सेशन का उपयोग करते हुए इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर सर्किट

लगभग सभी प्रकार के सेंसर और ट्रांसड्यूसर वास्तविक दुनिया के मापदंडों जैसे प्रकाश, तापमान, वजन आदि को हमारे इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम के लिए वोल्टेज मान में बदल देते हैं। इस वोल्टेज स्तर में भिन्नता हमें वास्तविक विश्व मापदंडों के विश्लेषण / मापन में मदद करेगी, लेकिन बायोमेडिकल सेंसर जैसे कुछ अनुप्रयोगों में यह भिन्नता बहुत कम (निम्न-स्तरीय संकेत) है और मिनट भिन्नता पर भी नज़र रखना बहुत महत्वपूर्ण है विश्वसनीय डेटा प्राप्त करें। इन अनुप्रयोगों में एक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर का उपयोग किया जाता है।

एक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर उर्फ ​​INO या जैसा कि नाम से पता चलता है कि यह वोल्टेज में भिन्नता को बढ़ाता है और किसी अन्य ऑप-एम्प की तरह एक अंतर आउटपुट प्रदान करता है। लेकिन एक सामान्य एम्पलीफायर के विपरीत इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायरों में पूरी तरह से अंतर इनपुट के साथ सामान्य मोड शोर अस्वीकृति प्रदान करते हुए अच्छे लाभ के साथ उच्च इनपुट प्रतिबाधा होगी। यह ठीक है यदि आप इसे अभी प्राप्त नहीं करते हैं, तो इस लेख में हम इन इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायरों के बारे में जानेंगे और चूंकि ये IC Op-amps की तुलना में अपेक्षाकृत महंगे हैं, इसलिए हम यह भी सीखेंगे कि सामान्य Op-amp का उपयोग कैसे करें जैसे LM385 या LM324 इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर और हमारे अनुप्रयोगों के लिए इसका इस्तेमाल करते हैं। Op-amps का उपयोग वोल्टेज योजक और वोल्टेज सबट्रैक्टर सर्किट बनाने के लिए भी किया जा सकता है।

इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर आईसी क्या है?

सामान्य op-amps IC के अलावा हमारे पास कुछ विशेष प्रकार के एम्पलीफायरों के लिए इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर जैसे INA114 IC हैं। यह कुछ विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए संयुक्त रूप से कुछ सामान्य ऑप-एम्प्स से अधिक नहीं है। इसके बारे में अधिक समझने के लिए, इसके आंतरिक सर्किट आरेख के लिए INA114 की डेटशीट पर ध्यान दें।

आप देख सकते हैं आईसी दो संकेत में लेता है voltages वी _में - और वी _में +, चलो समझने में आसानी के लिए अब से V1 और V2 के रूप में उन पर विचार करते हैं। आउटपुट वोल्टेज (वी _ओ) की गणना सूत्रों का उपयोग करके की जा सकती है

V _O = G (V2 - V1)

जहां, G ऑप-एम्प का लाभ है और बाहरी रेसिस्टेंट R _G का उपयोग करके सेट किया जा सकता है और नीचे दिए गए फॉर्मूले का उपयोग करके गणना की जा सकती है

जी = 1+ (50k Ω / RG)

नोट: मान 50k ओम केवल INA114 IC के लिए लागू है क्योंकि यह 25k (25 + 25 = 50) के प्रतिरोधों का उपयोग करता है। आप क्रमशः अन्य सर्किट के लिए मूल्य की गणना कर सकते हैं।

तो मूल रूप से अब अगर आप इसे देखते हैं, तो एक इन-एम्पी केवल दो वोल्टेज स्रोतों के बीच का अंतर एक लाभ के साथ प्रदान करता है जिसे बाहरी प्रतिरोधक द्वारा निर्धारित किया जा सकता है। क्या यह ध्वनि परिचित है? यदि डिफरेंशियल एम्पलीफायर डिज़ाइन पर एक नज़र न डालें और वापस आ जाएं।

हाँ!, यह ठीक वैसा ही है जैसा डिफरेंशियल एम्पलीफायर करता है और यदि आप करीब से देखें तो आप यह भी जान सकते हैं कि उपरोक्त इमेज में op-amp A3 एक डिफरेंशियल एम्पलीफायर सर्किट के अलावा और कुछ नहीं है। तो आम तौर पर, एक इंस्ट्रूमेंटेशन-एम्पी अभी तक एक और प्रकार का अंतर एम्पलीफायर है, लेकिन अधिक फायदे जैसे उच्च इनपुट प्रतिबाधा और आसान लाभ नियंत्रण आदि। ये फायदे डिजाइन में अन्य दो सेशन-एम्पी (ए 2 और ए 2) के कारण हैं, हम अगले शीर्षक में इसके बारे में अधिक जानेंगे।

इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर को समझना

इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर को पूरी तरह से समझने के लिए, आइए इसे उपरोक्त छवि को सार्थक ब्लॉकों में विभाजित करें जैसा कि नीचे दिखाया गया है।

जैसा कि आप देख सकते हैं कि इन-एम्प दो बफ़र ऑप-एम्प सर्किट और एक डिफरेंशियल ऑप-एम्प सर्किट का संयोजन है । हमने व्यक्तिगत रूप से इन दोनों सेशन-amp डिज़ाइन के बारे में सीखा है, अब हम देखेंगे कि कैसे उन्हें एक विभेदक Op-amp बनाने के लिए संयोजित किया जाता है।

डिफरेंशियल एम्पलीफायर और इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर के बीच अंतर

हमने पहले ही सीख लिया है कि अपने पिछले लेख में एक अंतर एम्पलीफायर कैसे डिज़ाइन और उपयोग किया जाए। विभेदक एम्पलीफायर के कुछ नुकसान यह है कि इसमें इनपुट प्रतिरोधों के कारण बहुत कम इनपुट प्रतिबाधा है और उच्च आम मोड के कारण सीएमआरआर बहुत कम है। बफर सर्किट के कारण ये एक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर में दूर हो जाएंगे।

इसके अलावा एक अंतर एम्पलीफायर में हमें एम्पलीफायर के लाभ मूल्य को बदलने के लिए बहुत सारे प्रतिरोधों को बदलने की जरूरत है लेकिन एक अंतर एम्पलीफायर में हम केवल एक प्रतिरोधक मूल्य को समायोजित करके लाभ को नियंत्रित कर सकते हैं।

Op-amp (LM358) का उपयोग करके इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर

अब आइए op-amp का उपयोग करके एक व्यावहारिक इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर का निर्माण करें और जांचें कि यह कैसे काम कर रहा है। Op-amp उपकरण एम्पलीफायर सर्किट है कि मैं उपयोग कर रहा हूँ नीचे दी गई है।

सर्किट को एक साथ तीन ऑप-एम्प्स की आवश्यकता होती है; मैंने दो LM358 IC का उपयोग किया है । LM358 एक दोहरे पैकेज सेशन-एम्पी है, यह एक पैकेज में दो ऑप-एम्प है इसलिए हमें अपने सर्किट के लिए उनमें से दो की आवश्यकता है। इसी तरह आप तीन सिंगल-पैकेज LM741 ऑप-एम्प या एक क्वाड पैकेज LM324 ऑप-एम्प का भी उपयोग कर सकते हैं।

उपरोक्त सर्किट में, op-amp U1: A और U1: B एक वोल्टेज बफर के रूप में कार्य करता है जो उच्च इनपुट प्रतिबाधा को प्राप्त करने में मदद करता है। Op-amp-U2: एक अंतर op-amp के रूप में कार्य करता है। चूंकि अंतर ऑप-एम्प के सभी रेसिस्टर्स 10k हैं, यह एक एकता लाभ अंतर एम्पलीफायर के रूप में कार्य करता है जिसका अर्थ है कि आउटपुट वोल्टेज यू 3 के पिन 3 और पिन 2 के बीच वोल्टेज का अंतर होगा: ए।

इंस्ट्रुमेंटेशन एम्पलीफायर सर्किट के आउटपुट वोल्टेज सूत्रों नीचे का उपयोग करके किया जा सकता है।

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg))

जहाँ, R = Resistor सर्किट को महत्व देता है। यहाँ R = R2 = R3 = R4 = R5 = R6 = R7 जो 10k है

आरजी = लाभ रोकनेवाला। यहाँ Rg = R1which 22k है।

तो R और Rg का मान एम्पलीफायर का लाभ तय करता है। लाभ के मूल्य की गणना द्वारा किया जा सकता है

लाभ = (१+ (२ आर / आरजी))

इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर का अनुकरण

उपरोक्त सर्किट जब सिम्युलेटेड निम्नलिखित परिणाम देता है।

जैसा कि आप देख सकते हैं इनपुट वोल्टेज V1 2.8V है और V2 3.3V है। R का मान 10k है और Rg का मान 22k है। इन सभी मूल्यों को उपरोक्त सूत्रों में लाना

Vout = (V2-V1) (1+ (2R / Rg)) = (3.3-2.8) (1+ (2x10 / 22)) = (0.5) * (1.9) = 0.95V

हमें आउटपुट वोल्टेज का मान 0.95V है जो ऊपर दिए गए सिमुलेशन से मेल खाता है। तो उपरोक्त सर्किट का लाभ 1.9 है और वोल्टेज का अंतर 0.5 वी है। तो यह सर्किट मूल रूप से इनपुट वोल्टेज के बीच के अंतर को मापेगा और इसे लाभ के साथ गुणा करके आउटपुट वोल्टेज के रूप में उत्पन्न करेगा।

आप यह भी देख सकते हैं कि इनपुट वोल्टेज V1 और V2 रेसिस्टर के आरजी पर दिखाई देता है, यह Op-amp U1: A और U1: B की नकारात्मक प्रतिक्रिया के कारण है। यह सुनिश्चित करता है कि आरजी पर वोल्टेज ड्रॉप वी 1 और वी 2 के बीच वोल्टेज के अंतर के बराबर है जो प्रतिरोधों आर 5 और आर 6 के माध्यम से प्रवाह की समान मात्रा का कारण बनता है और पिन 3 पर वोल्टेज बना रहा है और पिन 2 ओपी-एम्प यू 2 पर बराबर है। यदि आप प्रतिरोधों से पहले वोल्टेज को मापते हैं तो आप op-amp U1: A और U1: B से वास्तविक आउटपुट वोल्टेज देख सकते हैं, जिसका अंतर आउटपुट वोल्टेज के बराबर होगा जैसा कि सिमुलेशन में ऊपर दिखाया गया है।

हार्डवेयर पर इंस्ट्रूमेंटेशन एम्पलीफायर सर्किट का परीक्षण

पर्याप्त सिद्धांत वास्तव में एक ब्रेडबोर्ड पर एक ही सर्किट बनाने और वोल्टेज के स्तर को मापने की सुविधा देता है। मेरा कनेक्शन सेटअप नीचे दिखाया गया है।

मैंने ब्रेडबोर्ड बिजली की आपूर्ति का उपयोग किया है जो हमने पहले बनाया था। यह बोर्ड 5V और 3.3V दोनों वितरित कर सकता है। मैं अपने दोनों op-amps और 3.3V को सिग्नल इनपुट वोल्टेज V2 के रूप में पावर करने के लिए 5V रेल का उपयोग कर रहा हूं। अन्य इनपुट वोल्टेज V2 को मेरे RPS का उपयोग करके 2.8V पर सेट किया गया है। चूँकि मैंने R के लिए 10k रोकनेवाला और R1 के लिए 22k रोकनेवाला भी इस्तेमाल किया है, इसलिए सर्किट का लाभ 1.9 होगा। अंतर वोल्टेज 0.5V है और लाभ 1.9 उत्पाद है, जो हमें आउटपुट वोल्टेज के रूप में 0.95V देगा जो कि मल्टीमीटर का उपयोग करके छवि में मापा और प्रदर्शित किया जाता है। उपकरण एम्पलीफायर सर्किट की पूरी काम कर रहे वीडियो में शो है नीचे लिंक किए गए।

इसी प्रकार आप R1 के मूल्य को बदल सकते हैं, जैसा कि ऊपर चर्चा की गई फ़ार्मुलों का उपयोग करके लाभ निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है। चूंकि इस एम्पलीफायर का लाभ एक एकल रोकनेवाला का उपयोग करके बहुत आसानी से नियंत्रित किया जा सकता है, यह अक्सर ऑडियो सर्किट के लिए वॉल्यूम नियंत्रण में उपयोग किया जाता है।

आशा है कि आपने सर्किट को समझा और कुछ उपयोगी सीखने का आनंद लिया। यदि आपके कोई प्रश्न हैं, तो उन्हें नीचे टिप्पणी अनुभाग में छोड़ दें या तेजी से प्रतिक्रिया के लिए मंच का उपयोग करें।