Использование оптоизолятора для изменения усиления операционного усилителя

Рассмотрим эту схему, которая является стандартным неинвертирующим усилителем с усилением A = 1+R1/R2.

Теперь я хочу иметь возможность динамически изменять это значение усиления, используя вывод микроконтроллера. Я придумал это решение, которое в основном изменяет значение резистора обратной связи, вставляя параллельно другой резистор:

Я думаю, что новое усиление (с включенным оптоизолятором)

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

Будет ли это решение работать так, как я задумал? Я особенно обеспокоен тем, что напряжение насыщения фототранзистора может как-то повлиять на операционный усилитель. Если да, есть ли альтернативное решение этой проблемы?

Предположение : существует некоторая потребность в оптической изоляции между регулировкой усиления (выходной ток) и модулем усиления.

Вот упрощение подхода в вопросе, который удаляет любые транзисторы / полевые транзисторы из тракта обратной связи и обеспечивает аналоговый (непрерывный) диапазон коэффициентов усиления, сохраняя при этом оптоизоляцию. Используйте оптрон LDR, используемый в некоторых классических и DIY аудио усилители :

Для одноразовой или самодельной альтернативы используйте вместо этого дешевый и вездесущий светозависимый резистор CdS, соединенный с обычным светодиодом:

Схема, таким образом:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Сопротивление управления усилением - это параллельная комбинация R1 и (R2 + R_LDR).

Изменяя либо коэффициент заполнения сигнала ШИМ, либо напряжение на выводе ЦАП микроконтроллера, интенсивность света светодиода изменяется. По мере того, как это увеличивается, сопротивление светодиода падает от очень высокого значения (т.е. незначительного влияния на расчет усиления), когда светодиод выключен, до низкого значения, когда светодиод работает почти на 100%.

Примечание . При использовании ШИМ частота ШИМ должна быть значительно выше, чем частотный диапазон сигнала. В противном случае ШИМ подключится к тракту сигнала, как указано @ pjc50.

Все предоставленные ответы более или менее работоспособны, но имеют некоторые недостатки:

1. Все, но ответы Anindo Ghosh будут работать только с довольно низкими напряжениями или с небольшим диапазоном регулирования (ну или очень высокие нелинейные искажения).

2. Решение с фоторезистором будет работать, но резистивные оптопары являются своего рода экзотическими элементами.

3. Почти невозможно обеспечить какой-либо точный коэффициент усиления, и этот коэффициент будет зависеть от температуры.

Таким образом, такие схемы подходят только для схем AGC, где вторая обратная подача будет регулировать усиление до необходимых значений.

Если необходимо установить точное и надежное усиление, единственный метод работы состоит в том, чтобы использовать МОП-транзисторы, управляемые в режиме переключения (ВКЛ / ВЫКЛ), и обычные резисторы:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Почему бы вам не использовать регулировку усиления от шины SPI от MCU: -

Существуют и другие микросхемы управления усилением, которые могут активироваться аппаратными линиями, если вам не нравится SPI. Я широко использовал это устройство и могу ручаться за его полезность и точность.

Материал SPI не должен быть высокоскоростным и может быть изолирован, если он вам действительно нужен. Я пробежал 2 мегагерцовых SPI 10 метра с приличными драйверами, но довольно медленная скорость не будет проблемой.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Предполагая, что заземление вашего операционного усилителя и заземление вашего MCU идентичны, этот подход будет работать. Если нет, используйте оптопару для управления MOSFET. Вы также можете добавить несколько параллельных MOSFET (с отдельными линиями управления), чтобы получить несколько вариантов усиления.

Я бы сказал, что лучшей идеей было бы использовать оптоизолятор для управления переключателем CMOS и использовать его для включения резистора. Подобное включение фототранзистора в петлю может привести к странным результатам.

Я отвечаю на свой вопрос здесь, потому что я принял совет Джиппи. Я построил схему на макете и провел измерения.

• Электропитание: 5 В (7805)
• Операционный усилитель: LM324
• Оптоизолятор: SFH610A-3
• R1: 21,7 К
• R2: 9,83 К
• R3: 21,8 К
• Включен оптоизолятор с током 7,7 мА

При этих значениях резисторов ожидаемое усиление составляет 2,11.

Вот результаты измерений:

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

Кроме того, я измерил напряжение на R3 и опто-транзисторе, что позволило мне рассчитать значение резистора для транзистора. Это колебалось от 400 до 800 Ом, скорее всего из-за того, что у моего мультиметра были проблемы с измерением малых напряжений. Компенсация ожидаемого усиления путем добавления 600 Ом к R3 снижает разницу до 0,6% макс.

Итак, мой ответ: да, он будет работать так, как я ожидал, возможно, в основном из-за того, что токи настолько малы, что транзистор используется в линейной области. Я не ожидал бы таких же результатов, если бы используемые резисторы имели намного меньшее сопротивление.

Тем не менее, я изменил свою схему, чтобы использовать метод, предложенный Марктом и Джонаундом. Кажется более правильным.