Verwenden eines Optokopplers zum Ändern der Verstärkung eines Operationsverstärkers

Betrachten Sie diese Schaltung, bei der es sich um einen nichtinvertierenden Standardverstärker mit einer Verstärkung von handelt A = 1+R1/R2.

Ich möchte diesen Verstärkungswert jetzt mithilfe eines Mikrocontroller-Pins dynamisch ändern können. Ich habe diese Lösung entwickelt, die den Wert des Rückkopplungswiderstands grundlegend ändert, indem ein weiterer Widerstand parallel eingefügt wird:

Ich denke, dass die neue Verstärkung (mit eingeschaltetem Optokoppler) ist

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

Würde diese Lösung tatsächlich so funktionieren, wie ich es beabsichtigt hatte? Ich mache mir besonders Sorgen, dass die Sättigungsspannung des Fototransistors den Operationsverstärker in irgendeiner Weise beeinflussen könnte. Wenn ja, gibt es eine alternative Lösung für dieses Problem?

Annahme : Es besteht ein gewisser Bedarf an optischer Isolation zwischen Verstärkungsregelung (uC-Ausgang) und Verstärkungsmodul.

Hier ist eine Vereinfachung des Ansatzes in der Frage, bei dem alle Transistoren / FETs aus dem Rückkopplungspfad entfernt werden und ein analoger (kontinuierlicher) Verstärkungsbereich unter Beibehaltung der Optokopplung bereitgestellt wird. Verwenden Sie einen LDR-Optokoppler, wie er in einigen klassischen und verwendet wird DIY Audioverstärker :

Verwenden Sie für eine einmalige oder DIY-Alternative stattdessen einen billigen und allgegenwärtigen lichtabhängigen CdS-Widerstand in Verbindung mit einer normalen LED:

Das Schema lautet also:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Der Verstärkungsregelungswiderstand ist die parallele Kombination von R1 und (R2 + R_LDR).

Durch Variieren entweder des Arbeitszyklus eines PWM-Signals oder der Spannung eines DAC-Ausgangspins des Mikrocontrollers wird die Lichtintensität der LED variiert. Wenn dies zunimmt, fällt der LED-Widerstand von einem sehr hohen Wert (dh einem geringen Einfluss auf die Verstärkungsberechnung) bei ausgeschalteter LED auf einen niedrigen Wert bei einem Tastverhältnis von nahezu 100%.

Hinweis : Bei Verwendung von PWM muss die PWM-Frequenz deutlich höher sein als das interessierende Frequenzband des Signals. Andernfalls wird die PWM in den Signalpfad eingekoppelt, wie in @ pjc50 angegeben.

Alle bereitgestellten Antworten sind mehr oder weniger praktikabel, haben jedoch einige Nachteile:

1. Alle Antworten außer Anindo Ghosh funktionieren nur mit ziemlich niedrigen Spannungen oder haben einen kleinen Regelungsbereich (gut oder sehr hohe nichtlineare Verzerrungen).

2. Die Lösung mit dem Fotowiderstand wird funktionieren, aber Widerstandsoptokoppler sind eine Art exotischer Elemente.

3. Es ist fast unmöglich, eine genaue Verstärkung bereitzustellen, und diese Verstärkung variiert mit der Temperatur.

Daher sind solche Schaltpläne nur für AGC- Schaltpläne geeignet , bei denen die zweite Rückkopplung die Verstärkung auf die erforderlichen Werte reguliert.

Wenn die genaue und zuverlässige Verstärkung eingestellt werden muss, besteht die einzige Arbeitsmethode darin, MOSFETs zu verwenden, die im Schaltmodus (EIN / AUS) gesteuert werden, und normale Widerstände:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Warum verwenden Sie nicht eine Verstärkungsregelung von einem SPI-Bus von der MCU: -

Es gibt andere Gain-Control-Chips, die von Hardware-Leitungen aktiviert werden können, wenn Sie SPI nicht mögen. Ich habe dieses Gerät ausgiebig benutzt und kann für seine Nützlichkeit und Genauigkeit bürgen.

Das SPI-Material muss nicht schnell sein und kann auch isoliert werden, wenn Sie es wirklich brauchen. Ich habe 2MHz SPI 10 Meter mit anständigen Treibern gefahren, aber es ist kein Problem, mit ziemlich langsamer Geschwindigkeit zu fahren.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Angenommen, die Signalmasse Ihres Operationsverstärkers und die Masse Ihrer MCU sind identisch, würde dieser Ansatz funktionieren. Wenn nicht, verwenden Sie einen Optokoppler, um den MOSFET anzutreiben. Sie können auch mehrere parallele MOSFETs (mit separaten Steuerleitungen) hinzufügen, um mehrere Verstärkungsoptionen zu erhalten.

Ich würde sagen, eine bessere Idee wäre, den Optoisolator zur Steuerung eines CMOS-Schalters zu verwenden und damit den Widerstand einzuschalten. Das Einsetzen eines solchen Fototransistors in die Schleife kann seltsame Ergebnisse haben.

Ich beantworte hier meine eigene Frage, weil ich Jippies Rat aufgegriffen habe. Ich habe die Schaltung auf ein Steckbrett gebaut und die Messungen durchgeführt.

• Stromversorgung: 5 V (7805)
• Operationsverstärker: LM324
• Optoisolator: SFH610A-3
• R1: 21,7 k
• R2: 9,83 k
• R3: 21,8 k
• Opto-Isolator mit einem Strom von 7,7 mA eingeschaltet

Mit diesen Widerstandswerten beträgt die erwartete Verstärkung 2,11.

Hier sind die Messergebnisse:

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

Zusätzlich habe ich die Spannung an R3 und dem Optotransistor gemessen, um einen Widerstandswert für den Transistor berechnen zu können. Dies schwankte zwischen 400 und 800 Ohm, wahrscheinlich weil mein Multimeter Probleme hatte, die kleinen Spannungen zu messen. Durch Kompensieren der erwarteten Verstärkung durch Hinzufügen von 600 Ohm zu R3 wird die Differenz auf max. 0,6% verringert.

Meine Antwort lautet also: Ja, es wird so funktionieren, wie ich es erwartet hatte, wahrscheinlich hauptsächlich, weil die Ströme so niedrig sind, dass der Transistor in einem linearen Bereich verwendet wird. Ich würde nicht die gleichen Ergebnisse erwarten, wenn die verwendeten Widerstände viel weniger Widerstand hätten.

Trotzdem habe ich meine Schaltung geändert, um die von markt und johnfound vorgeschlagene Methode zu verwenden. Scheint korrekter.