Circuito amplificador diferencial o sustractor de voltaje

Los Op-Amps fueron desarrollados originalmente para cálculos matemáticos analógicos, desde entonces hoy han demostrado ser útiles en muchas aplicaciones de diseño. Como dijeron correctamente mis profesores, los amplificadores operacionales son calculadoras aritméticas de voltaje, pueden realizar la suma de dos valores de voltaje dados usando el circuito del amplificador sumador y la diferencia entre dos valores de voltaje usando un amplificador diferencial. Aparte de esto, el Op-Amp también se usa comúnmente como amplificadores inversores y amplificadores no inversores.

Ya hemos aprendido cómo podemos usar un amplificador operacional como un sumador de voltaje o un amplificador sumador, por lo que en este tutorial aprenderemos cómo usar un amplificador operacional como un amplificador diferencial para encontrar la diferencia de voltaje entre dos valores de voltaje. También se le llama sustractor de voltaje. También probaremos el circuito sustractor de voltaje en una placa y verificaremos si el circuito está funcionando como se esperaba.

Conceptos básicos del amplificador operacional

Antes de sumergirnos en los amplificadores operacionales diferenciales, repasemos rápidamente los conceptos básicos del amplificador operacional. Un amplificador operacional es un dispositivo de cinco terminales (paquete único) con dos terminales (Vs +, Vs-) para alimentar el dispositivo. De los tres terminales restantes, dos (V +, V-) se utilizan para señales que se denominan terminal inversor y no inversor y el restante (Vout) es el terminal de salida. El símbolo básico de un amplificador operacional se muestra a continuación.

El funcionamiento de un amplificador operacional es muy simple, toma el voltaje diferente de dos pines (V +, V-), lo amplifica por un valor de ganancia y lo da como voltaje de salida (Vout). La ganancia de un amplificador operacional puede ser muy alta, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de audio. Recuerde siempre que el voltaje de entrada del amplificador operacional debe ser menor que su voltaje de funcionamiento. Para obtener más información sobre el amplificador operacional, verifique su aplicación en varios circuitos basados ​​en amplificador operacional.

Para un amplificador operacional ideal, la impedancia de entrada será muy alta, es decir, no fluirá corriente dentro o fuera del amplificador operacional a través de los pines de entrada (V +, V-). Para comprender el funcionamiento del amplificador operacional, podemos clasificar ampliamente los circuitos del amplificador operacional como bucle abierto y bucle cerrado.

Circuito de bucle abierto de amplificador operacional (comparadores)

En un circuito de amplificador operacional de bucle abierto, el pin de salida (Vout) no está conectado con ninguno de los pines de entrada, es decir, no se proporciona retroalimentación. En tales condiciones de circuito abierto, el amplificador operacional funciona como un comparador. A continuación se muestra un comparador de amplificador operacional simple. Observe que el pin Vout no está conectado con los pines de entrada V1 o V2.

En esta condición, si el voltaje suministrado a V1 es mayor que V2, la salida Vout será alta. Asimismo, si los voltajes suministrados a V2 son mayores que V1, la salida Vout será baja.

Circuito de bucle cerrado de amplificador operacional (amplificadores)

En un circuito de amplificador operacional de bucle cerrado, el pin de salida del amplificador operacional está conectado con cualquiera de los pines de entrada para proporcionar una retroalimentación. Esta retroalimentación se denomina conexión de circuito cerrado. Durante el circuito cerrado, un amplificador operacional funciona como un amplificador, es durante este modo un amplificador operacional encuentra muchas aplicaciones útiles como búfer, seguidor de voltaje, amplificador inversor, amplificador no inversor, amplificador sumador, amplificador diferencial, sustractor de voltaje, etc. el pin Vout está conectado al terminal de inversión, entonces se llama circuito de retroalimentación negativa (que se muestra a continuación) y si está conectado al terminal de no inversión, se denomina circuito de retroalimentación positiva.

Amplificador diferencial o restador de voltaje

Ahora entremos en nuestro tema, Amplificador diferencial. Un amplificador diferencial básicamente toma dos valores de voltaje, encuentra la diferencia entre estos dos valores y la amplifica. El voltaje resultante se puede obtener del pin de salida. A continuación se muestra un circuito amplificador diferencial básico.

¡Pero espere! ¿No es esto lo que hace un amplificador operacional de forma predeterminada, incluso cuando no tiene retroalimentación, toma dos entradas y proporciona sus diferencias en el pin de salida? Entonces, ¿para qué necesitamos todas estas elegantes resistencias?

Bueno, sí, pero el amplificador operacional cuando se usa en bucle abierto (sin retroalimentación) tendrá una ganancia incontrolada muy alta que prácticamente no es útil. Entonces usamos el diseño anterior para establecer el valor de ganancia usando resistencias en un circuito de retroalimentación negativa. En nuestro circuito de arriba, la resistencia R3 actúa como una resistencia de retroalimentación negativa y las resistencias R2 y R4 forman un divisor de potencial. El valor de ganancia se puede establecer usando el valor correcto de resistencias.

¿Cómo configurar la ganancia de un amplificador diferencial?

El voltaje de salida del amplificador diferencial que se muestra arriba puede ser dado por la siguiente fórmula

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

La fórmula anterior se obtuvo a partir de la función de transferencia del circuito anterior usando el teorema de superposición. Pero no entremos mucho en eso. Podemos simplificar aún más la ecuación anterior considerando R1 = R2 y R3 = R4. Entonces obtendremos

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

De la fórmula anterior podemos concluir que la relación entre R3 y R1 será igual a la ganancia del amplificador.

Ganancia = R3 / R1

Ahora, sustituyamos los valores de las resistencias por el circuito anterior y verifiquemos si el circuito está funcionando como se esperaba.

Simulación de circuito amplificador diferencial

El valor de resistencia que he elegido es 10k para R1 y R2 y 22k para R3 y R4. La simulación del circuito para el mismo se muestra a continuación.

Para fines de simulación, he suministrado 4 V para V2 y 3,6 V para V1. La resistencia 22k y 10k según las fórmulas establecerá una ganancia de 2.2 (22/10). Entonces, la resta será 0.4V (4-3.6) y se multiplicará por el valor de ganancia 2.2 por lo que el voltaje resultante será 0.88V como se muestra en la simulación anterior. También verifiquemos lo mismo usando la fórmula que discutimos anteriormente.

Vout = (R3 / R1) (V2-V1) cuando R1 = R2 y R3 = R4 = (22/10) (4-3.6) = (2.2) x (0.4) = 0.88v

Prueba del circuito del amplificador diferencial en hardware

Ahora a la parte divertida, construyamos el mismo circuito en la placa de pruebas y verifiquemos si podemos lograr los mismos resultados. Estoy usando el amplificador operacional LM324 para construir el circuito y uso el módulo de fuente de alimentación de tablero que construimos anteriormente. Este módulo puede proporcionar una salida de 5 V y 3,3 V, por lo que estoy usando el riel de alimentación de 5 V para alimentar mi amplificador operacional y el riel de alimentación de 3,3 V como V1. Luego usé mi RPS (fuente de alimentación regulada) para proporcionar 3,7 V al pin V2. La diferencia entre los voltajes es 0.4 y tenemos una ganancia de 2.2 que debería darnos 0.88V y eso es exactamente lo que obtuve. La siguiente imagen muestra la configuración y el multímetro con la lectura de 0.88V.

Esto demuestra que nuestra comprensión del amplificador operacional diferencial es correcta y ahora sabemos cómo diseñar uno por nuestra cuenta con el valor de ganancia requerido. El trabajo completo también se puede encontrar en el video que se muestra a continuación. Estos circuitos se utilizan con más frecuencia en aplicaciones de control de volumen.

Pero, dado que el circuito tiene resistencias en el lado del voltaje de entrada (V1 y V2), no proporciona una impedancia de entrada muy alta y también tiene una ganancia de modo común alta que conduce a una relación CMRR baja. Para superar estas desventajas, existe una versión improvisada de amplificador diferencial llamado amplificador de instrumentación, pero dejémoslo para otro tutorial.

Espero que haya entendido el tutorial y haya disfrutado aprendiendo sobre amplificadores diferenciales. Si tiene alguna consulta, déjela en la sección de comentarios o utilice los foros para obtener más preguntas técnicas y una respuesta más rápida.