetes signaalituvastusahelates. Need on tavaliselt parim valik siis, kui vooluring vajab paindlikkust, mitte kõrgeimat täpset mõõtmisvõimet.
Diferentsiaalvõimendi rakendused
Diferentsiaalvõimendeid kasutatakse siis, kui vooluring peab mõõtma kahe pingepunkti vahet, mitte ühte pinget maanduse suhtes. See teeb neist kasulikud voolu tuvastamisel, pinge lahutamisel, tasakaalustatud signaali vastuvõtmisel, mootori juhtimise tagasiside ja ahelates, kus soovimatu müra esineb mõlemal sisendliinil. Keskendudes pingeerinevusele, saab diferentsiaalvõimendi vähendada jagatud müra ja eraldada kasulikku signaali.
Tõeline IC näide on AD8276 Analog Devicesilt. AD8276 on ühtsusvõimendusega erinevuste võimendi, mis on loodud täpseks signaali konditsioneerimiseks madala energiatarbega rakendustes. See sisaldab laseriga lõigatud sisemisi takisteid, mis aitavad parandada võimenduse täpsust ja ühise režiimi tagasilükkamist võrreldes lihtsa diskreetse takistiga diferentsiaalvõimendiga. Analog Devices nimetab AD8276/AD8277 üldotstarbeliste erinevusvõimenditena, millel on 86 dB ühismoodi tagasilükkamissuhe ja madal võimenduse triiv.
Tõelistes ahelates saab AD8276 abil kasutada voolu mõõtmiseks, täpseks pinge mõõtmiseks, üheotsast diferentsiaalseks teisendamiseks ja tööstuslikuks signaali konditsioneerimiseks. See on kasulik, kui disainer vajab täpset lahutamist kahe signaali vahel, kuid ei vaja instrumentatsioonivõimendi täielikku sensorimõõtmise jõudlust.
Instrumentatsiooni võimendi rakendused
Instrumentatsioonivõimendeid kasutatakse siis, kui vooluring peab mõõtma väga väikeseid diferentsiaalsignaale täpselt, eriti kui esineb müra. Need on tavalised sensorisüsteemides, kuna tagavad kõrge sisendtakistuse, stabiilse võimenduse ja tugeva ühise režiimi tõukejõu. See aitab vältida nõrkade sensorisignaalide laadimist või moonutust enne võimendust.
Levinud näide on Texas Instrumentsi INA333. INA333 on madala võimsusega täppisinstrumentatsioonivõimendi, mis on loodud täpseks signaalimõõtmiseks. TI väidab, et kasutab kolme op-võimendiga instrumentatsioonivõimendi konstruktsiooni ning et üks väline takisti saab võimendust seadistada. See teeb selle kasulikuks kaasaskantavates ja sensoripõhistes rakendustes, kus väikesed signaalid vajavad puhast võimendust.
Instrumentatsioonivõimendeid kasutatakse sageli koos koormuselementide, pingeandurite, sillaandurite, termopaaride ja rõhuandurite, biomeditsiiniliste andurite ja andmekogumissüsteemidega. Näiteks võib koormuselement anda ainult väikese millivolditaseme signaali, kui sellele rakendatakse kaalu. Instrumentatsioonivõimendi nagu INA333 suudab seda väikest diferentsiaalsignaali võimendada, samal ajal lükates sensorijuhtmete poolt vastu võetud müra.
Reaalnäide võimendi valik
| Süsteemi kasutusjuhtum | Signaali tüüp | Võtmenõue | Soovitatav võimendi | Miks see sobib |
|---|---|---|---|---|
| Helivõimendi (mikrofonist kõlarisse) | mV to V (üheotsaline) | Paindlik võimendus, lai ribalaius | Op-Amp (nt TL072, LM358) | Haldab signaali võimendamist, filtreerimist ja puhverdamist lihtsa disainiga |
| Mootori voolu jälgimine | mV (üle šundi, diferentsiaal) | Müra tagasilükkamine, PWM-immuunsus | Diferentsiaalvõimendi (nt INA240) | Mõõdab pingeerinevust ja lükkab lülitusmüra tagasi |
| Meditsiiniline EKG süsteem | μV (väga väike diferentsiaal) | Kõrge täpsus, kõrge CMRR | Instrumentatsioonivõimendi (nt AD8232) | Võimendab nõrku signaale tugeva müratõrjumisega |
| Koormuselement / kaalumissüsteem | mV (silla andur) | Kõrge sisendtakistus, stabiilne võimendus | Instrumentatsiooni võimendi (nt INA333) | Takistab andurite koormust ja tagab täpse mõõtmise |
| Toiteallika tagasiside kontroll | V (üheotsaline) | Stabiilne võimendus, kiire reageerimine | Op-Amp | Kasutatud veavõimendina pinge reguleerimiseks |
| Tööstusandurite liides | mV kuni V (diferentsiaal- või üheotsaga) | Täpsus ja mürajuhtimine | Op-Amp või instrumentatsioonivõimendi | Valik sõltub signaali tugevusest ja müratasemest |
| Aku voolu andur | mV (madala või kõrge külje diferentsiaal) | Täpsus, madal drift | Diferentsiaalvõimendi | Mõõdab täpselt väikest pingelangust šundi takisti peal |
Kokkuvõte
Operatiivvõimendid, diferentsiaalvõimendid ja instrumentatsioonivõimendid täidavad igaüks erinevaid signaalivajadusi. Kasuta operatiivvõimendi paindlikuks võimenduseks, puhverdamiseks, filtreerimiseks ja üldiseks signaali konditsioneerimiseks. Kasuta diferentsiaalvõimendit, kui vooluring peab võrdlema kahte pingepunkti või vähendama ühist müra. Kasuta instrumentatsioonivõimendit, kui mõõdad väga väikeseid sensorisignaale, mis vajavad suurt täpsust, suurt sisendtakistust ja tugevat müratõrjet. Õige võimendi valimine sõltub signaali tüübist, müratasemest, täpsusest, kiirusest ja vooluringi nõuetest.
