Utilisation d'un opto-isolateur pour modifier l'amplification d'un ampli opérationnel

Considérez ce circuit, qui est un amplificateur non inverseur standard avec une amplification de A = 1+R1/R2.

Je veux maintenant pouvoir changer cette valeur d'amplification dynamiquement, en utilisant une broche de microcontrôleur. J'ai trouvé cette solution, qui modifie fondamentalement la valeur de la résistance de rétroaction en insérant une autre résistance en parallèle:

Je pense que la nouvelle amplification (avec l'opto-isolateur allumé) est

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

Cette solution fonctionnerait-elle réellement comme je le souhaitais? Je suis particulièrement inquiet que la tension de saturation du phototransistor puisse influencer l'ampli-op d'une manière ou d'une autre. Si oui, existe-t-il une solution alternative à ce problème?

Hypothèse : Il existe un certain besoin d'isolement optique entre le contrôle de gain (sortie uC) et le module d'amplification.

Voici une simplification de l'approche dans la question, qui supprime tous les transistors / FET du chemin de rétroaction, et fournit une plage analogique (continue) de gains, tout en conservant l'opto-isolation - Utilisez un optocoupleur LDR comme utilisé dans certains classiques et Amplificateurs audio DIY :

Pour une alternative unique ou bricolage, utilisez plutôt une résistance dépendante de la lumière CdS bon marché et omniprésente, couplée à une LED régulière:

Le schéma est donc:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

La résistance de contrôle de gain est la combinaison parallèle de R1 et (R2 + R_LDR).

En faisant varier soit le rapport cyclique d'un signal PWM, soit la tension d'une broche de sortie DAC du microcontrôleur, l'intensité lumineuse de la LED varie. Au fur et à mesure que cela augmente, la résistance de la LED chute, passant d'une valeur très élevée (c'est-à-dire peu d'effet sur le calcul du gain) lorsque la LED est éteinte, à une valeur faible lorsque la LED est à un rapport cyclique de près de 100%.

Remarque : Si vous utilisez PWM, la fréquence PWM doit être significativement plus élevée que la bande de fréquence d'intérêt du signal. Sinon, le PWM se couplera dans le chemin du signal, comme indiqué par @ pjc50.

Toutes les réponses fournies sont plus ou moins réalisables, mais présentent certains inconvénients:

1. Tous, mais les réponses d'Anindo Ghosh fonctionneront uniquement avec des tensions assez faibles ou auront une petite plage de régulation (distorsions non linéaires bonnes ou très élevées).

2. La solution avec la photorésistance fonctionnera, mais les optocoupleurs de résistances sont une sorte d'éléments exotiques.

3. Il est presque impossible de fournir un gain exact et ce gain variera avec la température.

Ainsi, ces schémas conviennent que pour AGC schémas où le second flux de retour réglementera le gain aux valeurs nécessaires.

Si le gain exact et fiable doit être réglé, la seule méthode de travail consiste à utiliser des MOSFET contrôlés en mode de commutation (ON / OFF) et des résistances normales:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Pourquoi n'utilisez-vous pas un contrôle de gain à partir d'un bus SPI du MCU: -

Il existe d'autres puces de contrôle de gain qui peuvent être activées par des lignes matérielles si vous n'aimez pas SPI. J'ai beaucoup utilisé cet appareil et je peux garantir son utilité et sa précision.

Les éléments SPI n'ont pas besoin d'être à haute vitesse et peuvent également être isolés si vous en avez vraiment besoin. J'ai couru 2 MHz SPI 10 mètres avec des pilotes décents, mais aller à une vitesse assez lente ne sera pas un problème.

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

En supposant que la masse de votre signal d'ampli op et la masse de votre MCU sont identiques, cette approche fonctionnerait. Sinon, utilisez un optocoupleur pour piloter le MOSFET. Vous pouvez également ajouter plusieurs MOSFET parallèles (avec des lignes de contrôle séparées) pour obtenir plusieurs options de gain.

Je dirais qu'une meilleure idée serait d'utiliser l'optoisolateur pour contrôler un commutateur CMOS, et de l'utiliser pour commuter la résistance. Mettre un phototransistor dans la boucle comme ça peut avoir des résultats étranges.

Je réponds à ma propre question ici, parce que j'ai suivi les conseils de jippie. J'ai construit le circuit sur une planche à pain et effectué les mesures.

• Alimentation: 5 V (7805)
• Ampli-Op: LM324
• Opto-isolateur: SFH610A-3
• R1: 21,7 k
• R2: 9,83 k
• R3: 21,8 k
• Activé l'opto-isolateur avec un courant de 7,7 mA

Avec ces valeurs de résistance, l'amplification attendue est de 2,11.

Voici les résultats des mesures:

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

De plus, j'ai mesuré la tension aux bornes de R3 et de l'opto-transistor, ce qui m'a permis de calculer une valeur de résistance pour le transistor. Cela a fluctué de 400 à 800 ohms, probablement en raison de la difficulté de mon multimètre à mesurer les petites tensions. Compenser l'amplification attendue en ajoutant 600 Ohm à R3, réduit la différence à 0,6% max.

Donc, ma réponse est: oui, cela fonctionnera comme je m'y attendais, probablement en raison principalement des courants si faibles que le transistor est utilisé dans une zone linéaire. Je ne m'attendrais pas aux mêmes résultats si les résistances utilisées avaient beaucoup moins de résistance.

Pourtant, j'ai changé de circuit pour utiliser la méthode suggérée par markt et johnfound. Semble plus correct.