Rangkaian penguat instrumentasi menggunakan op

Hampir semua jenis sensor dan transduser mengubah parameter dunia nyata seperti cahaya, suhu, berat, dll. Menjadi nilai tegangan agar sistem elektronik kami dapat memahaminya. Variasi level tegangan ini akan membantu kita dalam menganalisis / mengukur parameter dunia nyata, tetapi dalam beberapa aplikasi seperti sensor biomedis variasi ini sangat kecil (sinyal level rendah) dan sangat penting untuk melacak bahkan variasi menit ke mendapatkan data yang andal. Dalam aplikasi ini, Penguat Instrumentasi digunakan.

Penguat Instrumentasi alias INO atau in-amp seperti namanya memperkuat variasi tegangan dan memberikan keluaran diferensial seperti op-amp lainnya. Tetapi tidak seperti penguat normal, penguat Instrumentasi akan memiliki impedansi input tinggi dengan penguatan yang baik sambil memberikan penolakan kebisingan mode umum dengan input diferensial sepenuhnya. Tidak apa-apa jika Anda tidak mendapatkannya sekarang, pada artikel ini kita akan belajar tentang amplifier Instrumentasi ini dan karena IC ini relatif mahal daripada Op-amp kita juga akan belajar cara menggunakan Op-amp normal seperti LM385 atau LM324 untuk membangun sebuah Penguat instrumentasi dan gunakan untuk aplikasi kita. Op-amp juga dapat digunakan untuk membangun rangkaian Penambah Tegangan dan Pengurang Tegangan.

Apa itu IC Penguat Instrumentasi?

Selain IC op-amp normal kami memiliki beberapa jenis penguat khusus untuk penguat Instrumentasi seperti IC INA114. Tidak lebih dari beberapa op-amp normal yang digabungkan bersama untuk aplikasi spesifik tertentu. Untuk memahami lebih lanjut tentang ini, mari kita lihat lembar data INA114 untuk diagram sirkuit internalnya.

Seperti yang Anda lihat, IC menerima dua tegangan sinyal V _IN - dan V _IN +, mari anggap mereka sebagai V1 dan V2 mulai sekarang untuk memudahkan pemahaman. Tegangan keluaran (V _O) dapat dihitung dengan menggunakan rumus

V _O = G (V2 - V1)

Di mana, G adalah penguatan dari op-amp dan dapat diatur menggunakan resistor eksternal R _G dan dihitung menggunakan rumus di bawah ini

G = 1+ (50k Ω / RG)

Catatan: Nilai 50k ohm hanya berlaku untuk IC INA114 karena menggunakan resistor 25k (25 + 25 = 50). Anda dapat menghitung nilai untuk sirkuit lainnya.

Jadi intinya sekarang jika anda lihat, sebuah In-amp hanya memberikan selisih antara dua sumber tegangan dengan penguatan yang bisa di atur oleh resistor eksternal. Apakah ini terdengar familiar? Jika tidak, lihat desain penguat Diferensial dan kembali lagi.

Ya !, inilah yang dilakukan penguat Diferensial dan jika Anda melihat lebih dekat Anda bahkan dapat menemukan bahwa op-amp A3 pada gambar di atas tidak lain adalah rangkaian penguat Diferensial. Jadi dalam istilah awam, Instrumentation-amp adalah jenis lain dari penguat diferensial tetapi dengan lebih banyak keuntungan seperti impedansi input yang tinggi dan kontrol gain yang mudah dll. Keuntungan ini karena dua op-amp lainnya (A2 dan A1) dalam desain, kita akan mempelajari lebih lanjut tentang itu di judul berikutnya.

Memahami Penguat Instrumentasi

Untuk sepenuhnya memahami penguat Instrumentasi, mari kita pecahkan gambar di atas menjadi blok yang bermakna seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Seperti yang Anda lihat , In-Amp hanyalah kombinasi dari dua rangkaian Op-amp Buffer dan satu rangkaian Op-amp diferensial. Kita telah mempelajari kedua desain op-amp ini secara individual, sekarang kita akan melihat bagaimana keduanya digabungkan untuk membentuk Op-amp diferensial.

Perbedaan antara Penguat Diferensial dan Penguat Instrumentasi

Kami telah mempelajari cara merancang dan menggunakan penguat diferensial di artikel sebelumnya. Beberapa kelemahan yang cukup besar dari penguat diferensial adalah ia memiliki impedansi masukan yang sangat rendah karena resistor masukan dan memiliki CMRR yang sangat rendah karena gain mode umum yang tinggi. Ini akan diatasi dalam penguat Instrumentasi karena rangkaian buffer.

Juga dalam penguat diferensial kita perlu mengubah banyak resistor untuk mengubah nilai penguatan penguat tetapi dalam penguat diferensial kita dapat mengontrol penguatan hanya dengan menyesuaikan satu nilai resistor.

Penguat Instrumentasi menggunakan Op-amp (LM358)

Sekarang mari kita membangun penguat Instrumentasi praktis menggunakan op-amp dan memeriksa cara kerjanya. The op-amp instrumentasi amplifier sirkuit yang saya gunakan diberikan di bawah ini.

Sirkuit ini membutuhkan tiga op-amp secara bersamaan; Saya telah menggunakan dua IC LM358. LM358 adalah op-amp paket ganda yang memiliki dua op-amp dalam satu paket sehingga kami membutuhkan dua di antaranya untuk rangkaian kami. Demikian pula, Anda juga dapat menggunakan tiga op-amp LM741 paket tunggal atau satu op-amp LM324 paket quad.

Pada rangkaian di atas, op-amp U1: A dan U1: B bertindak sebagai penyangga tegangan yang membantu dalam mencapai impedansi input yang tinggi. Op-amp U2: A bertindak sebagai op-amp diferensial. Karena semua resistor op-amp diferensial adalah 10k, ia bertindak sebagai penguat diferensial gain yang berarti tegangan keluaran akan menjadi perbedaan tegangan antara pin 3 dan pin 2 U2: A.

The tegangan output dari Instrumentasi rangkaian penguat dapat dihitung dengan menggunakan rumus di bawah ini.

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))

Dimana, R = Nilai resistor rangkaian. Disini R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 yaitu 10k

Rg = Penguatan Resistor. Di sini Rg = R1yang 22k.

Jadi nilai R dan Rg menentukan penguatan penguat. Nilai keuntungan dapat dihitung dengan

Keuntungan = (1+ (2R / Rg))

Simulasi Penguat Instrumentasi

Sirkuit di atas saat disimulasikan memberikan hasil sebagai berikut.

Seperti yang Anda lihat, tegangan input V1 adalah 2.8V dan V2 adalah 3.3V. Nilai R adalah 10k dan nilai Rg adalah 22k. Menempatkan semua nilai ini dalam rumus di atas

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3,3-2,8) (1+ (2x10 / 22)) = (0,5) * (1,9) = 0,95V

Kami mendapatkan nilai tegangan keluaran menjadi 0.95V yang sesuai dengan simulasi di atas. Jadi gain dari rangkaian di atas adalah 1,9 dan perbedaan tegangan 0,5V. Jadi rangkaian ini pada dasarnya akan mengukur perbedaan antara tegangan input dan mengalikannya dengan gain dan memproduksinya sebagai tegangan output.

Anda juga dapat melihat bahwa tegangan input V1 dan V2 muncul di resistor Rg hal ini disebabkan oleh umpan balik negatif dari Op-amp U1: A dan U1: B. Ini memastikan bahwa penurunan tegangan pada Rg sama dengan perbedaan tegangan antara V1 dan V2 yang menyebabkan jumlah arus yang sama mengalir melalui resistor R5 dan R6 membuat tegangan pada pin 3 dan pin 2 sama pada op-amp U2: A. Jika Anda mengukur tegangan sebelum resistor Anda dapat melihat tegangan keluaran aktual dari op-amp U1: A dan U1: B yang perbedaannya akan sama dengan tegangan keluaran seperti yang ditunjukkan di atas pada simulasi.

Menguji Rangkaian Penguat Instrumentasi pada Perangkat Keras

Cukup Teori memungkinkan sebenarnya membangun sirkuit yang sama di papan tempat memotong roti dan mengukur level tegangan. Pengaturan koneksi saya ditunjukkan di bawah ini.

Saya telah menggunakan catu daya papan tempat memotong roti yang kami buat sebelumnya. Papan ini dapat menghasilkan 5V dan 3,3V. Saya menggunakan rel 5V untuk memberi daya pada op-amp dan 3.3V sebagai tegangan input sinyal V2. Tegangan input V2 lainnya diatur ke 2.8V menggunakan RPS saya. Karena saya juga telah menggunakan resistor 10k untuk R dan resistor 22k untuk R1, gain rangkaiannya akan menjadi 1,9. Perbedaan tegangan 0,5V dan gain 1,9 produk yang akan memberi kita 0,95V sebagai tegangan output yang diukur dan ditampilkan dalam gambar menggunakan multimeter. Pengerjaan lengkap rangkaian penguat instrumentasi ditunjukkan dalam video yang ditautkan di bawah ini.

Demikian pula Anda dapat mengubah nilai R1 untuk mengatur penguatan seperti yang diperlukan menggunakan rumus yang dibahas di atas. Karena penguatan penguat ini dapat dikontrol dengan sangat mudah menggunakan resistor tunggal, penguat ini sering digunakan dalam kontrol volume untuk rangkaian audio.

Semoga Anda memahami sirkuitnya dan menikmati mempelajari sesuatu yang bermanfaat. Jika Anda memiliki pertanyaan, tinggalkan di bagian komentar di bawah atau gunakan forum untuk tanggapan lebih cepat.