Programmējams pastiprinātājs, izmantojot mosfet un tranzistoru

Mērījumu nozarē ļoti būtisks funkcionālais bloks ir programmējams pastiprinātājs (PGA). Ja esat elektronikas entuziasts vai koledžas students, jūs, iespējams, esat redzējis multimetru vai osciloskopu, kas ļoti dārgi mēra ļoti mazus spriegumus, jo ķēdē ir iebūvēts PGA līdzās jaudīgam ADC, kas palīdz precīzi veikt mērījumus.

Mūsdienās no plaukta esošais PGA pastiprinātājs piedāvā op-amp balstītu, neinvertējošu pastiprinātāju ar lietotāja programmējamu pastiprināšanas koeficientu. Šāda veida ierīcēm ir ļoti augsta ieejas pretestība, plašs joslas platums un izvēlēta ievades sprieguma atskaite, kas iebūvēta IC. Bet visas šīs funkcijas ir saistītas ar izmaksām, un man nav vērts šo dārgo mikroshēmu ievietot vispārīgai lietojumprogrammai.

Tāpēc, lai pārvarētu šīs situācijas, esmu nācis klajā ar izkārtojumu, kas sastāv no Op-amp, MOSFET un Arduino, caur kuru es varēju programmatiski mainīt op-amp pieaugumu. Tātad, šajā apmācībā es jums parādīšu, kā izveidot savu programmējamo pastiprinātāju ar LM358 op-amp un MOSFETS, un es kopā ar testēšanu apspriedīšu dažus ķēdes plusus un mīnusus.

Op-Amp pamati

Lai saprastu šīs ķēdes darbību, ir ļoti svarīgi zināt, kā darbojas operatīvais pastiprinātājs. Uzziniet vairāk par Op-amp, sekojot šai op-amp testera shēmai.

Iepriekš redzamajā attēlā jūs varat redzēt darbības pastiprinātāju. Pastiprinātāja pamatuzdevums ir pastiprināt ieejas signālu, līdzās pastiprināšanai op-amp var arī veikt dažādas darbības, piemēram, summēt, diferencēt, integrēt utt. Uzziniet vairāk par summēšanas pastiprinātāju un diferenciālo pastiprinātāju šeit.

Op-amp ir tikai trīs spailes. Terminālu ar (+) zīmi sauc par neinvertējošu ieeju, bet termināli ar (-) zīmi - par invertējošu ieeju. Bez šiem diviem termināliem trešais terminālis ir izejas terminālis.

Op-amp ievēro tikai divus noteikumus

Strāva neplūst op-amp ieejās vai no tām.
Op-amp mēģina saglabāt ieejas tajā pašā sprieguma līmenī.

Tātad, kad šie divi noteikumi ir noskaidroti, mēs varam analizēt tālāk norādītās shēmas. Uzziniet arī vairāk par Op-amp, izmantojot dažādas uz Op-amp balstītas shēmas.

Programmējams pastiprinājuma pastiprinātājs darbojas

Iepriekš redzamais attēls sniedz jums pamatideju par mana neapstrādāta PGA pastiprinātāja ķēdes izvietojumu. Šajā ķēdē op-amp ir konfigurēts kā neinvertējošs pastiprinātājs, un, kā mēs visi zinām ar neinvertējošas ķēdes izvietojumu, mēs varam mainīt op-amp pastiprinājumu, mainot atgriezeniskās saites rezistoru vai ieejas rezistoru, kā redzat no iepriekš minētās shēmas izkārtojuma, man vienkārši jāmaina MOSFET pa vienam, lai mainītu op-amp pastiprinājumu.

Pārbaudes sadaļā es izdarīju tikai to, ka es pārslēdzu MOSFET pa vienam un salīdzināju izmērītās vērtības ar praktiskajām vērtībām, un jūs varat novērot rezultātus zemāk esošajā sadaļā "Ķēdes pārbaude".

Nepieciešamās sastāvdaļas

Arduino Nano - 1
LM358 IC - 1
LM7805 regulators - 1
BC548 vispārējs NPN tranzistors - 2
BS170 Vispārējs N kanāla MOSFET - 2
200K rezistors - 1
50K pretestība - 2
24K rezistors - 2
6.8K rezistors - 1
1K rezistors - 4
4.7K rezistors - 1
220R, 1% rezistors - 1
Taktilais slēdzis - 1
Dzintara LED 3mm - 2
Maizes dēlis - 1
Džemperu vadi - 10
Barošanas avots ± 12V - 1

Shematiska diagramma

Programmējama pastiprinātāja demonstrēšanai shēma tiek konstruēta uz bez lodēšanas paneļa ar shēmas palīdzību; Lai samazinātu iekšējo parazītisko induktivitāti un maizes dēļa kapacitāti, visi komponenti ir novietoti pēc iespējas tuvāk.

Un, ja jūs domājat, kāpēc manā maizes dēlī ir vadu kopa? ļaujiet man pateikt, ka tas ir labs zemes savienojums, jo maizes paneļa iekšējie zemes savienojumi ir ļoti slikti.

Šeit op-amp ķēdē ir konfigurēts kā neinvertējošs pastiprinātājs, un ieejas spriegums no 7805 sprieguma regulatora ir 4,99 V.

Rezistora R6 izmērītā vērtība ir 6,75 K un R7 ir 220,8 R. Šie divi rezistori veido sprieguma dalītāju, ko izmanto, lai ģenerētu ieejas testa spriegumu op-amp. Resistors R8 un R9 tiek izmantoti, lai ierobežotu ievades bāzes strāvu tranzistors T3 un T4. Par rezistori R10 un R11 tiek izmantoti, lai ierobežotu pārslēgšanas ātrumu MOSFETs T1 un T2, pretējā gadījumā tas var izraisīt svārstības šajā ķēdē.

Šajā emuārā es vēlos jums parādīt MOSFET, nevis BJT izmantošanas iemeslu, līdz ar to ķēdes kārtību.

Arduino kods PGA

Šeit Arduino Nano tiek izmantots, lai kontrolētu tranzistora pamatni un MOSFET vārtus, un multimetru izmanto, lai parādītu sprieguma līmeņus, jo Arduino iebūvētais ADC veic ļoti sliktu darbu, ja nepieciešams mērīt zemu līmeni sprieguma līmeņi.

Pilns Arduino kods šim projektam ir norādīts zemāk. Tā kā tas ir ļoti vienkāršs Arduino kods, mums nav jāiekļauj bibliotēkas. Bet mums ir jādefinē dažas konstantes un ievades tapas, kā parādīts kodā.

Neesošu uzstādīšana () ir galvenais funkcionāls bloks, kurā lasīt un rakstīt operācijas visām ieejām un izejām tiek veikti kā vienu prasību.

#define BS170_WITH_50K_PIN 9 #define BS170_WITH_24K_PIN 8 #define BC548_WITH_24K_PIN 7 #define BC548_WITH_50K_PIN 6 #define BUTTON_PIN 5 #define LED_PIN1_Define 3 int debounce_counter = 0; void setup () {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); } void loop () {bool val = digitalRead (BUTTON_PIN); // lasīt ievades vērtību if (val == LOW) {debounce_counter ++; ja (debounce_counter> PRESSED_CONFIDENCE_LEVEL) {debounce_counter = 0; button_is_pressed ++; } ja (button_is_pressed == 0) {digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, LOW);digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, LOW); digitalWrite (LED_PIN2, LOW); } ja (button_is_pressed == 2) {digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, LOW); digitalWrite (LED_PIN2, HIGH); } if (button_is_pressed == 3) {digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, HIGH); digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, HIGH); digitalWrite (LED_PIN2, HIGH); } if (button_is_pressed == 1) {digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN, HIGH); digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN, LOW); digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN, LOW); digitalWrite (LED_PIN1, HIGH);digitalWrite (LED_PIN2, LOW); } if (poga_ ir_spiesta> = 4) {poga_ ir_spiesta = 0; }}}

Aprēķini programmējamajam pastiprinātājam

PGA pastiprinātāja ķēdes izmērītās vērtības ir parādītas zemāk.

Vin = 4,99 V R7 = 220,8 Ω R6 = 6,82 KΩ R5 = 199,5 K R4 = 50,45 K R3 = 23,99 K R2 = 23,98 K R1 = 50,5 K

Piezīme! Parādītās rezistora izmērītās vērtības, jo ar izmērītām rezistora vērtībām mēs varam cieši salīdzināt teorētiskās vērtības un praktiskās vērtības.

Tagad aprēķins no sprieguma dalītāja kalkulatora ir parādīts zemāk,

Sprieguma dalītāja izeja ir 0,1564V

Aprēķinot neinvertējošā pastiprinātāja pastiprinājumu 4 rezistoriem

Vout, kad R1 ir izvēlētais rezistors

Vout = (1+ (199,5 / 50,5)) * 0,1564 = 0,77425V

Vout, kad R2 ir izvēlētais rezistors

Vout = (1+ (199,5 / 23,98)) * 0,1564 = 1,45755V

Vout, kad R3 ir izvēlētais rezistors

Vout = (1+ (199,5 / 23,99)) * 0,1564 = 1,45701V

Vout, kad R4 ir izvēlētais rezistors

Vout = (1+ (199,5 / 50,45)) * 0,1564 = 0,77486V

Es to visu darīju, lai pēc iespējas tuvinātu teorētiskās un praktiskās vērtības.

Ar visiem veiktajiem aprēķiniem mēs varam pāriet uz testēšanas sadaļu.

Programmējama pastiprinātāja shēmas pārbaude

Iepriekš redzamajā attēlā parādīts izejas spriegums, kad ir ieslēgts MOSFET T1, tāpēc strāva plūst caur rezistoru R1.

Iepriekš redzamajā attēlā parādīts izejas spriegums, kad ir ieslēgts tranzistors T4, tāpēc strāva plūst caur rezistoru R4.

Iepriekš redzamajā attēlā parādīts izejas spriegums, kad ir ieslēgts MOSFET T2, tāpēc strāva plūst caur rezistoru R2.

Iepriekš redzamajā attēlā parādīts izejas spriegums, kad ir ieslēgts tranzistors T3, tāpēc strāva plūst caur rezistoru R3.

Kā jūs varat redzēt no shēmas, ka T1, T2 ir MOSFET un T3, T4 ir tranzistori. Tātad, ja tiek izmantoti MOSFET, kļūda ir robežās no 1 līdz 5 mV, bet, kad tranzistorus izmanto kā slēdžus, mēs saņemam kļūdu 10 līdz 50 mV diapazonā.

Ņemot vērā iepriekš minētos rezultātus, ir skaidrs, ka MOSFET ir šāda veida lietojumprogrammu risinājums, un teorētiskās un praktiskās kļūdas var izraisīt op-amp nobīdes kļūda.

Piezīme! Lūdzu, ņemiet vērā, ka esmu pievienojis divas gaismas diodes tikai pārbaudes nolūkos, un jūs tos nevarat atrast faktiskajā shēmā, tas parāda bināro kodu, lai parādītu, kura tapa ir aktīva

Programmējamā pastiprinātāja plusi un mīnusi

Tā kā šī shēma ir lēta, vienkārša un vienkārša, to var ieviest daudzās dažādās lietojumprogrammās.

Šeit MOSFET tiek izmantots kā slēdzis, lai novirzītu visu strāvu caur rezistoru uz zemi, tāpēc temperatūras ietekme nav droša, un ar saviem ierobežotajiem instrumentiem un testa aprīkojumu es nevarēju jums parādīt mainīgās temperatūras ietekmi uz ķēde.

BJT izmantošanas mērķis kopā ar MOSFET ir tāpēc, ka es vēlos jums parādīt, cik slikts BJT var būt šāda veida lietojumiem.

Atgriezeniskās saites rezistoru un ieejas rezistoru vērtībām jābūt KΩ diapazonā, tas ir tāpēc, ka ar zemākām rezistoru vērtībām caur MOSFET ieplūdīs vairāk strāvas, tādējādi vairāk sprieguma kritīsies visā MOSFET, izraisot neparedzamus rezultātus.

Papildu uzlabošana

Kontūru var turpināt modificēt, lai uzlabotu tā veiktspēju, piemēram, mēs varam pievienot filtru, lai noraidītu augstfrekvences trokšņus.

Tā kā šajā pārbaudē tiek izmantots LM358 želejas pupiņu op-amp, op-ampēra nobīdes kļūdām ir galvenā loma pie izejas sprieguma. Tāpēc to var vēl vairāk uzlabot, izmantojot instrumentālo pastiprinātāju, nevis LM358.

Šī shēma ir paredzēta tikai demonstrēšanas nolūkiem. Ja jūs domājat par šīs shēmas izmantošanu praktiskā pielietojumā, jums ir jāizmanto smalcinātāja tipa op-amp un augstas precizitātes 0,1 omu rezistors, lai sasniegtu absolūtu stabilitāti.

Es ceru, ka jums patika šis raksts un uzzinājāt no tā kaut ko jaunu. Ja jums ir kādas šaubas, varat jautāt zemāk esošajos komentāros vai arī izmantot mūsu forumus detalizētai diskusijai.