Verstärken Sie den Eingang von 0 bis 3,3 V auf +/-3,3 V

Ich arbeite daran, eine Platine zu modifizieren, während ich ihr schematisches Design durchging, stieß ich auf einen Abschnitt, in dem ein DAC in den Bereich von [0, +3,3 V] ausgab, der dann angeblich auf den Bereich von +/- 3,3 V verstärkt wird, siehe unten auszug:

Schaltkreis

U24 ist ein AD5662 DAC, wobei sowohl VDD als auch Vref bei +3,3 V liegen.

U25D ist ein OPA4170-Operationsverstärker mit einer Versorgung von +/-3,3 V. Es ist in einer nicht invertierenden Konfiguration. Die Übertragungsfunktion ergibt sich aus:

v + = 1 2 ( v Ö u T − 3.3 )
, So
v Ö u T = 2 v + + 3.3

Zwei Dinge, die für mich nicht nachvollziehbar sind:

  1. Der Eingangsbereich von 0 bis +3,3 V würde gemäß dieser Übertragungsfunktion auf [+3,3 V, 9,9 V] verstärkt, da die positive Versorgung nur auf +3,3 V liegt, was dazu führen würde, dass Vout konstant auf der Schiene wäre.

  2. Da die Eingangsspannung immer positiv ist, wie kann der Ausgang des Operationsverstärkers jemals negativ sein?

Ich würde denken, dass dies wahrscheinlich ein Fehler ist und dass die linke Seite von R61 mit -3,3 V verbunden werden sollte, was zu einer Übertragungsfunktion führt

v Ö u T = 2 v + − 3.3
, was wie angekündigt funktionieren würde.

Die Produktionsplatine folgt jedoch tatsächlich dem Schaltplan, und der Operationsverstärker wandelt eine streng positive Vout (Sinuskurve mit Offset) vom DAC in ein nullzentriertes Signal um. Dies würde mich nicht überraschen, wenn der DAC-Ausgang kapazitiv mit dem Operationsverstärker gekoppelt ist. Aber R57 und C51 fungieren als Tiefpassfilter, also bin ich hier etwas ratlos.

Das Design dieses Boards funktioniert eindeutig wie beworben, aber es ergibt für mich keinen Sinn, warum. Kann mir jemand sagen, wo ich Fehler in meiner Analyse mache?

Bearbeiten: Scheint, als hätte ich einen ziemlich dummen Fehler in meiner Ableitung der Übertragungsfunktion gemacht, sollte es sein

v + = 1 2 ( v Ö u T − 3.3 ) + 3.3
um das Spannungsteilerpotential als von 3,3 und nicht von Masse versetzt zu berücksichtigen.

Vielen Dank für die Hilfe, ich wünschte, ich könnte alle als Lösung markieren.

Algebra. Sie haben einen Fehler in Ihrer Transferfunktion gemacht.

Antworten (4)

Die Eingangsspannung für R61 ist korrekt. Die Spannung am V-Pin ist der Durchschnitt von Vout und 3,3 V, da R60 und R61 gleich sind. In dem Fall, in dem V+ auf 0 V liegt, sollte V- auch auf 0 V getrieben werden. Die Ausgangsspannung, die diese Anforderung erfüllt, beträgt -3,3 V. Die Gleichung für V- ist

v − = 1 2 ∗ ( v Ö u T + 3.3 v )
Die Übertragungsfunktion ist dann
v Ö u T = 2 v + − 3.3 v
wie du sagst muss es sein.

Es ist einfacher, wenn Sie sich die Schaltung als invertierende Konfiguration vorstellen

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Die Spannung an R1 beträgt 3,3 - V2, also ist der Ausgang

v Ö = 3.3 − 2 ( 3.3 − v 2 ) = − 3.3 + 2 v 2
Denken Sie daran, dass die 3.3 sehr genau an die 3.3-Referenz des DAC angepasst werden muss, damit dies genau ist. Jede Fehlanpassung führt zu einer Nullpunktverschiebung.

Ich weiß wirklich nicht, was ich sonst noch in diese Rubrik schreiben soll. Foo-Bar.

3.3 v − v + 10 k = v + − v Ö u T 10 k

3.3 v + v Ö u T = 2 v +

Negative Rückkopplung, also V+ = Vin

v Ö u T = 2 v ich N − 3.3 v

Vin = 0, Vout -3,3 V Vin = 3,3, Vout = 3,3 V

Das ursprüngliche Design erforderte möglicherweise nur einen Ausgang mit einer Polarität, sodass U25 als Komparator fungiert. Das Verhalten dieser Schaltung wird durch R61 bestimmt. Bei Anschluss an +3,3 V hätte der Operationsverstärker -3,3 V ausgegeben, um seinen (-) Eingang auf null Volt zu halten, oder wenn der (+)-Eingang über Null ging, würde der Operationsverstärker +3,3 V ausgeben. so würde es Ausgangsspannungen schalten.

1) Wenn R61 mit GND verbunden ist, beträgt die Verstärkung 2, was bedeutet, dass der DAC doppelt so empfindlich auf die Eingangsspannung reagiert, aber auch bedeutet, dass U250 schneller gesättigt wird, aber es ist ein Verstärker mit einer Verstärkung von 2, nicht a Komparator.

2) Wenn R61 weggelassen wird, ist die Verstärkung eins und fungiert als Puffer für den DAC, aber es ist ein Verstärker mit einer Verstärkung von 1, kein Komparator.

3) Wenn die Operationsverstärkerleistung +/- 15 Volt betragen würde, würde sich in Bezug auf sein Verhalten nicht viel ändern, nur der Ausgang, da Vo - 2 (15 - V2) = -15 + 2V2. V2 ist nur vom DAC-Ausgang abhängig und wird am besten als V2 oder null Volt definiert (zur Verdeutlichung).

" ... also fungiert U25 als Komparator. " Sie verwechseln die Schaltung mit einem Schmitt-Trigger mit positiver Rückkopplung. Diese Schaltung verwendet eine negative Rückkopplung und verhält sich jederzeit wie ein linearer Verstärker. Die anderen Antworten zeigen dies mit der Mathematik.
Kein Problem. Ich las " ... oder wenn der (+)-Eingang über Null ging, würde der Operationsverstärker +3,3 V ausgeben, also würde er die Ausgangsspannungen umschalten. " als plötzliches Umschalten (von dem ich annahm, dass Sie dachten, es sei wie a Schmitt-Trigger). In der Praxis würde sich der Ausgang des Operationsverstärkers 0 V nähern, wenn sich der ADC 3,3 / 2 = 1,65 V nähert. Ihre Punkte (1) und (2) sind gut (außer dass der ADC nicht gesättigt wird) und erklären die Schaltung in so wie die anderen es nicht tun.
Punkt (3) geht davon aus, dass der Operationsverstärker auf eine der Versorgungsschienen trifft, und führt das Komparatorkonzept erneut ein. Überlegen Sie, was passiert, wenn der Operationsverstärker mit ± 15 V versorgt wird. Ich denke, er wird sich weiterhin als linearer Verstärker und nicht als Komparator verhalten. Repariere es für +1.
Ich meinte, der Operationsverstärker wird von ± 15 V gespeist und R61 ist an -3,3 V gebunden. Dann wird der Ausgang v 0 = 2 v + + 3.3 . Bei v + = 0, v Ö = +3,3 V. Bei v + = 3,3 V, v Ö = 9,9 V. Der Punkt ist, dass es immer noch ein Verstärker und kein Komparator ist. Ihr (3) Ausgang könnte nur -3,3 V erreichen, wenn v + = -3,3 V (was nicht möglich ist, da der ADC nicht bipolar ist).
Verstärken Sie den Eingang von 0 bis 3,3 V auf +/-3,3 V
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