مضخم كسب قابل للبرمجة باستخدام mosfet والترانزستور

في صناعة القياس ، هناك كتلة وظيفية بالغة الأهمية هي مضخم الكسب القابل للبرمجة (PGA). إذا كنت من المتحمسين للإلكترونيات أو طالبًا جامعيًا ، فمن المحتمل أن تكون قد رأيت مقياسًا متعددًا أو راسمًا الذبذبات يقيس الفولتية الصغيرة جدًا بشكل ثمين للغاية لأن الدائرة تحتوي على PGA مدمج جنبًا إلى جنب مع ADC قوي يساعد في عملية القياس الدقيقة.

في الوقت الحاضر ، يوفر مضخم PGA الجاهز على الرف ، مضخمًا غير مقلوبًا مع عامل كسب قابل للبرمجة بواسطة المستخدم. يتميز هذا النوع من الأجهزة بمقاومة عالية جدًا للإدخال وعرض نطاق عريض ومرجع جهد دخل قابل للتحديد مدمج في IC. لكن كل هذه الميزات تأتي بتكلفة ، وبالنسبة لي ، لا يستحق وضع هذه الشريحة الباهظة الثمن لتطبيق عام.

لذلك للتغلب على هذه المواقف ، توصلت إلى ترتيب يتكون من Op-amp و MOSFET و Arduino ، والذي من خلاله تمكنت من تغيير مكاسب op-amp برمجيًا. لذلك ، في هذا البرنامج التعليمي ، سأوضح لك كيفية إنشاء مضخم الكسب القابل للبرمجة الخاص بك باستخدام LM358 op-amp و MOSFETS ، وسأناقش بعض إيجابيات وسلبيات الدائرة إلى جانب الاختبار.

أساسيات Op-Amp

لفهم عمل هذه الدائرة ، من المهم جدًا معرفة كيفية عمل مكبر الصوت التشغيلي. تعرف على المزيد حول Op-amp باتباع دائرة اختبار op-amp.

في الشكل أعلاه ، يمكنك رؤية مكبر للصوت التشغيلي. تتمثل المهمة الأساسية لمكبر الصوت في تضخيم إشارة الإدخال ، جنبًا إلى جنب مع التضخيم ، يمكن لجهاز op-amp أيضًا إجراء عمليات مختلفة مثل الجمع والتفاضل والدمج وما إلى ذلك. تعرف على المزيد حول مضخم التجميع ومكبر الصوت التفاضلي هنا.

يحتوي Op-amp على ثلاث محطات فقط. يُطلق على المحطة الطرفية التي تحمل علامة (+) إدخال غير مقلوب ، وتسمى المحطة الطرفية التي تحمل علامة (-) الإدخال المقلوب. إلى جانب هاتين المحطتين ، فإن المحطة الثالثة هي محطة الإخراج.

يتبع المرجع أمبير قاعدتين فقط

1. لا يتدفق التيار داخل أو خارج مدخلات المرجع أمبير.
2. يحاول جهاز op-amp إبقاء المدخلات عند نفس مستويات الجهد.

وبتوضيح هاتين القاعدتين ، يمكننا تحليل الدوائر أدناه. تعرف أيضًا على المزيد حول Op-amp من خلال الانتقال عبر مختلف الدوائر القائمة على Op-amp.

مضخم الكسب القابل للبرمجة يعمل

يمنحك الشكل أعلاه فكرة أساسية عن ترتيب الدائرة لمضخم PGA الخاص بي. في هذه الدائرة ، تم تكوين op-amp كمضخم غير مقلوب ، وكما نعلم جميعًا مع ترتيب الدائرة غير المقلوبة ، يمكننا تغيير كسب op-amp عن طريق تغيير مقاومة التغذية المرتدة أو المقاوم المدخل ، كما ترون من ترتيب الدائرة أعلاه ، أحتاج فقط إلى تبديل MOSFETs واحدًا تلو الآخر لتغيير كسب op-amp.

في قسم الاختبار ، قمت فقط بتبديل دوائر MOSFET واحدة تلو الأخرى وقارنت القيم المقاسة بالقيم العملية ، ويمكنك ملاحظة النتائج في قسم "اختبار الدائرة" أدناه.

المكونات مطلوبة

1. اردوينو نانو - 1
2. LM358 إيك - 1
3. منظم LM7805 - 1
4. BC548 ترانزستور NPN عام - 2
5. BS170 Generic N-channel MOSFET - 2
6. 200 كيلو المقاوم -1
7. 50 كيلو المقاوم -2
8. 24 كيلو المقاوم -2
9. 6.8 كيلو المقاوم -1
10. 1K المقاوم - 4
11. 4.7K المقاوم - 1
12. 220R ، 1٪ المقاوم -1
13. مفتاح اللمس عام - 1
14. كهرماني LED 3 مم - 2
15. لوحة الخبز العامة - 1
16. أسلاك توصيل عامة - 10
17. مصدر الطاقة ± 12 فولت - 1

رسم تخطيطى

للحصول على عرض توضيحي لمضخم الكسب القابل للبرمجة ، يتم إنشاء الدائرة على لوح تجارب غير ملحوم بمساعدة المخطط ؛ لتقليل الحث الطفيلي الداخلي وسعة اللوح ، تم وضع جميع المكونات في أقرب مكان ممكن.

وإذا كنت تتساءل عن سبب وجود مجموعة من الأسلاك في لوح التجارب الخاص بي؟ دعني أخبرك أنه يجب إجراء اتصال أرضي جيد لأن الاتصالات الأرضية الداخلية في اللوح سيئة للغاية.

هنا يتم تكوين المرجع أمبير في الدائرة كمضخم غير مقلوب ويكون جهد الدخل من منظم الجهد 7805 هو 4.99 فولت.

القيمة المقاسة للمقاوم R6 هي 6.75K و R7 هي 220.8R ، يشكل هذان المقاومان مقسم جهد يستخدم لتوليد جهد اختبار الدخل للمرجع. يتم استخدام المقاومات R8 و R9 للحد من تيار قاعدة الإدخال للترانزستور T3 و T4. تُستخدم المقاومات R10 و R11 للحد من سرعة التبديل لوحدات MOSFETs T1 و T2 ، وإلا فقد تسبب تذبذبًا في الدائرة.

في هذه المدونة ، أريد أن أوضح لك سبب استخدام MOSFET بدلاً من BJT ، ومن هنا جاء ترتيب الدائرة.

كود اردوينو لـ PGA

هنا يتم استخدام Arduino Nano للتحكم في قاعدة الترانزستور وبوابة MOSFET ، ويتم استخدام مقياس متعدد لإظهار مستويات الجهد لأن ADC المدمج في Arduino يقوم بعمل سيئ للغاية ، عندما يتعلق الأمر بالقياس المنخفض مستويات الجهد.

كود Arduino الكامل لهذا المشروع موضح أدناه. نظرًا لأن هذا رمز Arduino بسيط جدًا ، فلا نحتاج إلى تضمين أي مكتبات. لكننا نحتاج إلى تحديد بعض الثوابت ودبابيس الإدخال كما هو موضح في الكود.

و الإعداد باطل () هو كتلة وظيفية الرئيسي حيث يتم تنفيذ القراءة والكتابة العملية لجميع المدخلات والمخرجات وفقا للشرط.

#define BS170_WITH_50K_PIN 9 #define BS170_WITH_24K_PIN 8 #define BC548_WITH_24K_PIN 7 #define BC548_WITH_50K_PIN 6 # تعريف BUTTON_PIN 5 #define LED_PIN1 2 #define #Define_PIN؛ int debounce_counter = 0 ؛ إعداد باطل () {pinMode (BS170_WITH_50K_PIN، OUTPUT) ؛ pinMode (BS170_WITH_24K_PIN ، الإخراج) ؛ pinMode (BC548_WITH_24K_PIN ، الإخراج) ؛ pinMode (BC548_WITH_50K_PIN ، الإخراج) ؛ pinMode (LED_PIN1 ، الإخراج) ؛ pinMode (LED_PIN2 ، الإخراج) ؛ pinMode (BUTTON_PIN ، INPUT) ، } حلقة فارغة () {منطقي val = digitalRead (BUTTON_PIN) ؛ // قراءة قيمة الإدخال إذا (val == LOW) {debounce_counter ++ ؛ إذا (debounce_counter> PRESSED_CONFIDENCE_LEVEL) {debounce_counter = 0 ؛ button_is_pressed ++ ؛ } إذا (button_is_pressed == 0) {digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN ، HIGH) ؛ digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN ، منخفض) ؛digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN ، منخفض) ؛ digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN ، منخفض) ؛ الكتابة الرقمية (LED_PIN1 ، منخفضة) ؛ الكتابة الرقمية (LED_PIN2 ، منخفضة) ؛ } إذا (button_is_pressed == 2) {digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN ، HIGH) ؛ digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN ، منخفض) ؛ digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN ، منخفض) ؛ digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN ، منخفض) ؛ الكتابة الرقمية (LED_PIN1 ، منخفضة) ؛ الكتابة الرقمية (LED_PIN2 ، عالية) ؛ } إذا (button_is_pressed == 3) {digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN ، HIGH) ؛ digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN ، منخفض) ؛ digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN ، منخفض) ؛ digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN ، منخفض) ؛ الكتابة الرقمية (LED_PIN1 ، عالية) ؛ الكتابة الرقمية (LED_PIN2 ، عالية) ؛ } إذا (button_is_pressed == 1) {digitalWrite (BC548_WITH_50K_PIN ، HIGH) ؛ digitalWrite (BS170_WITH_50K_PIN ، منخفض) ؛ digitalWrite (BS170_WITH_24K_PIN ، منخفض) ؛ digitalWrite (BC548_WITH_24K_PIN ، منخفض) ؛ الكتابة الرقمية (LED_PIN1 ، عالية) ؛الكتابة الرقمية (LED_PIN2 ، منخفضة) ؛ } إذا (button_is_pressed> = 4) {button_is_pressed = 0 ؛ }}}

حسابات لمكبر الكسب القابل للبرمجة

القيم المقاسة لدائرة مكبر PGA موضحة أدناه.

Vin = 4.99V R7 = 220.8 Ω R6 = 6.82 KΩ R5 = 199.5K R4 = 50.45K R3 = 23.99K R2 = 23.98K R1 = 50.5K

ملحوظة! يتم عرض القيم المقاسة للمقاوم لأنه باستخدام قيم المقاوم المقاسة يمكننا مقارنة القيم النظرية والقيم العملية عن كثب.

الآن يظهر الحساب من حاسبة مقسم الجهد أدناه ،

خرج مقسم الجهد هو 0.1564 فولت

حساب كسب المضخم غير المقلوب للمقاومات الأربعة

صوت عندما يكون R1 هو المقاوم المحدد

الصوت = (1+ (199.5 / 50.5)) * 0.1564 = 0.77425 فولت

صوت عندما يكون R2 هو المقاوم المحدد

الصوت = (1+ (199.5 / 23.98)) * 0.1564 = 1.45755 فولت

صوت عندما يكون R3 هو المقاوم المحدد

صوت = (1+ (199.5 / 23.99)) * 0.1564 = 1.45701 فولت

صوت عندما يكون R4 هو المقاوم المحدد

صوت = (1+ (199.5 / 50.45)) * 0.1564 = 0.77486 فولت

فعلت كل ذلك لمقارنة القيم النظرية والعملية في أقرب وقت ممكن.

بعد إجراء جميع الحسابات ، يمكننا الانتقال إلى قسم الاختبار.

اختبار دائرة مضخم الكسب القابل للبرمجة

توضح لك الصورة أعلاه جهد الخرج عند تشغيل MOSFET T1 ، ومن ثم يتدفق التيار عبر المقاوم R1.

توضح لك الصورة أعلاه جهد الخرج عندما يكون الترانزستور T4 قيد التشغيل ، ومن ثم يتدفق التيار عبر المقاوم R4.

توضح لك الصورة أعلاه جهد الخرج عندما يكون MOSFET T2 قيد التشغيل ، ومن ثم يتدفق التيار عبر المقاوم R2.

توضح لك الصورة أعلاه جهد الخرج عندما يكون الترانزستور T3 قيد التشغيل ، ومن ثم يتدفق التيار عبر المقاوم R3.

كما ترون من التخطيطي أن T1 و T2 عبارة عن ترانزستورات MOSFET و T3 و T4. لذلك عند استخدام MOSFETs ، يكون الخطأ في نطاق 1 إلى 5 mV ولكن عند استخدام الترانزستورات كمفاتيح ، نحصل على خطأ في نطاق 10 إلى 50 mV.

مع النتائج المذكورة أعلاه ، من الواضح أن MOSFET هو حل الانتقال لهذا النوع من التطبيقات ، وقد تكون الأخطاء في النظرية والعملية ناتجة عن خطأ الإزاحة في op-amp.

ملحوظة! يرجى ملاحظة أنني أضفت اثنين من مصابيح LED فقط من أجل الاختبار ولا يمكنك العثور عليها في المخطط الفعلي ، فهي تعرض رمزًا ثنائيًا لإظهار الدبوس النشط

إيجابيات وسلبيات مضخم الكسب القابل للبرمجة

نظرًا لأن هذه الدائرة رخيصة وسهلة وبسيطة ، يمكن تنفيذها في العديد من التطبيقات المختلفة.

هنا يتم استخدام MOSFET كمفتاح لتمرير كل التيار عبر المقاوم إلى الأرض وهذا هو السبب في أن تأثير درجة الحرارة غير مؤكد ، ومع أدواتي المحدودة ومعدات الاختبار ، لم أتمكن من إظهار تأثيرات درجات الحرارة المتغيرة على الدائرة.

الهدف من استخدام BJT جنبًا إلى جنب مع MOSFETs هو أنني أريد أن أوضح لك مدى ضعف BJT لهذا النوع من التطبيقات.

يجب أن تكون قيم مقاومات التغذية المرتدة ومقاومات الإدخال في نطاق KΩ ، وذلك لأنه مع قيم المقاومة المنخفضة ، سيتدفق المزيد من التيار عبر MOSFET ، وبالتالي سينخفض ​​المزيد من الجهد عبر MOSFET مما يؤدي إلى نتائج غير متوقعة.

مزيد من التحسين

يمكن تعديل الدائرة بشكل أكبر لتحسين أدائها مثل إضافة الفلتر لرفض الضوضاء عالية التردد.

نظرًا لاستخدام LM358 jelly bean op-amp في هذا الاختبار ، فإن أخطاء الإزاحة في المرجع أمبير تلعب دورًا رئيسيًا في جهد الخرج. لذلك يمكن تحسينه بشكل أكبر باستخدام مضخم صوتي بدلاً من LM358.

هذه الدائرة مصنوعة فقط لأغراض العرض التوضيحي فقط. إذا كنت تفكر في استخدام هذه الدائرة في تطبيق عملي ، فيجب عليك استخدام جهاز op-amp من النوع المروحي ومقاوم عالي الدقة 0.1 أوم لتحقيق الاستقرار المطلق.

أتمنى أن تكون قد أحببت هذه المقالة وتعلمت شيئًا جديدًا منها. إذا كان لديك أي شك ، يمكنك أن تسأل في التعليقات أدناه أو يمكنك استخدام منتدياتنا لمناقشة مفصلة.