Forstærkertyper: Op-forstærker vs differentialforstærker vs instrumenteringsforstærker

Forstærkere er elektroniske kredsløb, der øger styrken af et signal, så det kan behandles, måles eller transmitteres mere effektivt. I analoge systemer er signaler fra sensorer, lydkilder eller styrekredsløb ofte for svage til at bruges direkte, så forstærkere bruges til at øge spændingsniveauerne, forbedre signalkvaliteten og forberede signalet til næste trin. Operationsforstærkere, differentialforstærkere og instrumenteringsforstærkere håndterer signaler på forskellige måder og bruges i forskellige situationer. Denne artikel sammenligner disse tre forstærkertyper, forklarer hvordan de fungerer, hvordan de adskiller sig, og hvordan man vælger den rigtige til virkelige anvendelser.

Hvad er en operationsforstærker?

En operationsforstærker, eller op-amp, er en elektronisk forstærker, der øger forskellen mellem to indgangsspændinger og producerer én udgangsspænding. Den har to indgangsterminaler: den ikke-inverterende indgang (+) og den inverterende indgang (−). Udgangen ændrer sig baseret på spændingsforskellen mellem disse to indgange.

I praktiske kredsløb bruges en op-amp normalt sammen med eksterne feedback-komponenter såsom modstande og kondensatorer. Disse dele styrer forstærkning, stabilitet, båndbredde og den overordnede adfærd af kredsløbet. Den grundlæggende idé om en op-amp kan udtrykkes som:

Vout = Aol(V+ − V−)

hvor Vout er udgangsspændingen, Aol er den åbne forstærkning, V+ er den ikke-inverterende indgangsspænding, og V− er den inverterende indgangsspænding. I virkelige anvendelser styres den meget høje open-loop-forstærkning normalt af negativ feedback, så kredsløbet kan producere et stabilt og forudsigeligt output.

Hvad er en differentialforstærker?

En differentialforstærker øger forskellen mellem to indgangsspændinger og reducerer signaler, der optræder lige meget på begge indgange. Disse lige signaler kaldes fællesmodussignaler. På grund af dette er en differentialforstærker nyttig, når det vigtige signal er spændingsforskellen mellem to punkter, ikke blot ét signal målt mod jord.

En grundlæggende differentialforstærker har to indgange, ofte kaldet V1 og V2, og én udgang. Outputtet ændrer sig afhængigt af forskellen mellem de to input. Hvis begge indgange stiger eller falder sammen på grund af støj eller interferens, forsøger forstærkeren at afvise det fælles signal og kun forstærke den nyttige forskel.

Den grundlæggende idé kan udtrykkes som:

Vout = Ad(V2 − V1)

hvor Vout er udgangsspændingen, Ad er den differentielle forstærkning, og V2 − V1 er spændingsforskellen mellem de to indgangssignaler.

Hvad er en instrumenteringsforstærker?

En instrumenteringsforstærker er en præcisionsforstærker designet til at forstærke meget små differentielle signaler, samtidig med at den afviser støj eller uønskede signaler, der optræder lige meget på begge indgange. Det bruges almindelig, når signalet kommer fra sensorer, fordi mange sensorer producerer svage spændingsændringer, der kræver nøjagtig forstærkning før behandling.

En instrumentforstærker har to indgangsterminaler og normalt én udgangsterminal. Ligesom en differentialforstærker forstærker den forskellen mellem de to indgangsspændinger. Den giver dog højere indgangsimpedans, bedre fællesmode-afvisning og en mere stabil forstærkning end en grundlæggende differentialforstærker. Dette hjælper med at forhindre sensorbelastning og forbedrer målenøjagtigheden.

Den grundlæggende idé kan udtrykkes som:

Vout = G(V2 − V1)

hvor Vout er udgangsspændingen, G er forstærkerens forstærkning, og V2 − V1 er den differentielle indgangsspænding.

Op-forstærker vs differentialforstærker vs instrumenteringsforstærker

Nøgleforstærkerpræstationsfaktorer at overveje

Forstærkningsindstilling og Forstærkningsnøjagtighed

Forstærkningsindstillingen forklarer, hvordan forstærkerens udgangsforstærkning kontrolleres, mens forstærkningsnøjagtighed forklarer, hvor tæt den faktiske forstærkning er på den forventede værdi.

• I et op-amp-kredsløb fastsættes forstærkningen normalt af eksterne feedbackmodstande. For eksempel bruger en ikke-inverterende operationsforstærker modstandsforholdet omkring feedback-banen til at indstille forstærkningen. Dette gør operationsforstærkere meget fleksible, fordi den samme enhed kan bruges til buffering, lav forstærkning, høj forstærkning, filtrering eller signalbehandling.

• I en differentialforstærker afhænger forstærkningen også af modstandsforholdene, men modstandstilpasning bliver mere kritisk. Hvis modstandsforholdene ikke er tæt matchede, kan forstærkeren give forstærkningsfejl og svagere fællesmode-afvisning. For præcisionsdifferentialkredsløb bruger designere ofte stramme modstande såsom 0,1 % eller 0,01 % dele i stedet for standard modstande på 1 %.

• I en instrumenteringsforstærker indstilles forstærkningen ofte af en ekstern modstand eller et internt forstærkningsnetværk, hvilket gør det lettere at opnå stabil forstærkning i sensor- og målekredsløb. Analog Devices bemærker, at op-amps konfigureres gennem flere eksterne komponenter, mens instrumenteringsforstærkere ofte konfigureres til gain via én modstand eller valgbare gain-taps.

Fællesmodus-afvisning og støjafvisning

Fællesmodus-afvisning beskriver, hvor godt en forstærker afviser signaler, der optræder på begge indgange samtidig. Dette er vigtigt, fordi rigtige kredsløb ofte opfanger delt støj fra strømledninger, motorer, skiftende strømforsyninger, lange sensorledninger eller nærliggende digitale kredsløb. Hvis forstærkeren har dårlig fællesmode-afvisning, kan noget af den uønskede støj opstå ved udgangen og reducere signalets nøjagtighed.

• Op-amps kan afvise fællesmodesignaler, men deres faktiske ydeevne afhænger af kredsløbskonfigurationen og feedback-designet.

• En differentialforstærker er specifikt lavet til at forstærke forskellen mellem to indgange, men dens CMRR afhænger i høj grad af modstandsmatching. Hvis modstandsnetværket ikke er balanceret, bliver fællesmodus-støjafvisningen svagere.

• Instrumentforstærkere giver normalt den stærkeste fællesmode-afvisning, fordi de er designet til små differentielle signaler i støjende miljøer. I mange præcisionssensorapplikationer kan instrumenteringsforstærkere have CMRR-værdier omkring 80 dB til over 120 dB, afhængigt af forstærkning og enhedstype.

Derfor foretrækkes de ofte til brosensorer, termoelementer og medicinske eller industrielle målesignaler. Analog Devices beskriver instrumenteringsforstærkere som differentialindgangsforstærkningsblokke, der ofte anvendes, hvor høj indgangsimpedans og common-mode afvisning er nødvendig.

Indgangsimpedans og kildebelastning

Indgangsimpedans viser, hvor meget forstærkeren påvirker signalkilden. En høj indgangsimpedans betyder, at forstærkeren tager meget lidt strøm fra kilden, så det oprindelige signal bevares bedre. En lav indgangsimpedans kan belaste kilden, reducere den målte spænding og skabe signalfejl, før forstærkningen overhovedet begynder.

• Op-amps har normalt høj indgangsimpedans, især CMOS- og JFET-indgangstyper. Dette gør dem nyttige til spændingsbuffering og generel signalbehandling.

• Differentialforstærkere kan have lavere effektiv indgangsimpedans, fordi indgangssignalet ofte passerer gennem modstandsnetværk. Dette kan blive et problem, når kildesignalet er svagt eller kommer fra en højimpedanssensor.

• Instrumenteringsforstærkere leverer normalt meget høj og balanceret indgangsimpedans på begge indgange, hvilket hjælper med at forhindre sensorbelastning.

Offset, drift og målenøjagtighed

Forskudspænding er en lille uønsket spændingsfejl, der opstår ved forstærkerindgangen. Selv når de to indgangssignaler er ens, kan en reel forstærker stadig give en lille udgangsfejl på grund af intern ubalance. Denne fejl bliver mere alvorlig, når man måler meget små signaler, såsom mikrovolt- eller millivolt-sensorudgange.

Drift betyder, at offset- eller gevinsten ændrer sig, efterhånden som temperaturen ændrer sig over tid. Dette er vigtigt i industrielle, bil- og præcisionsmålekredsløb, fordi forstærkeren måske ikke forbliver ved én fast temperatur. Generelle op-amps kan være acceptable til grundlæggende signalbehandling, men præcisions-op-amps og instrumenteringsforstærkere er bedre, når offset og drift skal være meget lav. For eksempel kan nogle nul-drift præcisions-opampere have offset-spænding i submikrovoltsområdet og offsetdrift så lavt som 0,005 μV/°C, afhængigt af enheden. TI's OPAx189 præcisionsforstærkerfamilie er et eksempel, der angiver meget lave offset- og driftværdier til præcisionssignalmåling.

5,5 Båndbredde, slew rate og signalrespons

Båndbredde viser det frekvensområde, en forstærker kan håndtere uden større signaltab. Slew rate viser, hvor hurtigt udgangsspændingen kan ændre sig, normalt målt i V/μs. Disse to faktorer afgør, om forstærkeren kan følge hurtigt skiftende indgangssignaler nøjagtigt. Hvis båndbredden er for lav, bliver højfrekvente signaler svagere. Hvis slew-raten er for lav, kan outputtet se forvrænget ud, når signalet ændrer sig hurtigt.

For operationsforstærkere er båndbredde ofte relateret til gain-båndbreddeproduktet. Det betyder, at når lukket sløjfe-forstærkning øges, falder brugbar båndbredde som regel. For eksempel, hvis en spændings-feedback operationsforstærker har et forstærknings-båndbreddeprodukt på 10 MHz, kan den give omkring 10 MHz båndbredde ved forstærkning på 1, men kun omkring 1 MHz ved forstærkning på 10 i et forenklet tilfælde. Den lukkede sløjfe forstærkning og båndbreddeprodukt er en nøglefaktor for mange spændings-feedback operationsforstærkere.

Differential- og instrumentforstærkere har også båndbreddebegrænsninger, især ved højere forstærkning. Instrumenteringsforstærkere er ofte optimeret til præcision og støjreduktion frem for meget høj hastighed, så deres båndbredde kan blive smallere, efterhånden som forstærkningen øges. For hurtige signaler bør du tjekke både båndbredde og slew rate i databladet. Fuldeffektbåndbredden bør normalt være flere gange højere end den maksimale udgangssignalfrekvens for at undgå forvrængning i højhastighedsforstærkerdesign

Virkelige anvendelser af hver forstærkertype

Operationsforstærkerapplikationer

Operationsforstærkere anvendes bredt, når et kredsløb har brug for fleksibel signalkontrol. De kan forstærke svage spændingssignaler, buffere ét kredsløbstrin fra et andet, filtrere uønskede frekvenser eller justere et signal, før det går til en ADC, mikrocontroller eller et andet analogt kredsløb. Fordi forstærkning og funktion sættes af eksterne feedback-komponenter, kan én op-amp IC understøtte mange forskellige kredsløbsroller.

Et almindeligt eksempel er LM358. Det er en dobbelt operationsforstærker, der ofte bruges i omkostningsfølsomme analoge kredsløb. Texas Instruments opgiver LM358 som en dobbelt, 30-V, 700-kHz operationsforstærker, hvilket gør den egnet til generel signalbehandling, lavfrekvent forstærkning, sensorgrænsefladekredsløb og grundlæggende analoge kontrolsystemer. For eksempel kan en LM358 bruges til at forstærke en lille sensorspænding, før den aflæses af en mikrocontroller, eller den kan fungere som en spændingsbuffer, så næste kredsløbstrin ikke belaster signalkilden.

Operationsforstærkere er også almindelige i aktive filtre, lydforforstærkere, spændingsfølgere, fejlforstærkere i strømforsyninger og komparatorlignende signaldetektionskredsløb. De er som regel det bedste valg, når kredsløbet har brug for fleksibilitet frem for den højeste præcision.

Differentialforstærkerapplikationer

Differentialforstærkere bruges, når kredsløbet skal måle forskellen mellem to spændingspunkter i stedet for at måle én spænding i forhold til jord. Dette gør dem nyttige til strømmåling, spændingssubtraktion, modtagning af balancerede signaler, motorstyringsfeedback og kredsløb, hvor uønsket støj opstår på begge indgangslinjer. Ved at fokusere på spændingsforskellen kan en differentialforstærker reducere delt støj og udtrække det nyttige signal.

Et rigtigt IC-eksempel er AD8276 fra Analog Devices. AD8276 er en unity-gain differensforstærker designet til præcisionssignalbehandling i lavstrømsapplikationer. Den inkluderer lasertrimmede interne modstande, som hjælper med at forbedre forstærkningsnøjagtigheden og fællesmod-afvisningen sammenlignet med en simpel differentialforstærker med diskrete modstande. Analog Devices lister AD8276/AD8277 som generelle differensforstærkere med 86 dB common-mode afvisningsforhold og lav gain drift.

I reelle kredsløb kan en enhed som AD8276 bruges til strømmåling, præcisionsspændingsmåling, enkelende-til-differential konvertering og industriel signalbehandling. Den er nyttig, når designeren har brug for præcis subtraktion mellem to signaler, men ikke har brug for den fulde sensormålingsydelse som en instrumentforstærker.

Instrumenteringsforstærkerapplikationer

Instrumentforstærkere bruges, når kredsløbet skal måle meget små differentielle signaler nøjagtigt, især når der er støj til stede. De er almindelige i sensorsystemer, fordi de giver høj indgangsimpedans, stabil forstærkning og stærk fællesmod-afvisning. Dette hjælper med at forhindre, at svage sensorsignaler bliver belastet eller forvrænget før forstærkning.

Et almindeligt eksempel er INA333 fra Texas Instruments. INA333 er en lav-effekt, præcisionsinstrumenteringsforstærker designet til nøjagtig signalmåling. TI oplyser, at den bruger en tre-op-forstærker instrumenteringsforstærker, og at en enkelt ekstern modstand kan indstille forstærkningen. Dette gør den nyttig til bærbare og sensorbaserede applikationer, hvor små signaler kræver ren forstærkning.

Instrumentforstærkere bruges ofte sammen med belastningsceller, deformationsmålere, brosensorer, termoelementer, tryksensorer, biomedicinske sensorer og dataindsamlingssystemer. For eksempel kan en load cell kun producere et lille millivolt-niveausignal, når vægten påføres. En instrumenteringsforstærker som INA333 kan forstærke det lille differentielle signal, samtidig med at den afviser støj, som sensorledningerne opfanger.

Valg af Ægte Eksempel Forstærker

Konklusion

Operationsforstærkere, differentialforstærkere og instrumenteringsforstærkere opfylder hver især forskellige signalbehov. Brug en op-amp til fleksibel forstærkning, buffering, filtrering og generel signalbehandling. Brug en differentialforstærker, når kredsløbet skal sammenligne to spændingspunkter eller reducere delt støj. Brug en instrumentforstærker, når du måler meget små sensorsignaler, der kræver høj nøjagtighed, høj indgangsimpedans og kraftig støjafvisning. Valget af den rigtige forstærker afhænger af signaltype, støjniveau, nøjagtighed, hastighed og kredsløbskrav.