Circuit amplificateur différentiel ou soustracteur de tension

Les amplificateurs opérationnels ont été initialement développés pour les calculs mathématiques analogiques, depuis lors, ils se sont avérés utiles dans de nombreuses applications de conception. Comme l'ont dit à juste titre mes professeurs, les amplificateurs opérationnels sont des calculateurs de tension arithmétique, ils peuvent effectuer l'addition de deux valeurs de tension données à l'aide du circuit d'amplificateur de sommation et de la différence entre deux valeurs de tension à l'aide d'un amplificateur différentiel. En dehors de cela, l'ampli-op est également couramment utilisé comme amplificateurs inverseurs et amplificateurs non inverseurs.

Nous avons déjà appris comment utiliser un ampli-op comme additionneur de tension ou amplificateur de sommation.Dans ce didacticiel, nous allons donc apprendre à utiliser l'ampli-op comme amplificateur différentiel pour trouver la différence de tension entre deux valeurs de tension. Il est également appelé le soustracteur de tension. Nous allons également essayer le circuit de soustracteur de tension sur une maquette et vérifier si le circuit fonctionne comme prévu.

Principes de base de l'ampli-op

Avant de plonger dans les amplis-op différentiels, passons rapidement en revue les bases de l'Op-Amp. Un Op-Amp est un appareil à cinq bornes (un seul boîtier) avec deux bornes (Vs +, Vs-) pour alimenter l'appareil. Sur les trois bornes restantes, deux (V +, V-) sont utilisées pour les signaux qui sont appelés borne inverseuse et non inverseuse et la borne restante (Vout) est la borne de sortie. Le symbole de base d'un ampli-op est illustré ci-dessous.

Le fonctionnement d'un ampli-op est très simple, il prend la tension différente de deux broches (V +, V-), l'amplifie d'une valeur de gain et la donne comme tension de sortie (Vout). Le gain d'un ampli-op peut être très élevé, ce qui le rend adapté aux applications audio. N'oubliez jamais que la tension d'entrée de l'amplificateur opérationnel doit être inférieure à sa tension de fonctionnement. Pour en savoir plus sur l'amplificateur opérationnel, vérifiez son application dans divers circuits basés sur l'amplificateur opérationnel.

Pour un ampli-op idéal, l'impédance d'entrée sera très élevée, c'est-à-dire qu'aucun courant ne circulera dans ou hors de l'ampli-op à travers les broches d'entrée (V +, V-). Pour comprendre le fonctionnement de l'ampli-op, nous pouvons globalement catégoriser les circuits de l'ampli-op comme boucle ouverte et boucle fermée.

Circuit en boucle ouverte ampli-op (comparateurs)

Dans un circuit amplificateur opérationnel en boucle ouverte, la broche de sortie (Vout) n'est connectée à aucune des broches d'entrée, c'est-à-dire qu'aucune rétroaction n'est fournie. Dans de telles conditions en boucle ouverte, l' ampli opérationnel fonctionne comme un comparateur. Un simple comparateur d'amplis opérationnels est illustré ci-dessous. Notez que la broche Vout n'est pas connectée aux broches d'entrée V1 ou V2.

Dans cette condition, si la tension fournie à V1 est supérieure à V2, la sortie Vout passera à l'état haut. De même, si les tensions fournies à V2 sont supérieures à V1, la sortie Vout deviendra basse.

Circuit en boucle fermée ampli-op (amplificateurs)

Dans un circuit ampli-op en boucle fermée, la broche de sortie de l'ampli-op est connectée à l'une des broches d'entrée pour fournir un retour. Cette rétroaction est appelée connexion en boucle fermée. En boucle fermée, un amplificateur opérationnel fonctionne comme un amplificateur, c'est pendant ce mode qu'un amplificateur opérationnel trouve de nombreuses applications utiles telles que le tampon, le suiveur de tension, l'amplificateur inverseur, l'amplificateur non inverseur, l'amplificateur de sommation, l'amplificateur différentiel, le soustracteur de tension, etc. la broche Vout est connectée à la borne d'inversion, elle est alors appelée circuit de rétroaction négative (illustré ci-dessous) et si elle est connectée à la borne non inverseuse, elle est appelée circuit de rétroaction positive.

Amplificateur différentiel ou soustracteur de tension

Passons maintenant à notre sujet, Amplificateur différentiel. Un amplificateur différentiel prend essentiellement deux valeurs de tension, trouve la différence entre ces deux valeurs et l'amplifie. La tension résultante peut être obtenue à partir de la broche de sortie. Un circuit d'amplificateur différentiel de base est illustré ci-dessous.

Mais attendez !, n'est-ce pas ce que fait un ampli-op par défaut, même s'il n'a pas de rétroaction, il prend deux entrées et fournit leurs différences sur la broche de sortie. Alors pourquoi avons-nous besoin de toutes ces résistances sophistiquées?

Eh bien oui, mais l'ampli-op lorsqu'il est utilisé en boucle ouverte (sans feedback) aura un gain incontrôlé très élevé qui n'est pratiquement pas utile. Nous utilisons donc la conception ci-dessus pour définir la valeur du gain à l'aide de résistances dans une boucle de rétroaction négative. Dans notre circuit au-dessus, la résistance R3 agit comme une résistance de rétroaction négative et les résistances R2 et R4 forment un diviseur de potentiel. La valeur du gain peut être définie en utilisant la bonne valeur des résistances.

Comment régler le gain d'un amplificateur différentiel?

La tension de sortie de l'amplificateur différentiel illustré ci-dessus peut être donnée par la formule ci-dessous

Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)

La formule ci-dessus a été obtenue à partir de la fonction de transfert du circuit ci-dessus en utilisant le théorème de superposition. Mais ne parlons pas beaucoup de cela. Nous pouvons encore simplifier l'équation ci-dessus en considérant R1 = R2 et R3 = R4. Donc nous allons obtenir

Vout = (R3 / R1) (V2-V1) lorsque R1 = R2 et R3 = R4

A partir de la formule ci-dessus, nous pouvons conclure que le rapport entre R3 et R1 sera égal au gain de l'amplificateur.

Gain = R3 / R1

Maintenant, substituons les valeurs des résistances au circuit ci-dessus et vérifions si le circuit fonctionne comme prévu.

Simulation du circuit d'amplificateur différentiel

La valeur de résistance que j'ai choisie est 10k pour R1 et R2 et 22k pour R3 et R4. La simulation de circuit pour le même est illustrée ci-dessous.

Dans un but de simulation, j'ai fourni 4V pour V2 et 3,6V pour V1. La résistance 22k et 10k selon les formules fixera un gain de 2,2 (22/10). Ainsi, la soustraction sera de 0,4 V (4-3,6) et elle sera multipliée par la valeur de gain 2,2 de sorte que la tension résultante sera de 0,88 V, comme indiqué dans la simulation ci-dessus. Vérifions également la même chose en utilisant la formule dont nous avons discuté précédemment.

Vout = (R3 / R1) (V2-V1) lorsque R1 = R2 et R3 = R4 = (22/10) (4-3,6) = (2,2) x (0,4) = 0,88 v

Test du circuit de l'amplificateur différentiel sur le matériel

Passons maintenant à la partie amusante, construisons en fait le même circuit sur la maquette et vérifions si nous sommes en mesure d'obtenir les mêmes résultats. J'utilise le LM324 Op-Amp pour construire le circuit et j'utilise le module d'alimentation Breadboard que nous avons construit plus tôt. Ce module peut fournir une sortie 5V et 3,3V, j'utilise donc le rail d'alimentation 5V pour alimenter mon ampli opérationnel et le rail d'alimentation 3,3V en V1. Ensuite, j'ai utilisé mon RPS (alimentation régulée) pour fournir 3,7 V à la broche V2. La différence entre les tensions est de 0,4 et nous avons un gain de 2,2 qui devrait nous donner 0,88V et c'est exactement ce que j'ai obtenu. L'image ci-dessous montre l'installation et le multimètre avec la lecture 0.88V dessus.

Cela prouve que notre compréhension de l'ampli-op différentiel est correcte et que nous savons maintenant comment en concevoir un par nous-mêmes avec la valeur de gain requise. Le travail complet peut également être trouvé dans la vidéo ci-dessous. Ces circuits sont plus souvent utilisés dans les applications de contrôle de volume.

Mais, comme le circuit a des résistances du côté de la tension d'entrée (V1 et V2), il ne fournit pas une impédance d'entrée très élevée et a également un gain de mode commun élevé qui conduit à un faible rapport CMRR. Pour pallier ces inconvénients, il existe une version improvisée d'amplificateur différentiel appelé amplificateur d'instrumentation, mais laissons cela pour un autre tutoriel.

J'espère que vous avez compris le didacticiel et que vous avez apprécié en apprendre davantage sur les amplificateurs différentiels. Si vous avez des questions, laissez-les dans la section des commentaires ou utilisez les forums pour des questions plus techniques et une réponse plus rapide.