Usando un Opto-Aislador para cambiar la Amplificación de un Op-Amp

Considere este circuito, que es un amplificador no inversor estándar con una amplificación de A = 1+R1/R2.

Ahora quiero poder cambiar este valor de amplificación dinámicamente, utilizando un pin de microcontrolador. Se me ocurrió esta solución, que básicamente modifica el valor de la resistencia de retroalimentación insertando otra resistencia en paralelo:

Yo creo que la nueva amplificación (con el aislador óptico encendido) es

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

¿Esta solución realmente funcionaría de la manera que pretendía? Me preocupa especialmente que el voltaje de saturación del fototransistor pueda influir en el amplificador operacional de alguna manera. Si es así, ¿hay una solución alternativa para este problema?

Suposición : Existe cierta necesidad de aislamiento óptico entre el control de ganancia (salida uC) y el módulo de amplificación.

Aquí hay una simplificación del enfoque en la pregunta, que elimina los transistores / FET de la ruta de retroalimentación, y proporciona un rango analógico (continuo) de ganancias, al tiempo que conserva el optoaislamiento: use un optoacoplador LDR como se usa en algunos clásicos y Amplificadores de audio de bricolaje :

Para una alternativa única o de bricolaje, use en su lugar una resistencia dependiente de la luz CdS barata y ubicua, junto con un LED normal:

El esquema es así:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

La ganancia que controla la resistencia es la combinación paralela de R1 y (R2 + R_LDR).

Al variar el ciclo de trabajo de una señal PWM o el voltaje de un pin de salida DAC del microcontrolador, la intensidad de la luz del LED varía. A medida que esto aumenta, la resistencia del LED cae, desde un valor muy alto (es decir, poco efecto en el cálculo de ganancia) cuando el LED está apagado, a un valor bajo cuando el LED está en un ciclo de trabajo de casi el 100%.

Nota : Si usa PWM, la frecuencia de PWM debe ser significativamente más alta que la banda de frecuencia de interés de la señal. De lo contrario, el PWM se acoplará a la ruta de la señal, como lo señala @ pjc50.

Todas las respuestas proporcionadas son más o menos viables, pero tienen algunas desventajas:

1. Todas, pero las respuestas de Anindo Ghosh funcionarán solo con voltajes bastante bajos o tendrán un rango de regulación pequeño (bien o distorsiones no lineales muy altas).

2. La solución con la fotorresistencia funcionará, pero los optoacopladores de resistencia son algún tipo de elementos exóticos.

3. Es casi imposible proporcionar una ganancia exacta y esta ganancia variará con la temperatura.

Por lo tanto, tales esquemas son adecuados solo para esquemas AGC donde la segunda retroalimentación regulará la ganancia a los valores necesarios.

Si se debe establecer la ganancia exacta y confiable , el único método de trabajo es usar MOSFET controlados en modo de conmutación (ON / OFF) y resistencias normales:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

¿Por qué no utiliza un control de ganancia desde un bus SPI desde la MCU?

Hay otros chips de control de ganancia que pueden activarse mediante líneas de hardware si no le gusta SPI. He usado este dispositivo ampliamente y puedo dar fe de su utilidad y precisión.

El material SPI no necesita ser de alta velocidad y también puede aislarse si realmente lo necesita. He corrido 10 metros SPI de 2MHz con controladores decentes, pero ir a una velocidad bastante lenta no será un problema.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Suponiendo que la tierra de la señal de su amplificador operacional y la tierra de su MCU sean idénticas, este enfoque funcionaría. Si no, use un optoacoplador para manejar el MOSFET. También puede agregar múltiples MOSFET paralelos (con líneas de control separadas) para obtener múltiples opciones de ganancia.

Yo diría que una mejor idea sería usar el optoaislador para controlar un interruptor CMOS, y usarlo para cambiar la resistencia. Poner un fototransistor en el circuito así puede tener resultados extraños.

Estoy respondiendo mi propia pregunta aquí, porque he tomado el consejo de Jippie. Construí el circuito en una placa de pruebas y realicé las mediciones.

• Fuente de alimentación: 5 V (7805)
• Amplificador operacional: LM324
• Optoaislador: SFH610A-3
• R1: 21,7 k
• R2: 9.83 k
• R3: 21.8 k
• Encendido el opto-aislador con una corriente de 7.7 mA

Con estos valores de resistencia, la amplificación esperada es 2.11.

Aquí están los resultados de la medición:

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

Además, medí el voltaje a través de R3 y el opto-transistor, lo que me permitió calcular un valor de resistencia para el transistor. Esto fluctuó de 400 a 800 Ohm, muy probablemente debido a que mi multímetro tiene problemas para medir los voltajes pequeños. Al compensar la amplificación esperada al agregar 600 Ohm a R3, la diferencia se reduce a 0.6% máx.

Entonces mi respuesta es: Sí, funcionará de la manera que esperaba, probablemente debido principalmente a que las corrientes son tan bajas que el transistor se usa en un área lineal. No esperaría los mismos resultados si las resistencias utilizadas tuvieran mucha menos resistencia.

Aún así, cambié mi circuito para usar el método sugerido por markt y johnfound. Parece más correcto