Użycie Optoizolatora do zmiany wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego

Rozważmy ten obwód, który jest standardowym nieodwracającym wzmacniaczem o wzmocnieniu wynoszącym A = 1+R1/R2.

Chcę teraz móc dynamicznie zmieniać tę wartość wzmocnienia za pomocą pinu mikrokontrolera. Wymyśliłem to rozwiązanie, które zasadniczo modyfikuje wartość rezystora sprzężenia zwrotnego, wkładając równolegle inny rezystor:

Myślę , że nowe wzmocnienie (z włączonym optoizolatorem) jest

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

Czy to rozwiązanie rzeczywiście działałoby tak, jak zamierzałem? Szczególnie martwię się, że napięcie nasycenia fototranzystora może w jakiś sposób wpłynąć na wzmacniacz operacyjny. Jeśli tak, czy istnieje alternatywne rozwiązanie tego problemu?

Założenie : Istnieje pewna potrzeba izolacji optycznej między kontrolą wzmocnienia (wyjście uC) a modułem wzmacniającym.

Oto uproszczenie podejścia w pytaniu, które usuwa wszelkie tranzystory / tranzystory polowe ze ścieżki sprzężenia zwrotnego i zapewnia analogowy (ciągły) zakres wzmocnień, zachowując jednocześnie optoizolację - użyj transoptora LDR stosowanego w niektórych klasycznych i DIY wzmacniacze audio :

Aby uzyskać jednorazową lub samodzielną alternatywę, użyj taniego i wszechobecnego rezystora zależnego od światła CdS, w połączeniu ze zwykłą diodą LED:

Schemat jest zatem:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Rezystancja kontrolująca wzmocnienie jest równoległą kombinacją R1 i (R2 + R_LDR).

Zmieniając cykl pracy sygnału PWM lub napięcie styku wyjściowego przetwornika cyfrowo-analogowego mikrokontrolera, natężenie światła diody LED jest zmieniane. Wraz ze wzrostem rezystancji diody LED spada, od bardzo wysokiej wartości (tj. Niewielkiego wpływu na obliczanie wzmocnienia), gdy dioda LED jest wyłączona, do niskiej wartości, gdy dioda LED jest w prawie 100% cyklu pracy.

Uwaga : W przypadku korzystania z PWM częstotliwość PWM musi być znacznie wyższa niż pasmo częstotliwości będące przedmiotem zainteresowania sygnału. W przeciwnym razie PWM połączy się ze ścieżką sygnału, jak wskazał @ pjc50.

Wszystkie podane odpowiedzi są mniej lub bardziej wykonalne, ale mają pewne wady:

1. Wszystkie odpowiedzi oprócz Anindo Ghosha będą działać tylko przy dość niskich napięciach lub będą miały mały zakres regulacji (dobre lub bardzo wysokie zniekształcenia nieliniowe).

2. Rozwiązanie z fotorezystorem będzie działać, ale transoptory rezystorowe są jakimś egzotycznym elementem.

3. Dokładne wzmocnienie jest prawie niemożliwe, a zysk ten będzie się różnić w zależności od temperatury.

Takie schematy są odpowiednie tylko dla schematów AGC, w których drugie sprzężenie zwrotne reguluje wzmocnienie do wymaganych wartości.

Jeśli konieczne jest ustawienie dokładnego i niezawodnego wzmocnienia, jedyną działającą metodą jest użycie tranzystorów MOSFET kontrolowanych w trybie przełączania (ON / OFF) i normalnych rezystorów:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Dlaczego nie użyjesz kontroli wzmocnienia z magistrali SPI z MCU: -

Istnieją inne układy kontroli wzmocnienia, które mogą być aktywowane przez linie sprzętowe, jeśli nie lubisz SPI. Używałem tego urządzenia szeroko i mogę ręczyć za jego użyteczność i dokładność.

Rzeczy SPI nie muszą być szybkie i mogą być izolowane, jeśli naprawdę tego potrzebujesz. Korzystałem z mierników SPI 2MHz 10 mz przyzwoitymi sterownikami, ale jazda z dość małą prędkością nie będzie problemem.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Zakładając, że masa sygnału wzmacniacza operacyjnego i masa MCU są identyczne, to podejście zadziałałoby. Jeśli nie, użyj transoptora do sterowania MOSFET. Możesz również dodać wiele równoległych tranzystorów MOSFET (z osobnymi liniami kontrolnymi), aby uzyskać wiele opcji wzmocnienia.

Powiedziałbym, że lepszym pomysłem byłoby użycie optoizolatora do sterowania przełącznikiem CMOS i użycie go do włączenia rezystora. Umieszczenie fototranzystora w takiej pętli może mieć dziwne wyniki.

Odpowiadam na moje własne pytanie, ponieważ skorzystałem z rady jippie. Zbudowałem obwód na płytce i wykonałem pomiary.

• Zasilacz: 5 V (7805)
• Wzmacniacz operacyjny: LM324
• Optoizolator: SFH610A-3
• R1: 21,7 tys
• R2: 9,83 k
• R3: 21,8 tys
• Włączony optoizolator z prądem 7,7 mA

Przy tych wartościach rezystorów oczekiwane wzmocnienie wynosi 2,11.

Oto wyniki pomiaru:

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

Dodatkowo zmierzyłem napięcie na R3 i opto-tranzystorze, co pozwoliło mi obliczyć wartość rezystora dla tranzystora. Zmieniło się to od 400 do 800 Ohm, najprawdopodobniej z powodu mojego multimetru mającego problemy z pomiarem małych napięć. Kompensacja oczekiwanego wzmocnienia przez dodanie 600 Ω do R3, zmniejsza różnicę do 0,6% maks.

Więc moja odpowiedź brzmi: tak, zadziała tak, jak się spodziewałem, prawdopodobnie głównie z powodu tak niskich prądów, że tranzystor jest używany w obszarze liniowym. Nie spodziewałbym się takich samych rezultatów, gdyby zastosowane oporniki miały znacznie mniejszy opór.

Mimo to zmieniłem obwód, aby zastosować metodę sugerowaną przez markta i johnfounda. Wydaje się bardziej poprawny.