Förstärkare är elektroniska kretsar som ökar styrkan i en signal så att den kan bearbetas, mätas eller överföras mer effektivt. I analoga system är signaler från sensorer, ljudkällor eller styrkretsar ofta för svaga för att användas direkt, så förstärkare används för att öka spänningsnivåerna, förbättra signalkvaliteten och förbereda signalen för nästa steg. Operationsförstärkare, differentialförstärkare och instrumentförstärkare hanterar signaler på olika sätt och används i olika situationer. Den här artikeln jämför dessa tre förstärkartyper, förklarar hur de fungerar, hur de skiljer sig åt och hur man väljer rätt för verkliga tillämpningar.
Vad är en operationsförstärkare?
En operationsförstärkare, eller operationsförstärkare, är en elektronisk förstärkare som ökar skillnaden mellan två ingångsspänningar och producerar en utgångsspänning. Den har två ingångsterminaler: den icke-inverterande ingången (+) och den inverterande ingången (−). Utgången ändras beroende på spänningsskillnaden mellan dessa två ingångar.
I praktiska kretsar används vanligtvis en operationsförstärkare med externa återkopplingskomponenter såsom motstånd och kondensatorer. Dessa delar styr förstärkning, stabilitet, bandbredd och det övergripande beteendet hos kretsen. Den grundläggande idén om en operationsförstärkare kan uttryckas som:
Vout = Aol(V+ − V−)
där Vout är utgångsspänningen, Aol är öppen slinga-förstärkning, V+ är den icke-inverterande ingångsspänningen och V− är den inverterande ingångsspänningen. I verkliga tillämpningar styrs den mycket höga öppen-loop-förstärkningen vanligtvis av negativ återkoppling så att kretsen kan producera en stabil och förutsägbar utgång.
Vad är en differentialförstärkare?
En differentialförstärkare ökar skillnaden mellan två ingångsspänningar och minskar signaler som visas lika mycket på båda ingångarna. Dessa lika signaler kallas gemensamma signaler. På grund av detta är en differentialförstärkare användbar när den viktiga signalen är spänningsskillnaden mellan två punkter, inte bara en signal mätt mot jord.
En grundläggande differentialförstärkare har två ingångar, ofta kallade V1 och V2, samt en utgång. Utgången förändras beroende på skillnaden mellan de två indatana. Om båda ingångarna höjs eller sänks tillsammans på grund av brus eller störningar försöker förstärkaren avvisa den delade signalen och bara förstärka den användbara skillnaden.
Grundidén kan uttryckas som:
Vout = Ad(V2 − V1)
där Vout är utgångsspänningen, Ad är differentialförstärkningen, och V2 − V1 är spänningsskillnaden mellan de två ingångssignalerna.
Vad är en instrumentförstärkare?
En instrumenteringsförstärkare är en precisionsförstärkare som är utformad för att förstärka mycket små differentiella signaler samtidigt som den avvisar brus eller oönskade signaler som förekommer lika mycket på båda ingångarna. Den används ofta när signalen kommer från sensorer, eftersom många sensorer ger svaga spänningsförändringar som kräver noggrann förstärkning innan bearbetning.
En instrumenteringsförstärkare har två ingångsterminaler och vanligtvis en utgångsterminal. Liksom en differentialförstärkare förstärker den skillnaden mellan de två ingångsspänningarna. Den ger dock högre ingångsimpedans, bättre common-mode-avstötning och mer stabil förstärkning än en grundläggande differentialförstärkare. Detta hjälper till att förhindra sensorbelastning och förbättrar mätnoggrannheten.
Grundidén kan uttryckas som:
Vout = G(V2 − V1)
där Vout är utgångsspänningen, G är förstärkarens förstärkning och V2 − V1 är den differentiella ingångsspänningen.
Op-amp vs differentiell förstärkare vs instrumenteringsförstärkare
| Jämförelsepunkt | Operationsförstärkare | Differentialförstärkare | Instrumenteringsförstärkare |
|---|---|---|---|
| Inmatningstyp | Kan användas med enkeländad eller differentiell ingång beroende på kretsdesign | Använder två ingångssignaler och svarar på deras skillnad | Använder två ingångssignaler och svarar på deras skillnad |
| Utgångstyp | Vanligtvis enkeländad utgång | Vanligtvis enkeländad utgång, men fullt differentierade versioner finns också | Vanligtvis enkeländad utgång, beroende på IC-design |
| Grundläggande ekvation | Vout = Aol(V+ − V−) | Vout = Ad(V2 − V1) | Vout = G(V2 − V1) |
| Förstärkningskontroll | Förstärkningen sätts vanligtvis av externa återkopplingsmotstånd | Förstärkning sätts av motståndsförhållanden | Förstärkningen sätts ofta av ett förstärkningsinställande motstånd |
| Ingångsimpedans | Vanligtvis högt, beroende på typ och konfiguration av operationsförstärkare | Måttliga till höga, men grundläggande motståndsdesigner kan belasta källan | Mycket högt, vilket gör den lämplig för sensorer |
| Noggrannhetsnivå | Allmän användning till precision, beroende på vilken operationsförstärkare som används | Måttlig till bra noggrannhet | Hög noggrannhet |
| Offsetfel | Det beror på vilken op-amp som väljs | Påverkad av operationsförstärkarförskjutning och motståndsmismatch | Vanligtvis låg offset och låg drift i precisionsmodeller |
| Bandbredd | Brett omfång, beroende på operationsförstärkare | Beror på operationsförstärkare, förstärkning och motståndsnätverk | Ofta lägre än vanliga operationsförstärkare vid hög gain |
| Kretskomplexitet | Enkelt till måttligt | Måttlig | Måttligt till högt, men enkelt när man använder en integrerad IC |
| Externa komponenter | Återkopplingsmotstånd och andra delar beroende på konfiguration | Kräver noggrant matchade motstånd | Behöver ofta bara ett gain-inställande motstånd och några supportdelar |
| Känslighet för resistormatchning | Viktigt i förstärkningskretsar | Mycket viktigt för förstärkningsnoggrannhet och CMRR | Mindre svårt för användare när man använder integrerade IC:er med matchade motstånd |
| Bästa användningen | Allmän förstärkning, filtrering, buffring och analog signalbehandling | Mätning av spänningsskillnader mellan två punkter | Precisionsmätning av sensorsignaler |
| Huvudfördel | Mycket flexibel och allmänt tillgänglig | Avvisar vanliga signaler och mäter spänningsskillnader | Hög noggrannhet, hög ingångsimpedans och stark common mode-avvisning |
| Huvudbegränsning | Inte alltid idealiskt för små sensorsignaler utan extra konstruktionsomsorg | Noggrannheten beror på motståndsanpassning och ingångsimpedans | Mer specialiserade och kan kosta mer än grundläggande operationsförstärkarkretsar |
Nyckelförstärkarprestandafaktorer att beakta
Förstärkningsinställning och förstärkningsnoggrannhet
Förstärkningsinställningen förklarar hur förstärkarens utgångsförstärkning kontrolleras, medan förstärkningsnoggrannhet förklarar hur nära den faktiska förstärkningen är det förväntade värdet.
• I en operationsförstärkarkrets bestäms förstärkningen vanligtvis av externa återkopplingsmotstånd. Till exempel använder en icke-inverterande operationsförstärkare motståndsförhållandet runt återkopplingsvägen för att ställa in förstärkningen. Detta gör operationsförstärkare mycket flexibla eftersom samma enhet kan användas för buffring, låg förstärkning, hög förstärkning, filtrering eller signalbehandling.
• I en differentialförstärkare beror förstärkningen också på motståndsförhållandena, men motståndsanpassning blir mer kritisk. Om motståndsförhållandena inte är nära matchade kan förstärkaren ge förstärkningsfel och svagare avstötning i allmänt läge. För precisionsdifferentialkretsar använder konstruktörer ofta motstånd med snäva toleranser, såsom 0,1 % eller 0,01 % delar istället för standardmotstånd på 1 %.
• I en instrumentförstärkare ställs förstärkningen ofta in av ett externt motstånd eller ett internt förstärkningssystem, vilket gör det lättare att uppnå stabil förstärkning i sensor- och mätkretsar. Analog Devices noterar att operationsförstärkare konfigureras via flera externa komponenter, medan instrumentförstärkare vanligtvis är konfigurerade för förstärkning via ett motstånd eller valbara förstärkningstappar.
Gemensam mode-avvisning och brusavvisning
Common-mode avvisning beskriver hur väl en förstärkare avvisar signaler som visas på båda ingångarna samtidigt. Detta är viktigt eftersom verkliga kretsar ofta plockar upp delat brus från kraftledningar, motorer, switchande nätaggregat, långa sensorledningar eller närliggande digitala kretsar. Om förstärkaren har dålig common mode-avstötning kan en del av det oönskade bruset uppstå vid utgången och minska signalens noggrannhet.
• Operationsförstärkare kan avvisa gemensammare signaler, men deras faktiska prestanda beror på kretskonfigurationen och återkopplingsdesignen.
• En differentialförstärkare är specifikt gjord för att förstärka skillnaden mellan två ingångar, men dess CMRR är starkt beroende av resistormatchning. Om motståndsnätverket inte är balanserat blir allmänmodsbrusavstötningen svagare.
• Instrumentförstärkare ger vanligtvis den starkaste gemensamma mode-avvisningen eftersom de är designade för små differentiella signaler i brusiga miljöer. I många precisionssensorapplikationer kan instrumentförstärkare ha CMRR-värden på omkring 80 dB till över 120 dB, beroende på förstärkning och enhetstyp.
Det är därför de ofta föredras för bryggsensorer, termoelement och medicinska eller industriella mätsignaler. Analog Devices beskriver instrumenteringsförstärkare som differentiella ingångsförstärkningsblock som ofta används där hög ingångsimpedans och common mode-avvisning behövs.
Ingångsimpedans och källladdning
Ingångsimpedans visar hur mycket förstärkaren påverkar signalkällan. En hög ingångsimpedans innebär att förstärkaren tar mycket lite ström från källan, så den ursprungliga signalen bevaras bättre. En låg ingångsimpedans kan belasta källan, minska den uppmätta spänningen och skapa signalfel innan förstärkningen ens påbörjas.
• Op-amps har vanligtvis hög ingångsimpedans, särskilt CMOS- och JFET-ingångstyper. Detta gör dem användbara för spänningsbuffring och allmän signalbehandling.
• Differentialförstärkare kan ha lägre effektiv ingångsimpedans eftersom insignalen ofta passerar genom motståndsnätverk. Detta kan bli ett problem när källsignalen är svag eller kommer från en högimpedanssensor.
• Instrumentförstärkare ger vanligtvis mycket hög och balanserad ingångsimpedans på båda ingångarna, vilket hjälper till att förhindra sensorbelastning.
Offset, drift och mätnoggrannhet
Offsetspänning är ett litet oönskat spänningsfel som uppstår vid förstärkarens ingång. Även när de två ingångssignalerna är lika kan en verklig förstärkare fortfarande ge ett litet utgångsfel på grund av intern obalans. Detta fel blir allvarligare vid mätning av mycket små signaler, såsom mikrovolt- eller millivoltnivåsensorutgångar.
Drift innebär att offset eller förstärkning förändras när temperaturen förändras över tid. Detta är viktigt i industriella, bil- och precisionsmätkretsar eftersom förstärkaren kanske inte håller en fast temperatur. Allmänna operationsförstärkare kan vara acceptabla för grundläggande signalbehandling, men precisionsförstärkare och instrumentförstärkare är bättre när offset och drift måste vara mycket låga. Till exempel kan vissa precisions-opampare med zero drift ha offsetspänning i submikrovoltsområdet och offsetdrift så lågt som 0,005 μV/°C, beroende på enheten. TI:s familj av precisionsförstärkare OPAx189 är ett exempel som listar mycket låga offset- och driftvärden för precisionssignalmätning.
5,5 Bandbredd, slewhastighet och signalrespons
Bandbredden visar det frekvensområde en förstärkare kan hantera utan större signalförlust. Slew-hastigheten visar hur snabbt utgångsspänningen kan ändras, vanligtvis mätt i V/μs. Dessa två faktorer avgör om förstärkaren kan följa snabbt skiftande insignaler korrekt. Om bandbredden är för låg blir högfrekventa signaler svagare. Om slew rate är för låg kan utgången se förvrängd ut när signalen ändras snabbt.
För operationsförstärkare är bandbredd ofta relaterad till förstärknings-bandbreddsprodukten. Detta innebär att när sluten slingas förstärkning ökar minskar brukbar bandbredd vanligtvis. Till exempel, om en spänningsåterkopplings-operationsförstärkare har en förstärknings-bandbreddsprodukt på 10 MHz, kan den ge omkring 10 MHz bandbredd vid förstärkning 1, men endast runt 1 MHz vid förstärkning 10, i ett förenklat fall. Den slutna slingans förstärkning och bandbreddsprodukt är en nyckelfaktor för många spänningsåterkopplings-operationsförstärkare.
Differential- och instrumentförstärkare har också bandbreddsbegränsningar, särskilt vid högre förstärkning. Instrumenteringsförstärkare är ofta optimerade för precision och brusavledning snarare än mycket hög hastighet, så deras bandbredd kan bli smalare när förstärkningen ökar. För snabba signaler bör du kontrollera både bandbredd och slew rate i databladet. Fulleffektsbandbredden bör vanligtvis vara flera gånger högre än den maximala utgångssignalen för att undvika distorsion i högpresterande förstärkardesigner
Verkliga tillämpningar av varje förstärkartyp
Operationsförstärkarapplikationer
Operationsförstärkare används i stor utsträckning när en krets behöver flexibel signalstyrning. De kan förstärka svaga spänningssignaler, buffra ett kretssteg från ett annat, filtrera oönskade frekvenser eller justera en signal innan den går till en ADC, mikrokontroller eller en annan analog krets. Eftersom förstärkning och funktion bestäms av externa återkopplingskomponenter kan en op-amp IC stödja många olika kretsroller.
Ett vanligt exempel är LM358. Det är en dubbel operationsförstärkare som ofta används i kostnadskänsliga analoga kretsar. Texas Instruments listar LM358 som en dubbel, 30-V, 700-kHz operationsförstärkare, vilket gör den lämplig för allmän signalbehandling, lågfrekvent förstärkning, sensorgränssnittskretsar och grundläggande analoga styrsystem. Till exempel kan en LM358 användas för att förstärka en liten sensorspänning innan den läses av en mikrokontroller, eller så kan den fungera som en spänningsbuffert så att nästa kretssteg inte belastar signalkällan.
Operationsförstärkare är också vanliga i aktiva filter, ljudförförstärkare, spänningsföljare, felförstärkare i nätaggregat och komparatorliknande signaldetekteringskretsar. De är vanligtvis det bästa valet när kretsen behöver flexibilitet snarare än högsta noggrannhet i mätning.
Differentialförstärkarapplikationer
Differentialförstärkare används när kretsen behöver mäta skillnaden mellan två spänningspunkter istället för att mäta en spänning i förhållande till jord. Detta gör dem användbara för strömmätning, spänningssubtraktion, mottagning av balanserade signaler, motorstyrningsåterkoppling och kretsar där oönskat brus uppstår på båda ingångslinjerna. Genom att fokusera på spänningsskillnaden kan en differentialförstärkare minska delat brus och extrahera den användbara signalen.
Ett verkligt IC-exempel är AD8276 från Analog Devices. AD8276 är en unity-gain differensförstärkare designad för precisionssignalbehandling i lågströmsapplikationer. Den inkluderar lasertrimmade interna motstånd, vilket hjälper till att förbättra förstärkningsnoggrannhet och gemenstemsrejection jämfört med en enkel differensförstärkare med diskreta motstånd. Analog Devices listar AD8276/AD8277 som allmänna differensförstärkare med 86 dB common mode rejection ratio och låg gain drift.
I verkliga kretsar kan en enhet som AD8276 användas för strömmätning, precisionsmätning av spänning, enkeländad till differentialomvandling och industriell signalbehandling. Den är användbar när konstruktören behöver exakt subtraktion mellan två signaler men inte behöver den fulla sensormätningsprestandan hos en instrumentförstärkare.
Tillämpningar av instrumentförstärkare
Instrumenteringsförstärkare används när kretsen måste mäta mycket små differentiella signaler noggrant, särskilt när brus förekommer. De är vanliga i sensorsystem eftersom de ger hög ingångsimpedans, stabil förstärkning och stark common mode-avvisning. Detta hjälper till att förhindra att svaga sensorsignaler belastas eller förvrängs innan förstärkning.
Ett vanligt exempel är INA333 från Texas Instruments. INA333 är en lågströms, precisionsinstrumentförstärkare designad för noggrann signalmätning. TI uppger att den använder en tre-op-förstärkar-instrumenteringsdesign och att ett enda externt motstånd kan ställa in förstärkningen. Detta gör den användbar för portabla och sensorbaserade applikationer där små signaler behöver ren förstärkning.
Instrumentförstärkare används ofta med lastceller, töjningsmätare, bryggsensorer, termoelement, trycksensorer, biomedicinska sensorer och datainsamlingssystem. Till exempel kan en lastcell endast producera en liten millivoltssignal när vikt appliceras. En instrumentförstärkare som INA333 kan förstärka den lilla differentiella signalen samtidigt som den avvisar brus som plockas upp av sensorledningarna.
Verkligt exempel på förstärkarval
| Systemanvändningsfall | Signaltyp | Nyckelkrav | Rekommenderad förstärkare | Varför det passar |
|---|---|---|---|---|
| Ljudförstärkare (mikrofon till högtalare) | mV till V (enkeländad) | Flexibel förstärkning, bred bandbredd | Op-Amp (t.ex. TL072, LM358) | Hanterar signalförstärkning, filtrering och buffring med enkel design |
| Motorströmsövervakning | mV (över shunt, differential) | Bulleravstötning, PWM-immunitet | Differentialförstärkare (t.ex. INA240) | Mäter spänningsskillnad och avvisar växlingsbrus |
| Medicinskt EKG-system | μV (mycket liten differential) | Hög noggrannhet, hög CMRR | Instrumenteringsförstärkare (t.ex. AD8232) | Förstärker svaga signaler med stark brusavvisning |
| Lastcell / Vägsystem | mV (bryggsensor) | Hög ingångsimpedans, stabil förstärkning | Instrumenteringsförstärkare (t.ex. INA333) | Förhindrar sensorbelastning och säkerställer noggrann mätning |
| Strömförsörjningsåterkopplingsstyrning | V (enkeländad) | Stabil förstärkning, snabb respons | Op-Amp | Används som felförstärkare för spänningsreglering |
| Industriell sensorgränssnitt | mV till V (differential eller enkeländad) | Noggrannhet och bullerhantering | Op-amp eller instrumenteringsförstärkare | Valet beror på signalstyrka och brusnivå |
| Batteriströmsmätning | mV (låg eller hög differential) | Precision, låg drift | Differentialförstärkare | Mäter noggrant små spänningsfall över shuntmotståndet |
Slutsats
Operationsförstärkare, differentialförstärkare och instrumentförstärkare fyller alla olika signalbehov. Använd en operationsförstärkare för flexibel förstärkning, buffring, filtrering och allmän signalbehandling. Använd en differentialförstärkare när kretsen behöver jämföra två spänningspunkter eller minska delat brus. Använd en instrumentförstärkare när du mäter mycket små sensorsignaler som kräver hög noggrannhet, hög ingångsimpedans och stark brusavledning. Valet av rätt förstärkare beror på signaltyp, brusnivå, noggrannhet, hastighet och kretskrav.
