Uso de un opto-aislador para cambiar la amplificación de un op-amplificador

Question

Consideremos este circuito, que es un amplificador estándar no inversor con una amplificación de A = 1+R1/R2 .

Ahora quiero poder cambiar este valor de amplificación dinámicamente, utilizando un pin del microcontrolador. Se me ocurrió esta solución, que básicamente modifica el valor de la resistencia de retroalimentación insertando otra resistencia en paralelo:

I piense en que la nueva amplificación (con el optoaislador activado) es

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

¿Funcionará realmente esta solución de la manera que yo pretendía? Me preocupa especialmente que la tensión de saturación del fototransistor pueda influir de alguna manera en el amplificador óptico. Si es así, ¿hay alguna solución alternativa a este problema?

Answer 1

No sé qué prueba del teorema de Steinhaus se utiliza, pero podemos mostrar el siguiente resultado:

Si $A$ y $B$ tienen una medida de Lebesgue positiva, entonces $A+B$ contiene un intervalo.

Podemos suponer que $A$ y $B$ tienen una medida finita. En efecto, si $\lambda(A)$ es infinito, $A=\bigcup_{n\in\mathbb N}A\cap\left[-n,n\right]$ y sólo tenemos que elegir $n_0$ tal que $\lambda(A\cap \left[-n_0,n_0\right])>0$ . Si $n_1$ es tal que $\lambda(B\cap \left[-n_1,n_1\right])>0$ y hemos mostrado el resultado para $A$ y $B$ de medida finita, entonces $A+B\supset (A\cap \left[-n_0,n_0\right])+(B\cap \left[-n_1,n_1\right])\supset I$ y hemos terminado.

Gracias a que las funciones de los indicadores están en $L^2$ y la densidad de las funciones continuas con soporte compacto en $L^2(\mathbb R)$ $$f\colon x\mapsto \mathbf{1}_A*\mathbf{1}_B(x)=\int_{\mathbb R}\mathbf{1}_A(x-t)\mathbf {1}_B(t)d\lambda(t)$$ es continua. Por lo tanto, el conjunto $O:=\left\{x\in\mathbb R,f(x)>0\right\}$ está abierto. Desde $\int_{\mathbb R}f(x)d\lambda(x)=\lambda(A)\cdot\lambda(B)>0$ , $O$ es no vacía y por lo tanto contiene un intervalo abierto no vacío $I$ . Si $x\notin A+B$ , $A\cap(-B+x)=\emptyset$ . De hecho, si $y\in A\cap(-B+x)$ entonces $y=a$ para algunos $a\in A$ y $y=-b+x$ para algunos $b\in B$ Por lo tanto $x=a+b$ . Así que si $x\notin A+B$ , $f(x)=0$ y tomando el complemento, si $f(x)\neq 0$ entonces $x\in A+B$ Por lo tanto, tenemos $$I\subset O\subset A+B.$$

Answer 2

Todas las respuestas proporcionadas son más o menos factibles, pero tienen algunas desventajas:

1. Todos, excepto las respuestas de Anindo Ghosh, funcionan sólo con tensiones bastante bajas o tienen un rango de regulación pequeño (bien o distorsiones no lineales muy altas).

2. La solución con la fotoresistencia funcionará, pero los optoacopladores de resistencia son una especie de elementos exóticos.

3. Es casi imposible proporcionar una ganancia exacta y esta ganancia variará con la temperatura.

Por lo tanto, estos esquemas son adecuados sólo para AGC esquemas donde la segunda retroalimentación regulará la ganancia a los valores necesarios.

Si el exacto y fiable La ganancia tiene que ser ajustada, el único método de trabajo es utilizar MOSFETs controlados en modo de conmutación (ON/OFF) y resistencias normales:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Answer 3

Supuesto : Es necesario un aislamiento óptico entre el control de ganancia (salida del uC) y el módulo de amplificación.

Aquí hay una simplificación del enfoque en la pregunta, que elimina cualquier transistor / FET de la ruta de retroalimentación, y proporciona un rango analógico (continuo) de las ganancias, manteniendo el opto-aislamiento - Utilice un Optoacoplador LDR como se utiliza en algunos clásicos y Amplificadores de audio de bricolaje :

Para una alternativa única o de bricolaje, utilice en su lugar una barata y omnipresente resistencia dependiente de la luz CdS, acoplada a un LED normal:

El esquema es el siguiente:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

La resistencia que controla la ganancia es la combinación en paralelo de R1 y (R2 + R_LDR).

Variando el ciclo de trabajo de una señal PWM, o la tensión de un pin de salida DAC del microcontrolador, se varía la intensidad de la luz del LED. A medida que ésta aumenta, la resistencia del LED disminuye, desde un valor muy alto (es decir, poco efecto en el cálculo de la ganancia) cuando el LED está apagado, hasta un valor bajo cuando el LED está a casi el 100% del ciclo de trabajo.

Nota : Si se utiliza PWM, la frecuencia de PWM debe ser significativamente mayor que la banda de frecuencia de interés de la señal. De lo contrario, el PWM se acoplará a la ruta de la señal, como señala @pjc50.

Answer 4

Estoy respondiendo a mi propia pregunta aquí, porque he seguido el consejo de jippie. He construido el circuito en una protoboard y he realizado las mediciones.

• Fuente de alimentación: 5 V (7805)
• Op-Amp: LM324
• Opto-aislador: SFH610A-3
• R1: 21,7 k
• R2: 9,83 k
• R3: 21,8 k
• Encendido del opto-aislador con una corriente de 7,7 mA

Con estos valores de resistencia, la amplificación esperada es de 2,11.

Aquí están los resultados de las mediciones:

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

Además, he medido la tensión a través de R3 y el opto-transistor, lo que me ha permitido calcular el valor de la resistencia para el transistor. Esto fluctuó de 400 a 800 Ohm, probablemente debido a que mi multímetro tenía problemas para medir los pequeños voltajes. Al compensar la amplificación esperada añadiendo 600 Ohm a R3, la diferencia se reduce a un máximo de 0,6 %.

Así que mi respuesta es: Sí, funcionará como esperaba, probablemente debido a que las corrientes son tan bajas que el transistor se utiliza en una zona lineal. No esperaría los mismos resultados si las resistencias utilizadas tuvieran mucha menos resistencia.

Aun así, he cambiado mi circuito para utilizar el método sugerido por markt y johnfound. Parece más correcto.

Answer 5

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Asumiendo que la tierra de la señal de tu op-amp y la tierra de tu MCU son idénticas, este enfoque funcionaría. Si no es así, utiliza un optoacoplador para controlar el MOSFET. También podrías añadir varios MOSFET en paralelo (con líneas de control separadas) para obtener múltiples opciones de ganancia.