Kann jemand diese Verstärkungs- und Offset-Operationsverstärkerschaltung erklären?

Lassen Sie uns zuerst die Flusen entfernen. Die 20K und 6,8K sind da, so dass, wenn der Eingang getrennt wird, der Ausgang ungefähr Null ist (weil der effektive Eingang 1,268 V beträgt, was ziemlich nahe an der angenommenen Mittelskala von 1,25 V liegt.

Die Verstärkung dieser Schaltung ist$1 + \dfrac{27K}{13K || 5.6K} = +7.90$

Nehmen Sie für den Offset an, dass der Eingang im mittleren Bereich von 1,25 V liegt, und addieren Sie die Ströme am invertierenden Eingang.

$$V_o = 1.25V + \Big(\frac{1.25V}{5.6K} - \frac{5V - 1.25V}{13K} \Big) \cdot 27K = -0.51V$$

Die nominelle Übertragungsfunktion lautet also:

$$V_o = 7.90 \cdot (V_{in} - 1.25V) - 0.51V$$

Sie müssen nicht unbedingt die Referenzspannung ändern, sondern nur die Widerstandswerte von 13K, 27K und 5,6K, und da nur das Verhältnis von Bedeutung ist, müssen Sie wirklich nur zwei davon ändern.

Die Algebra überlasse ich Ihnen, aber wie Sie sehen können, ist sie ziemlich einfach.

Bearbeiten: Okay, ich habe die Algebra für Sie (und zukünftige Leser) durchgestrichen:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Nehmen wir an, wir wählen Rf als etwas Vernünftiges aus, Vref ist gegeben, dann wollen wir R1 und R2 berechnen. Wir kennen die Veränderung des Outputs$\Delta$Vo für Eingabeänderung$\Delta$Vin und der Ausgang Vo(0), wenn der Eingang 0 V beträgt.

$R1 = -\dfrac{V_{REF} R_F}{V_O(0)}$

$R2 = \dfrac{R_1 R_F}{R_1 \Big[\dfrac{\Delta V_O}{\Delta V_{IN}} - 1 \Big] - R_F}$

Setzen Sie die Werte für das obige Problem ein, Rf = 27K,$\Delta$Vo = 20 V,$\Delta$Vin = 2,5 V, Vref = 5,0 V, Vo(0) = -10 V

So,

$R1 = \dfrac{27K}{2} = 13.5K$

$R2 = \dfrac{13.5 \cdot 27}{13.5 \cdot 7 - 27} = 5.4K$

Persönlich würde ich wahrscheinlich 32,4 K, 16,2 K und 6,49 K 1% verwenden (oder besser, wenn eine höhere Genauigkeit erforderlich ist).

Sie können die entsprechenden Werte für Ihr 3,3-V-Problem einfach einstecken.

Um das Verstärkungs- und Offsetverhalten dieser Schaltung zu analysieren, können wir die 20k- und 6k8-Widerstände am Eingang ignorieren, da es scheint, dass ihr einziger Zweck darin besteht, eine bekannte Vorspannung bereitzustellen, wenn der Eingang nicht angeschlossen ist.
Also sieht die Schaltung jetzt in etwa so aus:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Aber mit einer kleinen Umordnung haben wir:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

was bemerkenswert aussieht wie eine "normale" invertierende Summierungs-Operationsverstärkerkonfiguration.
Der "Trick" hier ist, dass das, was normalerweise als Eingänge betrachtet wird, jetzt feste Referenzspannungen (5 V und 0 V) ​​sind, und was normalerweise als Referenz betrachtet wird, ist jetzt der variable Eingang von 0-2,5 V, aber wir können die Schaltung trotzdem analysieren als ob es ein invertierender Summier-Operationsverstärker wäre, wenn wir diese Punkte berücksichtigen.

Denken Sie daran, dass die normale Faustregel für Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung darin besteht, dass die Spannung an ihren Eingängen als gleich angenommen wird (solange Sie die Fähigkeiten des Operationsverstärkers nicht überschreiten).

Was haben wir also für einen Eingang von 0 V?

V3 = 5 V, daher I3 = 5/13 k = 385 uA
V2 = 0 V, daher I2 = 0/5,6 k = 0 uA
Der Strom durch R2 und R3 wird summiert und muss in R1 angepasst werden, also:
I1 = -(I2 + I3) = -(0 + 385u) = -385uA
V1 = I1 x R1 = -385u x 27k = -10,4v Die Ausgangsspannung ist die Summe der Spannung an R1 und der Spannung am nicht invertierenden Eingang, also:
Vout = V1 + Vin = -10,4 + 0 = -10,4 V

Wenn wir jetzt den Eingang auf 2,5 V setzen, wird die Analyse etwas kniffliger (denken Sie daran, dass die Spannungen an den Opamp-Eingängen gleich sind):
V3 = 5 - 2,5 = 2,5
V I3 = 2,5/13 k = 192 uA
V2 = 0 - 2,5 = -2,5 V
I2 = -2,5/5k6 = -446uA
Wie zuvor wird der Strom durch R2 und R3 summiert und muss in R1 angepasst werden, also:
I1 = -(I2 + I3) = -(192u - 446u) = 254uA
V1 = I1 x R1 = 254 u x 27 k = 6,86 V
Die Ausgangsspannung ist immer noch die Summe der Spannung an R1 und der Spannung am nicht invertierenden Eingang, aber jetzt liegt der nicht invertierende Eingang bei 2,5 V, also:
Vout = V1 + Vin = 6,86 + 2,5 = 9,36 V

Da haben Sie es also. Es ist keine perfekte Umwandlung von 0-2,5 in +-10 V, aber ziemlich gut, wenn man bedenkt, dass wir keine esoterischen Widerstandswerte verwenden.

Vergessen Sie die 20k und 6k8 - mit einem Spannungseingang von 0 bis 2,5 Volt erklären diese Widerstände die Schaltung nicht. Dann bleibt Ihnen der einfache Fall, zwei Szenarien zu untersuchen; nämlich das 0-V-In-Szenario und das 2,5-V-In-Szenario.

Bei 0 V Eingang erhält der invertierende Eingang 0 V, da der Operationsverstärker eine negative Rückkopplung hat. Was muss also der Ausgang des Operationsverstärkers sein, um an diesem Eingang 0 V zu erzeugen?

Ohne den 27k-Rückkopplungswiderstand beträgt die invertierende Eingangsspannung: -

5V x$\dfrac{5.6}{13 + 5.6}$= 1,5054 Volt und haben eine Quellenimpedanz von 5k6||13k = 3k914 kOhm.

Wenden Sie nun den 27k-Rückkopplungswiderstand an und (durch Operationsverstärkeraktion und negative Rückkopplung) wird diese Spannung auf 0 V gezogen.

Der Strom, der es auf 0 V zieht, MUSS gleich 1,5054 Volt geteilt durch 3k914 kOhm = 3,8462 mA sein. Dieser Strom fließt durch den 27k-Rückkopplungswiderstand und das bedeutet, dass an ihm eine Spannung von 10,384 Volt anliegt.

Mit anderen Worten, bei 0 V am Eingang beträgt der Ausgang des Operationsverstärkers -10,384 Volt.

Ich werde das 2,5-V-In-Szenario nicht ausarbeiten, da es einigermaßen klar sein sollte, wie man das selbst macht.