Usando um Opto-Isolador para alterar a Amplificação de um Op-Amp

Considere este circuito, que é um amplificador não inversor padrão com uma amplificação de A = 1+R1/R2.

Agora eu quero poder alterar esse valor de amplificação dinamicamente, usando um pino de microcontrolador. Eu vim com esta solução, que basicamente modifica o valor do resistor de feedback, inserindo outro resistor em paralelo:

Eu acho que a nova amplificação (com o opto-isolador ligado) é

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

Essa solução realmente funcionaria da maneira que eu pretendia? Estou especialmente preocupado que a tensão de saturação do fototransistor possa influenciar o amplificador operacional de alguma forma. Em caso afirmativo, existe uma solução alternativa para esse problema?

Suposição : Há alguma necessidade de isolamento óptico entre o controle de ganho (saída em uC) e o módulo de amplificação.

Aqui está uma simplificação da abordagem na questão, que remove qualquer transistor / FETs do caminho de feedback e fornece uma faixa analógica (contínua) de ganhos, mantendo o opto-isolamento - Use um acoplador óptico LDR como usado em alguns Amplificadores de áudio DIY :

Para uma alternativa pontual ou de bricolage, use um resistor dependente de luz CdS barato e onipresente, em conjunto com um LED comum:

O esquema é assim:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

A resistência de controle de ganho é a combinação paralela de R1 e (R2 + R_LDR).

Ao variar o ciclo de trabalho de um sinal PWM ou a tensão de um pino de saída DAC do microcontrolador, a intensidade da luz do LED varia. À medida que isso aumenta, a resistência do LED cai, de um valor muito alto (ou seja, pouco efeito no cálculo de ganho) quando o LED está apagado, para um valor baixo quando o LED está em quase 100% do ciclo de trabalho.

Nota : Se estiver usando PWM, a frequência PWM precisa ser significativamente maior que a faixa de frequência de interesse do sinal. Caso contrário, o PWM entrará no caminho do sinal, como indicado por @ pjc50.

Todas as respostas fornecidas são mais ou menos viáveis, mas têm algumas desvantagens:

1. Tudo, mas as respostas de Anindo Ghosh funcionarão apenas com tensões muito baixas ou terão uma pequena faixa de regulação (distorções não-lineares muito ou muito altas).

2. A solução com o resistor fotográfico funcionará, mas os optoacopladores de resistores são algum tipo de elemento exótico.

3. É quase impossível fornecer algum ganho exato e esse ganho varia com a temperatura.

Portanto, esses esquemas são adequados apenas para esquemas AGC, nos quais o segundo retorno regulará o ganho para os valores necessários.

Se for necessário definir o ganho exato e confiável , o único método de trabalho é usar MOSFETs controlados no modo de comutação (ON / OFF) e resistores normais:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Por que você não usa um controle de ganho de um barramento SPI do MCU: -

Existem outros chips de controle de ganho que podem ser ativados por linhas de hardware se você não gosta da SPI. Eu usei esse dispositivo extensivamente e posso garantir sua utilidade e precisão.

O material SPI não precisa ser de alta velocidade e também pode ser isolado se você realmente precisar. Eu corri 2MHz SPI 10 metros com drivers decentes, mas ir a uma velocidade muito lenta não será um problema.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Supondo que a terra do sinal do amplificador operacional e a terra do seu MCU sejam idênticas, essa abordagem funcionaria. Caso contrário, use um acoplador óptico para acionar o MOSFET. Você também pode adicionar vários MOSFETs paralelos (com linhas de controle separadas) para obter várias opções de ganho.

Eu diria que uma idéia melhor seria usar o optoisolador para controlar um comutador CMOS e usá-lo para alternar no resistor. Colocar um fototransistor no loop assim pode ter resultados estranhos.

Estou respondendo minha própria pergunta aqui, porque segui o conselho de jippie. Eu construí o circuito em uma tábua de pão e fiz as medições.

• Fonte de alimentação: 5 V (7805)
• Amplificador operacional: LM324
• Opto-isolador: SFH610A-3
• R1: 21,7 k
• R2: 9,83 k
• R3: 21,8 k
• Ligado o opto-isolador com uma corrente de 7,7 mA

Com esses valores de resistores, a amplificação esperada é 2.11.

Aqui estão os resultados da medição:

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

Além disso, medi a tensão entre R3 e o opto-transistor, permitindo calcular um valor de resistor para o transistor. Isso oscilou de 400 a 800 Ohm, provavelmente devido ao meu multímetro ter problemas para medir as pequenas tensões. Compensar a amplificação esperada adicionando 600 Ohm a R3, reduz a diferença para 0,6% no máximo.

Portanto, minha resposta é: Sim, funcionará da maneira que eu esperava, provavelmente principalmente devido às correntes serem tão baixas que o transistor é usado em uma área linear. Eu não esperaria os mesmos resultados se os resistores utilizados tivessem muito menos resistência.

Ainda assim, mudei meu circuito para usar o método sugerido por markt e johnfound. Parece mais correto.