使用光电隔离器更改运算放大器的放大倍数

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考虑该电路，它是标准的同相放大器，放大倍数为A = 1+R1/R2。

标准同相放大器，A = 1 + R1 / R2

现在，我希望能够使用微控制器引脚动态更改此放大值。我提出了这个解决方案，该解决方案基本上是通过并联插入另一个电阻来修改反馈电阻的值：

具有可变放大率的同相放大器

我认为新的放大（在打开光隔离器的情况下）是

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

此解决方案是否可以按照我的预期方式工作？我特别担心光电晶体管的饱和电压可能会以某种方式影响运算放大器。如果是这样，是否有解决此问题的替代解决方案？

operational-amplifier opto-isolator

— 盖尔
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有趣的问题，我很想知道答案。但是，通过构建电路和测试结果，您将学到最多的知识，然后，如果您不了解结果或想要提高响应速度，请在问题中讨论结果。

— jippie

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您是否需要将MCU与运算放大器隔离的特殊原因？我问，因为我的正常答案是使用数字电位器，数字开关和一些电阻来达到相同的结果。

— markt

看一下本数据表，其中有一些有趣的应用程序。它基于光耦合器FET，其特性比双极性类型的交流友好性更高。您是否真的需要隔离BTW，也许还有其他选择。

— jippie

@markt：µC实际上在另一块板上，并且带有运算放大器的板上只有24 V电源。另外，我希望电路尽可能简单，因此最好避免使用额外的电线进行供电等。但是无论如何还是谢谢您的建议，也许我会咬牙切齿并使用您的解决方案;）

— Geier

@jippie：请参阅我对markt评论的回答。隔离会很好，但我绝对对其他解决方案感到好奇。我会在其他地方添加隔离。

— 盖尔2013年

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假设：增益控制（uC输出）和放大模块之间需要光学隔离。

这是问题中方法的简化，可以从反馈路径中删除所有晶体管/ FET，并提供模拟（连续）增益范围，同时保持光电隔离-使用LDR光电耦合器（如某些经典和DIY音频放大器：

LDR光电

对于一次性或DIY替代方案，请使用便宜且普遍存在的CdS光敏电阻，并与常规LED耦合：

LDR

因此，示意图为：

原理图

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

增益控制电阻是R1和（R2 + R_LDR）的并联组合。

通过改变PWM信号的占空比或微控制器的DAC输出引脚的电压，LED的光强度就会改变。随着此增加，LED电阻从LED关闭时的很高的值（即，对增益计算的影响很小）下降到LED处于接近100％占空比时的低值。

注意：如果使用PWM，则PWM频率需要显着高于信号感兴趣的频带。否则，PWM将耦合到信号路径，如@ pjc50所指出。

— 安妮多·戈什（Anindo Ghosh）
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PWM频率不会耦合到输出吗？

— 2013年

除非PWM频率在音频频率之内，否则没有关系。LDR的响应非常慢，典型的上升时间为5到10 nS，因此它们可以用作低通滤波器。

— Anindo Ghosh

@ pjc50实际上，让我纠正：OP没有说明要放大的信号处于哪个频率范围。因此，是的，如果PWM频率在所需的频带内或附近，但对于LDR的低通响应而言还不够高踢，然后将PWM耦合到信号路径。

— Anindo Ghosh

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提供的所有答案或多或少都是可行的，但是有一些缺点：

除了Anindo Ghosh以外，所有答案都只能在相当低的电压下工作或具有较小的调节范围（良好或非常高的非线性失真）。
光电电阻器的解决方案可以工作，但是电阻器光耦合器是某种奇特的元件。
提供几乎精确的增益几乎是不可能的，并且该增益会随温度而变化。

所以，这样的示意图适于仅对于AGC原理图，其中第二回料将调节增益以所需的值。

如果必须设置精确而可靠的增益，唯一的工作方法是使用以开关模式（ON / OFF）控制的MOSFET和普通电阻：

原理图

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

— 约翰·芬德
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您可以使用四路模拟CMOS开关IC CD4066代替分立MOSFET

— yogece 2013年

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@yogece是的，但这不是真正必要的，因为开关的一端接地。IMO，可以使用一些低功率MOSFET的封装。

— johnfound

别客气。

— markt

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为什么不使用来自MCU的SPI总线的增益控制：-

在此处输入图片说明

如果您不喜欢SPI，还有其他增益控制芯片可以通过硬件线路激活。我已经广泛使用了该设备，并且可以保证其实用性和准确性。

SPI不需要高速，如果您确实需要，也可以隔离。我已经用不错的驱动器运行了10 MHz的2MHz SPI，但是以相当慢的速度运行将不是问题。

— 安迪（aka）
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原理图

^{模拟该电路 –使用CircuitLab创建的原理图}

假设您的运算放大器信号接地和MCU的接地相同，则此方法可行。如果没有，请使用光耦合器驱动MOSFET。您还可以添加多个并联的MOSFET（具有独立的控制线）以获得多个增益选项。

— 市场
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您交换了运算放大器的输入;）。除此之外，这是一种有趣的方法。它必须是MOSFET，还是双极型也可以？

— 盖尔2013年

大声笑甚至都没有考虑输入；-) MOSFET会更好，因为它会以小接地电阻的形式呈现给电路（当有源时）。我怀疑BJT看起来像一个电流吸收器，即它会主动驱动运算放大器的反馈路径并干扰运算放大器的工作。值得一试。

— markt

@ pjc50：从我的角度来看，此解决方案不依赖于FET输入为PWM。我还是不想使用PWM。

— 盖尔2013年

糟糕，该评论的答案有误！

— 2013年

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我会说一个更好的主意是使用光隔离器来控制CMOS开关，并使用它来开关电阻器。像这样将光电晶体管置于环路中可能会产生奇怪的结果。

— 亚历克斯·弗兰西奇
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0

我在这里回答自己的问题，因为我接受了吉比的建议。我已经在试验板上建立了电路并进行了测量。

电源：5 V（7805）
运算放大器：LM324
光电隔离器：SFH610A-3
R1：21.7 k
R2：9.83 k
R3：21.8 k
以7.7 mA的电流打开光隔离器

使用这些电阻值，预期的放大倍数为2.11。

以下是测量结果：

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

此外，我测量了R3和光电晶体管之间的电压，从而可以计算晶体管的电阻值。这从400欧姆波动到800欧姆，最可能是由于我的万用表无法测量小电压。通过在R3中添加600欧姆来补偿预期的放大倍数，可将差异降至最大0.6％。

所以我的答案是：是的，它会按我预期的方式工作，可能主要是由于电流太低以致于晶体管用于线性区域。如果所使用的电阻器的电阻要小得多，我不会期望得到相同的结果。

尽管如此，我还是改变了电路以使用markt和johnfound建议的方法。似乎更正确。

— 盖尔
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