Utilizzo di un optoisolatore per modificare l'amplificazione di un amplificatore operazionale

Considera questo circuito, che è un amplificatore standard non invertente con un'amplificazione di A = 1+R1/R2.

Ora voglio essere in grado di modificare dinamicamente questo valore di amplificazione, usando un pin del microcontrollore. Ho trovato questa soluzione, che sostanzialmente modifica il valore del resistore di feedback inserendo un altro resistore in parallelo:

Io penso che la nuova amplificazione (con l'optoisolatore acceso) è

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

Questa soluzione funzionerebbe davvero nel modo in cui intendevo? Sono particolarmente preoccupato che la tensione di saturazione del fototransistor possa influenzare l'amplificatore operazionale in qualche modo. In tal caso, esiste una soluzione alternativa a questo problema?

Presupposto : è necessario un certo isolamento ottico tra controllo del guadagno (uscita uC) e modulo di amplificazione.

Ecco una semplificazione dell'approccio nella domanda, che rimuove eventuali transistor / FET dal percorso di feedback e fornisce una gamma analogica (continua) di guadagni, pur mantenendo l'isolamento ottico - Utilizzare un accoppiatore ottico LDR come usato in alcuni classici e Amplificatori audio fai-da-te :

Per un'alternativa una tantum o fai-da-te, usa invece un resistore CdS economico e onnipresente, abbinato a un normale LED:

Lo schema è quindi:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

La resistenza di controllo del guadagno è la combinazione parallela di R1 e (R2 + R_LDR).

Variando il ciclo di lavoro di un segnale PWM o la tensione di un pin di uscita DAC del microcontrollore, l'intensità della luce del LED viene variata. All'aumentare di questo, la resistenza del LED diminuisce, da un valore molto alto (ovvero un effetto limitato sul calcolo del guadagno) quando il LED è spento, a un valore basso quando il LED è quasi al 100% del ciclo di lavoro.

Nota : se si utilizza PWM, la frequenza PWM deve essere significativamente superiore alla banda di frequenza di interesse del segnale. Altrimenti il ​​PWM si accoppierà nel percorso del segnale, come sottolineato da @ pjc50.

Tutte le risposte fornite sono più o meno praticabili, ma presentano alcuni svantaggi:

1. Tutti, ma le risposte di Anindo Ghosh funzionano solo con tensioni piuttosto basse o hanno un intervallo di regolazione ridotto (ben o distorsioni non lineari molto elevate).

2. La soluzione con il resistore fotografico funzionerà, ma gli accoppiatori ottici del resistore sono una sorta di elementi esotici.

3. È quasi impossibile fornire un guadagno esatto e questo guadagno varierà con la temperatura.

Quindi, tali schemi sono adatti solo per schemi AGC in cui il secondo back feed regolerà il guadagno ai valori necessari.

Se è necessario impostare il guadagno esatto e affidabile , l'unico metodo di lavoro consiste nell'utilizzare MOSFET controllati in modalità di commutazione (ON / OFF) e resistori normali:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Perché non usi un controllo di guadagno da un bus SPI dall'MCU: -

Esistono altri chip di controllo del guadagno che possono essere attivati ​​dalle linee hardware se non ti piace SPI. Ho ampiamente usato questo dispositivo e posso garantirne l'utilità e l'accuratezza.

Le cose SPI non devono essere ad alta velocità e possono essere isolate anche se ne hai davvero bisogno. Ho eseguito SPI 2MHz a 10 metri con driver decenti, ma andare a velocità piuttosto bassa non sarà un problema.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Supponendo che la terra del segnale dell'amplificatore operazionale e la terra dell'MCU siano identici, questo approccio funzionerebbe. In caso contrario, utilizzare un accoppiatore ottico per pilotare il MOSFET. È inoltre possibile aggiungere più MOSFET paralleli (con linee di controllo separate) per ottenere più opzioni di guadagno.

Direi che un'idea migliore sarebbe quella di utilizzare l'optoisolatore per controllare uno switch CMOS e usarlo per attivare il resistore. Mettere un fototransistor nel loop in quel modo può avere strani risultati.

Sto rispondendo alla mia domanda qui, perché ho seguito il consiglio di jippie. Ho costruito il circuito su una breadboard ed eseguito le misurazioni.

• Alimentazione: 5 V (7805)
• Amplificatore operazionale: LM324
• Optoisolatore: SFH610A-3
• R1: 21,7 k
• R2: 9,83 k
• R3: 21,8 k
• Acceso l'opto-isolatore con una corrente di 7,7 mA

Con questi valori di resistenza, l'amplificazione prevista è 2,11.

Ecco i risultati della misurazione:

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

Inoltre, ho misurato la tensione attraverso R3 e l'opto-transistor, permettendomi di calcolare un valore di resistenza per il transistor. Questo ha oscillato da 400 a 800 Ohm, molto probabilmente a causa del mio multimetro che ha problemi a misurare le piccole tensioni. Compensare l'amplificazione prevista aggiungendo 600 Ohm a R3, riduce la differenza allo 0,6% max.

Quindi la mia risposta è: Sì, funzionerà come mi aspettavo, probabilmente principalmente a causa delle correnti così basse che il transistor viene utilizzato in un'area lineare. Non mi aspetterei gli stessi risultati se i resistori utilizzati avessero una resistenza molto inferiore.

Tuttavia, ho cambiato il mio circuito per usare il metodo suggerito da Markt e Johnfound. Sembra più corretto.