Повне налаштування операційного підсилювача. Операційні підсилювачі. Види та робота. Харчування та особливості. Ідеальний операційний підсилювач

Основним активним елементом сучасної аналогової схемотехніки є операційний підсилювач - складна схема, виконана в інтегральному виконанні (тобто інтегральна мікросхема). Термін «операційний підсилювач» (скорочено ОУ) історично перегукується з ламповим аналоговим обчислювальним машинам (АВМ) – приладам, дозволяють представити деякі неелектричні процеси змінами у часі електричних величин (струмів, напруг); іншими словами, над струмами та напругами в АВМ виробляються «операції». Головними складовими частинами АВМ є підсилювачі, коефіцієнти передачі яких можна оперативно змінювати у процесі роботи (з допомогою перемичок і потенціометрів). Саме ці підсилювачі й одержали спочатку назву «операційних».

Область застосування ОУ нині істотно розширилася,

змінилася та технологія їх виготовлення. Однак збереглася головна перевага - можливість швидко і без великих витрат змінювати як коефіцієнт передачі підсилювача, а й взагалі змінювати призначення і функцію електронної схеми. Як правило, загальний підсилювач використовується в поєднанні з двома-трьома додатковими елементами: опорами, ємностями, діодами і т. д. Характер підключення цих додаткових елементів, як буде показано в цьому розділі, визначає фундаментальні властивості електронної схеми, що утворюється. Зміна всього лише одного елемента кардинально змінює функцію та призначення схеми.

Якщо ОУ виконаний як інтегральної мікросхеми, він має особливі позначення і маркування. Так було в принципових електричних схемах ОУ зображують як фігури, наведеної на рис. 5.1. На малюнку зліва зображені входи ОУ, праворуч – вихід. Як видно, ОУ має два входи, що відрізняються тим, як змінюється фаза сигналу при проходженні через підсилювач. Вхід, при подачі сигналу на який зсув фази становить 0°, називають неінвертуючим (на рис. 5.1 він має знак «+»). Другий вхід ОУ називають інвертуючим, оскільки сигнал, поданий на нього, набуває в ОУ зсув фази 180 ° (на рис. 5.1 вхід відзначений "-"). Зрозуміло, говорити про зсув фаз можна лише за передачі через ОУ гармонійних сигналів; однак вибір входу впливає і на проходження через операційний підсилювач постійної напруги – такий сигнал зберігає знак, якщо надходить на вхід, що не інвертує, і змінює знак, якщо подається на вхід, що інвертує.

На схемах поряд з фігурою, що означає ОУ, зазвичай ставлять літери DAщо відповідає аналоговій мікросхемі (на відміну від цифрової, тобто «дискретної» мікросхеми, що має буквене позначення DD). Операційні підсилювачі (мікросхеми), що випускаються промисловістю Російської Федерації, становлять серії (серія 140, серія 544 і т. д.); ознакою те, що якась мікросхема є ОУ, є букви УД (рідше – УТ), наприклад 140УД8А. Спрощена структурна схема такого ОУ наведено на рис. 5.2. Як видно з малюнка, у схемі – чотири основні блоки: диференціальний підсилювач ДУ (1), лінійний підсилювач ЛУ (2), підсилювач-обмежувач УО (3) та емітерний повторювач ЕП (4). ДУ забезпечує посилення різниці двох сигналів, що надходять на неінвертуючий та інвертуючий входи ОУ (відповідно,
і
). ЛУ складається з кількох підсилювальних каскадів і має величезний загальний коефіцієнт посилення. Наявність УО дозволяє використовувати ОУ як перетворювач форми сигналів, що розширює сферу їх застосування. Кінцевий блок ОУ – емітерний повторювач – виконує функцію трансформатора опорів та визначає значення вихідного опору ОУ Rви x. Зазвичай Rви x має порядок одиниць кілоом, в окремих типів ОУ – сотні ом. Без ЕП значення Rви було б більше: таким чином, завдяки наявності ЕП здійснюється захист ОУ від шунтування низькоомним навантаженням.
Структурна схема (рис. 5.2) є спрощеною та містить лише основні блоки ОУ. Поряд із ДУ, ЛУ, УО та ЕП типова схема ОУ містить блок узгодження рівнів постійних напруг (для забезпечення посилення постійних сигналів), блок зашиті від коротких замикань, а також ланцюга живлення. Живлення ОУ, як правило, двополярне симетричне, тобто використовуються два джерела з напругою Е 1 і Е 2 , причому Е 1 = – E 2 .

Основні параметри та характеристики ОУ.Як у будь-якого підсилювача, у ОУ важливими параметрами є амплітудна (передавальна) характеристика, коефіцієнт посилення, амплітудно-частотна характеристика (АЧХ), фазочастотна характеристика (ФЧХ), а також вхідний та вихідний опір. Очевидно, що оскільки у ОУ два входи, то кожен із перелічених параметрів, крім Rвих, повинен окремо розглядатися для випадку, коли сигнал, що посилюється, надходить на інвертуючий вхід (при інвертуючому включенні), і для випадку, коли використовується неінвертуючий вхід (при неінвертуючому включенні). Наведений набір параметрів характеризує підсилювач у лінійному режимі, тобто при малому сигналі. Якщо при проходженні сигналу через ОУ його форма змінюється через нелінійні спотворення, то доводиться користуватися іншими параметрами, що описують вихідний сигнал як імпульс. Це швидкість наростання вихідного сигналу, амплітуда імпульсів, форма фронту імпульсу, його тривалість. Параметри ОУ при «малому» і «великому» сигналах тісно пов'язані, оскільки ставляться до одного й тому підсилювачу. Розглянемо основні параметри та характеристики ОУ.

1. Передавальна характеристикаОУ – залежність амплітуди вихідного сигналу Uвих від амплітуди вхідного сигналу.
В електроніці зазначену залежність набагато частіше називають амплітудною характеристикою, проте стосовно ОУ використовують специфічну термінологію. Можливо, різницею в термінології прагнуть під-

підкреслити різницю в методиках вимірювання: в транзисторних і лампових підсилювачах постійний сигнал, як правило, не посилюється і амплітудну характеристику знімають при частоті сигналу f  0. Навпаки, в ОУ передавальну характеристику прагнуть виміряти при f = 0. З огляду на останнього міркування передавальну характеристику вимірюють за обох полярностях Uвх.

Передатні характеристики ОУ за нормального режиму роботи наведено на рис. 5.3. Тут 1 – передавальна характеристика при подачі вхідного сигналу на неінвертуючий вхід ( Uв x =
); 2 - вона ж при подачі на інвертуючий вхід ( Uв x =
). Ділянка – Uв x. max< Uв x< < U x max відповідає лінійному посиленню, при | Uу x | > U x max виникають нелінійні спотворення, сигнал обмежується «згори». Можна приблизно вважати, що рівні обмеження рівні + Eі – Е, а Uв x. max = E/До, де До- Коефіцієнт посилення ОУ.

2. Коефіціент посиленняОУ Доможе бути визначений за нахилом лінійної ділянки передавальної характеристики: він кількісно дорівнює тангенсу кута (рис. 5.3). Зазначимо, що передатні характеристики (рис. 5.3) є якісними: з урахуванням реальних значень коефіцієнтів посилення передавальні характеристики промислових зразків ОУ мають майже вертикальні лінійні ділянки.

3. Амплітудно-частотна характеристика.В операційних підсилювачах у переважній більшості зразків забезпечується ідентичність властивостей при інвертуючому та неінвертуючому включеннях (наприклад, коефіцієнти посилення при обох включеннях рівні по модулю). Ідентичність властивостей ОУ за різних включення дозволяє розглядати не дві, а одну єдину АЧХ (а також ФЧХ). АЧХ типового ОУ наведено на рис. 5.4.

4. Фазочастотна характеристика.Хоча при інвертуючому включенні ОУ зсув фаз між вхідним і вихідним сигналами повинен дорівнювати 180 °, а при неінвертуючому 0 °, насправді, в реальних зразках

5. Вхідні та вихідні опори.В силу ідентичності властивостей ОУ при інвертуючому та неінвертуючому включеннях значення вхідних опорів по обох входах підсилювача (відповідно,
і
) практично однакові і складають від сотень кілоом до одиниць-десятків мегаом (ОУ типу 140УД8А має навіть R x = 10 9 Ом). Порядок значень Rви x обумовлено раніше: вихідні опори ОУ лежать у межах від одиниць кілоом до сотень ом.

6. Швидкість наростання великого сигналу- Параметр комплексний, що охоплює одночасно і амплітуду імпульсного сигналу на виході ОУ, і тривалість фронту. Оскільки йдеться про великий сигнал, який у процесі посилення набуває амплітуди, близької до Е(рис. 5.4), то, позначивши тривалість фронту через τ фр, для швидкості та наростання сигналу запишемо  2 Е/ фр. Значення тісно пов'язані з частотними властивостями ОУ: очевидно, оскільки τ фр ~ 1/ fв. гр, де fв. гр – верхня гранична частота.

Недоліки операційних підсилювачів.Головними недоліками ОУ є:

-зниження коефіцієнта посилення при підключенні низькоомного навантаження;

-Зміщення передавальної характеристики з початку координат (розбаланс);

Розглянемо ці явища та заходи боротьби з ними.

1. Зниження коефіцієнта посилення під час підключення навантаження.Незважаючи на те, що до складу ОУ входить емітерний повторювач і Rвих внаслідок цього знижено, все ж таки воно залишається досить великим: при підключенні навантаження з опором порядку одиниць-десятків мають місце негативні явища: зниження коефіцієнта посилення і, одночасно, рівня максимального вихідного сигналу.

Графічно ці ефекти відбито на рис. 5.5: передатна характеристика 1 відповідає режиму холостого ходу (опір навантаження Rн  ), характеристики 2 і 3 відповідають навантаженням з Rн 2 > Rн 3 .
Для того щоб зменшити негативні наслідки явища, що застосовуються, застосовують включення додаткових повторювачів, у яких Rвих  Rн.

Разом з тим, відзначимо, що якщо вся складна електронна схема будується з каскадів на основі ОУ, то в цьому випадку для кожного ОУ (крім ОУ кінцевого каскаду) автоматично забезпечується за навантаженням режим холостого ходу: адже навантаженням ОУ є також операційний підсилювач Rвх, що у багато разів (на два-три порядки) перевищують Rвих. Таким чином розробники ОУ подбали про об'єднання схем на їх основі.

2. Зміщення передавальної характеристики початку координат (розбаланс).Наявність двох джерел живлення, причому з не завжди однаковими напругами, часто стає причиною усунення передавальної характеристики ОУ з початку координат. Це часто називають розбалансом. Можливі інші причини виникнення розбалансу. Явище розбалансу ілюструє графік рис. 5.6. Тут напруга розбалансу позначена як Δ U.

Усунення передавальної характеристики від початку координат призводить до наступних негативних наслідків:
-До зміни рівня вихідного сигналу при посиленні постійного сигналу;

-До появи небажаного «п'єдесталу» при посиленні малого змінного сигналу;

– до виникнення нелінійних спотворень при посиленні змінного сигналу з амплітудою, близькою до Е/До.

Можливі й інші негативні наслідки розбалансу: особливо небезпечний він у суматорах постійних сигналів, оскільки виникає помилка складання.

Боротьба з розбалансом зводиться до компенсації напруги U. Якщо ОУ включений таким чином, що для подачі корисного сигналу використовується лише один вхід, то для компенсації розбалансу можна другий вхід від'єднати від землі та подати на нього напругу, що дорівнює за значенням і зворотне за знаком напруги Δ U.

Розглянемо цей метод докладніше. Як зазначено раніше, першим вузлом ОУ є диференціальний підсилювач, робота якого описується формулою Uви x = ДоДК (
–
). Допустимо, що використовується неінвертуюче включення ОУ. У цьому випадку інвертуючий вхід з'єднаний із землею,
= 0: Uви x = ДоДК
. У разі розбалансу ця формула неправильна і має бути замінена інший: Uви x = ДоДК (
– Δ U).

Звідси видно, що «повернутись» до прямо пропорційної залежності Uви x від
можна при
= – Δ U, тобто. Uви x = ДоДК (
– Δ U –
) = = ДоДК (
– Δ U + Δ U) = ДоДК
.

Подачу компенсаційної напруги здійснюють зазвичай від джерела живлення через потенціометр; інший спосіб - використання вхідного струму Iвх самого ОУ. В останньому випадку між входом ОУ і землею, що не використовується для подачі корисного сигналу, включають потенціометр (так званий балансувальний опір), падіння напруги на якому при протіканні вхідного струму ОУ дорівнює Δ U.

Схеми, що реалізують два розглянуті методи боротьби з розбалансом, наведено на рис. 5.7 (оскільки практично частіше використовується інвертуюче включення ОУ, ці схеми також відповідають інвертирующему включенню). Слід зазначити, що явище розбалансу – непостійне значення Δ Uзмінюється під впливом багатьох факторів, і тому режим ОУ треба регулярно контролювати та оперативно змінювати компенсаційну напругу.

Під час розгляду параметрів ОУ було зазначено, що у високих частотах відбувається, з одного боку, зниження До, а з іншого – зростання значення Δφ До. Якщо припустити, що значення γ і Δφ γ від частоти не залежать, причому Δφ γ = 0 (це справедливо для багатьох схем на основі ОУ), то на низьких і середніх частотах (де Δφ До = 180°, при інвертуючому включенні ОУ умова балансу фаз не виконується і генерація не виникає. З збільшенням частоти Δφ Дозростає і може досягти 360 ° і більших значень. Однак генерація виникає лише у разі, коли на цих частотах виконується умова балансу амплітуд, тобто при До> 1/ γ.

Схемна реалізація корекції ОУ зазвичай така: нею охоплюють не

весь підсилювач, а чи кілька каскадів – до спеціальних висновків мікросхеми підключають одне чи кілька зовнішніх елементів (конденсаторів, резисторів). Найбільш поширені однополюсна, двополюсна корекція, корекції з фазовим випередженням та з фазовим запізненням. Однополюсна корекція полягає у включенні паралельно частини підсилювальних каскадів ОУ ємності З K (рис. 5.9). Ця ємність на високих частотах шунтує підсилювач та знижує посилення ОУ.

Схема двополюсної корекції наведено на рис. 5.10, а: вона складається з двох конденсаторів. З 1 і З 2 та резистора R 3 , причому З 2  10 З 1 . Дія схеми по-різному на різних частотах: при досить малих значеннях частоти fопір З 2 велике і сигнал через ланцюг не проходить, ніякого коригувального впливу схема не надає. Зі збільшенням частоти опір З 1 зменшується і ланцюг двополюсної корекції перетворюється на ланцюг однополюсної корекції, причому функцію З K виконує еквівалентну ємність Зе = З 1 З 2 /(З 1 + З 2). Отже, можна вважати, що схема
двополюсної корекції складається з частотно-керованого ключа і схеми однополюсної корекції, що включається. На рис. 5.10, бзображено амплітудно-частотні характеристики ОУ без корекції (1), при використанні однополюсної (2) та двополюсної (3) корекцій.

Схема корекції з фазовим випередженням (рис. 5.11, а) підключається послідовно з використовуваним входом ОУ та містить резистор R 1 та конденсатор З. Суть дії цієї схеми полягає у введенні в підсилювач додаткового диференціюючого ланцюга C – Rв x ОУ, де R x ОУ – вхідний опір ОУ. При цьому має місце компенсація зсуву фаз у підсилювачі Δφ Дозсувом фаз у ланцюзі корекції, так як Δφ Дота Δφ кор мають різні знаки (рис. 5.11, б, де крива 1 – графік Δφ До, 2 – графік Δφ кор, 3 – їх суми).

Схема корекції з фазовим випередженням, як диференційуючий ланцюг, є фільтром високих частот; в результаті цього коефіцієнт посилення підсилювача на низьких частотах знижується, що є недоліком (для того, щоб коефіцієнт посилення не був би на частоті f = 0 дорівнює нулю, З 5 шунтують резистором R 1).
Схема корекції з фазовим запізненням (рис. 5.12) підключається між двома входами операційного підсилювача та містить резистор та конденсатор. Опір коригувального ланцюга на високих частотах зменшується і шунтує вхід підсилювача, що еквівалентно зменшенню Додля високочастотних гармонік діапазону сигналу.

Примітка.Терміни «фазове випередження» та «фазове запізнення» у назвах схем корекції можна пояснити, порівнюючи Δφ Дов ОУ без корекції та з підключенням того чи іншого коригувального ланцюга. Наприклад, при підключенні диференціюючого ланцюга (рис. 5.10, а) зсув фаз набуває позитивної добавки. Ланцюг R 1 – Cмає комплексний опір з негативною уявною частиною, тому підключення цього ланцюжка до входу ОУ, крім шунтування вхідного опору на високих частотах, викликає тих же частотах негативну добавку зсуву фаз. Якщо тепер уявити, припустимо, гармонійний сигнал, що проходить через ОУ, у вигляді вектора, що обертається на комплексній площині, то наявність позитивної добавки у фазі означає, що вектор обертається з випередженням по відношенню до вектора сигналу з меншою фазою. Вектор сигналу, що має негативну «добавку» у фазі, обертається із запізненням.

p align="justify"> Операційні підсилювачі часто використовуються для виконання різних операцій: підсумовування сигналів, диференціювання, інтегрування, інвертування і т. д. А також операційні підсилювачі були розроблені як удосконалені
балансні схеми посилення

Операційний посилювач– універсальний функціональний елемент, що широко використовується в сучасних схемах формування та перетворення інформаційних сигналів різного призначення як в аналоговій, так і в цифровій техніці. Давайте розглянемо види підсилювачів.

Підсилювач, що інвертує

Розглянемо схему простого підсилювача, що інвертує:

а) падіння напруги на резисторі R2 дорівнює Uвих,

б) падіння напруги на резисторі R1 дорівнює Uвх.

Uвих/R2 = -Uвх/R1, або коефіцієнт посилення за напругою = Uвих/Uвх = R2/R1.

Щоб зрозуміти, як працює зворотний зв'язок, уявімо собі, що у вхід поданий певний рівень напруги, скажімо 1 У. Для конкретизації припустимо, що резистор R1 має опір 10 кОм, а резистор R2 — 100 кОм. Тепер уявімо, що напруга на виході вирішила вийти з покори і дорівнювала 0 В. Що станеться? Резистори R1 і R2 утворюють дільник напруги, за допомогою якого потенціал входу, що інвертує, підтримується рівним 0,91 В. Операційний підсилювач фіксує неузгодженість по входах, і напруга на його виході починає зменшуватися. Зміна продовжується доти, поки вихідна напруга не досягне значення -10 В, в цей момент потенціали входів ОУ стануть однаковими та рівними потенціалу землі. Аналогічно, якщо напруга на виході почне зменшуватися і далі і стане більш негативним, ніж -10 В, то потенціал на вході, що інвертує, стане нижче потенціалу землі, в результаті вихідна напруга почне зростати.

Недолік цієї схеми полягає в тому, що вона має малий вхідний імпеданс, особливо для підсилювачів з великим коефіцієнтом посилення по напрузі (при замкнутому ланцюгу ОС), в яких резистор R1, як правило, буває невеликим. Цей недолік усуває схема, наведена нижче, на рис. 4.

Підсилювач, що не інвертує. Підсилювач постійного струму.

Розглянемо схему на рис. 4. Аналіз її дуже простий: UA = Uвх. Напруга UA знімається з дільника напруги: UA = Uвих R1/(R1+R2). Якщо UA = Uвх, то коефіцієнт посилення = Uвих/Uвх = 1+R2/R1. Це неінвертуючий підсилювач. У наближенні, яким ми скористаємося, вхідний імпеданс цього підсилювача нескінченний (для ОУ типу 411 він становить 1012 Ом і більше для ОУ на біполярних транзисторах зазвичай перевищує 108 Ом). Вихідний імпеданс, як і попередньому випадку, дорівнює часткам ома. Якщо, як у випадку з підсилювачем, що інвертує, ми уважно розглянемо поведінку схеми при зміні напруги на входах, то побачимо, що вона працює, як обіцяно.

Підсилювач змінного струму

Схема вище також є підсилювач постійного струму. Якщо джерело сигналу і підсилювач пов'язані між собою змінним струмом, то для вхідного струму (дуже невеликого за величиною) потрібно передбачити заземлення, як показано на рис. 5. Для представлених на схемі величин компонентів коефіцієнт посилення по напрузі дорівнює 10 а точці -3 дБ відповідає частота 16 Гц.

Підсилювач змінного струму. Якщо посилюються лише сигнали змінного струму, можна зменшити коефіцієнт посилення для сигналів постійного струму до одиниці, особливо якщо підсилювач має великий коефіцієнт посилення по напрузі. Це дозволяє зменшити вплив існуючого кінцевого «наведеного до входу напруги зсуву».

Для схеми представленої на рис. 6, точці -3 дБ відповідає частота 17 Гц; цій частоті імпеданс конденсатора дорівнює 2,0 кОм. Зверніть увагу, що конденсатор має бути більшим. Якщо для побудови підсилювача змінного струму використовувати підсилювач, що не інвертує, з великим посиленням, то конденсатор може виявитися надмірно великим. У цьому випадку краще обійтися без конденсатора і налаштувати напругу зсуву так, щоб воно дорівнювало нулю. Можна скористатися іншим методом – збільшити опори резисторів R1 та R2 та використовувати T-подібну схему дільника.

Незважаючи на високий вхідний імпеданс, якого завжди прагнуть розробники, схемі неінвертуючого підсилювача не завжди віддають перевагу перед схемою підсилювача, що інвертує. Як ми побачимо надалі, інвертуючий підсилювач не пред'являє настільки високих вимог до ОУ і, отже, має дещо кращі характеристики. Крім того, завдяки уявному заземленню зручно комбінувати сигнали без їхнього взаємного впливу один на одного. І нарешті, якщо розглянута схема підключена до виходу (стабільного) іншого ОУ, то величина вхідного імпедансу вам байдужа — це може бути 10 кОм чи нескінченність, оскільки у разі попередній каскад виконуватиме свої функції стосовно наступному.

Повторювач

На рис. 7 представлений повторювач, подібний до еммітерного, на основі операційного підсилювача.

Він є нічим іншим, як неинвертирующий підсилювач, у якому опір резистора R1 дорівнює нескінченності, а опір резистора R2 — нулю (коефіцієнт посилення = 1). Існують спеціальні операційні підсилювачі, призначені для використання тільки в якості повторювачів, вони мають покращені характеристики (в основному більш високою швидкодією), прикладом такого операційного підсилювача є схема типу LM310 або OPA633, а також схеми спрощеного типу, наприклад схема типу TL068 (вона випускається в транзисторному корпусі із трьома висновками).

Підсилювач з одиничним коефіцієнтом посилення називають іноді буфером, так як він має ізолюючі властивості (великий вхідний імпеданс і малий вихідний).

Основні застереження під час роботи з ОУ

1. Правила справедливі будь-якого операційного підсилювача за умови, що він перебуває у активному режимі, тобто. його входи та виходи не перевантажені.

Наприклад, якщо подати на вхід підсилювача надто великий сигнал, це призведе до того, що вихідний сигнал буде зрізатися поблизу рівня UКК або UЕЕ. У той час, коли напруга на виході виявляється фіксованою на рівні напруги зрізу, напруга на входах не може не змінюватися. Розмах напруги на виході операційного підсилювача не може бути більшим за діапазон напруги живлення (зазвичай розмах менше діапазону живлення на 2 В, хоча в деяких ОУ розмах вихідної напруги обмежений однією або іншою напругою живлення). Аналогічне обмеження накладається на вихідний діапазон сталості джерела струму на основі операційного підсилювача. Наприклад, у джерелі струму з плаваючим навантаженням максимальне падіння напруги на навантаженні при «нормальному» напрямку струму (напрямок струму збігається з напрямком прикладеної напруги) становить UКК - Uвх, а при зворотному напрямку струму (навантаження в такому випадку може бути досить дивним, наприклад, вона може містити переполюсовані батареї для отримання прямого струму заряду або може бути індуктивною і працювати зі струмами, що змінюють напрямок -Uвх - UЕЕ.

2. Зворотний зв'язок має бути негативним. Це означає (крім усього іншого), що не можна плутати входи, що інвертують і не інвертують.

3. У схемі операційного підсилювача обов'язково має бути передбачено ланцюг зворотного зв'язку по постійному струму, інакше операційний підсилювач обов'язково потрапить у режим насичення.

4. Багато операційні підсилювачі мають досить малу гранично допустиму диференціальну вхідну напругу. Максимальна різниця напруг між інвертуючим і неінвертуючим входами може бути обмежена величиною 5 для будь-якої полярності напруги. Якщо знехтувати цією умовою, то виникнуть великі вхідні струми, які призведуть до погіршення характеристик або навіть руйнування операційного підсилювача.

Поняття «зворотний зв'язок» (ОС) належить до поширених, воно давно вийшло поза межі вузької галузі техніки і використовується сьогодні у сенсі. У системах управління зворотний зв'язок використовується для порівняння вихідного сигналу із заданим значенням та виконання відповідної корекції. Як «система» може виступати будь-що, наприклад процес керування автомобілем, що рухається по дорозі — за вихідними даними (положенням машити та її швидкістю) стежить водій, який порівнює їх з очікуваними значеннями і відповідно коригує вхідні дані (за допомогою керма, перемикача швидкостей, гальма). У підсилювальній схемі вихідний сигнал повинен бути кратний вхідному, тому у підсилювачі зі зворотним зв'язком вхідний сигнал порівнюється з певною частиною вихідного сигналу.

Все про зворотний зв'язок

Негативний зворотний зв'язок- Це процес передачі вихідного сигналу назад на вхід, при якому погашається частина вхідного сигналу. Може здатися, що це дурна витівка, яка призведе лише до зменшення коефіцієнта посилення. Саме такий відгук отримав Гарольд С. Блек, який у 1928 р. спробував запатентувати негативний зворотний зв'язок. «До нашого ізопрелення поставилися так само, як і до вічного двигуна» (журнал IEEE Spectrum за грудень 1977 р.). Дійсно, негативний зворотний зв'язок зменшує коефіцієнт посилення, але при цьому він покращує інші параметри схеми, наприклад усуває спотворення та нелінійність, згладжує частотну характеристику (приводить її у відповідність з потрібною характеристикою), робить поведінку схеми передбачуваною. Чим глибше негативний зворотний зв'язок, тим менше зовнішні характеристики підсилювача залежать від характеристик підсилювача з розімкнутим зворотним зв'язком (без ОС), і в кінцевому рахунку виявляється, що вони залежать тільки від властивостей самої схеми ОС. Операційні підсилювачі зазвичай використовують у режимі глибокого зворотного зв'язку, а коефіцієнт посилення по напрузі в розімкнутій петлі ОС (без ОС) досягає в цих схемах мільйона.

Ланцюг ОС може бути частотно-залежним, тоді коефіцієнт посилення певним чином залежатиме від частоти (прикладом може служити підсилювач звукових частот у програвачі зі стандартом RIAA); якщо ж ланцюг ОС є амплітудно-залежним, то підсилювач має нелінійну характеристику (поширеним прикладом такої схеми служить логарифмічний підсилювач, в якому в ланцюзі ОС використовується логарифмічна залежність напруги UБЕ від струму ІК в діоді або транзисторі). Зворотний зв'язок можна використовувати для формування джерела струму (вихідний імпеданс близький до нескінченності) або джерела напруги (вихідний імпеданс близький до нуля), з її допомогою можна отримати дуже великий або малий вхідний опір. Власне кажучи, той параметр, яким вводиться зворотний зв'язок, з її допомогою поліпшується. Наприклад, якщо для зворотного зв'язку використовувати сигнал, пропорційний вихідному струму, отримаємо хороше джерело струму.

Зворотний зв'язок може бути позитивним; її використовують, наприклад, у генераторах. Як не дивно, вона не така корисна, як негативна ОС. Швидше вона пов'язана з неприємностями, так як у схемі з негативною ОС на високій частоті можуть виникати досить великі зрушення по фазі, що призводять до виникнення позитивної ОС та небажаних автоколивань. Для того, щоб ці явища виникли, не потрібно прикладати великих зусиль, а ось для запобігання небажаним автоколиванням вдаються до методів корекції.

Операційні підсилювачі

У більшості випадків, розглядаючи схеми із зворотним зв'язком, ми матимемо справу з операційними підсилювачами. Операційний підсилювач (ОУ) - це диференціальний підсилювач постійного струму з дуже великим коефіцієнтом підсилення та несиметричним входом. Прообразом ОУ може бути класичний диференціальний підсилювач з двома входами і несиметричним виходом; правда, слід зазначити, що реальні операційні підсилювачі мають значно більш високі коефіцієнти посилення (зазвичай порядку 105 - 106) і меншими вихідними імпедансами, а також допускають зміну вихідного сигналу майже в повному діапазоні напруги живлення (зазвичай використовують розщеплені джерела живлення ±15 В).

Символи «+» і «-» не означають, що на одному вході потенціал завжди має бути позитивнішим, ніж на іншому; ці символи просто вказують відносну фазу вихідного сигналу (це важливо, якщо у схемі використовується негативна ОС). Щоб уникнути плутанини, краще називати входи «інвертуючий» і «неінвертуючий», а не вхід «плюс» і вхід «мінус». На схемах часто не показують підключення джерел живлення до ОУ та висновок, призначений для заземлення. Операційні підсилювачі мають колосальний коефіцієнт посилення по напрузі і ніколи (за рідкісним винятком) не використовуються без зворотного зв'язку. Можна сказати, що операційні підсилювачі створені для роботи із зворотним зв'язком. Коефіцієнт посилення схеми без зворотний зв'язок настільки великий, що за наявності замкнутої петлі ОС характеристики підсилювача залежить тільки від схеми зворотний зв'язок. Звичайно, при докладнішому вивченні має виявитися, що таке узагальнене висновок справедливе не завжди. Почнемо ми з того, що просто розглянемо, як працює операційний підсилювач, а потім при необхідності будемо вивчати його ретельніше.

Промисловість випускає буквально сотні типів операційних підсилювачів, які мають різні переваги один перед одним. Повсюдне поширення набула дуже хороша схема типу LF411 (або просто «411»), представлена ​​ринку фірмою National Semiconductor. Як і всі операційні підсилювачі, вона є крихітним елементом, розміщеним у мініатюрному корпусі з дворядним розташуванням висновків міні-DIP. Ця схема недорога і зручна у користуванні; промисловість випускає покращений варіант цієї схеми (LF411A), а також елемент, розміщений у мініатюрному корпусі і містить два незалежні операційні підсилювачі (схема типу LF412, яку називають також «здвоєний» операційний підсилювач). Рекомендуємо вам схему LF411 як хороший початковий ступінь у розробці електронних схем.

Схема типу 411 - це кристал кремнію, що містить 24 транзистори (21 біполярний транзистор, 3 польові транзистори, 11 резисторів і 1 конденсатор). На рис. 2 показано з'єднання з виводами корпусу.

Точка на кришці корпусу і виїмка з його торці служать позначення точки відліку при нумерації выводов. У більшості корпусів електронних схем нумерація висновків здійснюється у напрямку проти годинникової стрілки з кришки корпусу. Висновки "установка нуля" (або "баланс", "регулювання") служать для усунення невеликої асиметрії, можливої ​​в операційному підсилювачі.

Важливі правила

Зараз ми познайомимося з найважливішими правилами, які визначають поведінку операційного підсилювача, охопленого петлею зворотного зв'язку. Вони справедливі майже всім випадків життя.

По-перше, операційний підсилювач має такий великий коефіцієнт посилення за напругою, що зміна напруги між входами на кілька часток мілівольта викликає зміну вихідної напруги в межах його повного діапазону, тому не розглядатимемо цю невелику напругу, а сформулюємо правило I:

I. Вихід операційного підсилювача прагне до того, щоб різниця напруг між його входами дорівнювала нулю.

По-друге, операційний підсилювач споживає дуже невеликий вхідний струм (ОУ типу LF411 споживає 0,2 нА; ОУ зі входами на польових транзисторах - порядку пикоампер); не вдаючись у глибші подробиці, сформулюємо правило II:

ІІ. Входи операційного підсилювача струм не споживають.

Тут необхідно дати пояснення: правило I не означає, що операційний підсилювач дійсно змінює напругу своїх входах. Це неможливо. (Це було б не сумісне з правилом II.) Операційний підсилювач «оцінює» стан входів і за допомогою зовнішньої схеми ОС передає напругу з виходу на вхід, так що в результаті різниця напруги між входами стає рівною нулю (якщо це можливо).

Дорога в десять тисяч починається з першого кроку.
(китайське прислів'я)

Справа була ввечері, робити не було чого… І так раптом захотілося спати щось. Таке собі… Електронне!.. Спаяти - так спаяти. Комп'ютер є, Інтернет підключено. Вибираємо схему. І раптом виявляється, що схем для задуманого сабжа - вагон і маленький візок. І всі різні. Досвіду немає, знань обмаль. Який вибрати? Деякі з них містять якісь прямокутнички, трикутнички. Підсилювачі та ще й операційні… Як вони працюють – незрозуміло. Стра-а-ашно!.. А раптом згорить? Вибираємо, що простіше на знайомих транзисторах! Вибрали, спаяли, включили… HELP! Не працює!!! Чому?

Та тому, що «Простота - гірша за крадіжку»! Це як комп'ютер: найшвидший і наворочений – ігровий! А для офісної роботи достатньо і найпростішого. Так само і з транзисторами. Спаяти на них схему мало. Потрібно ще вміти її налаштувати. Занадто багато «підводних каменів» та «граблів». А для цього часто потрібний досвід аж ніяк не початкового рівня. Так що ж, кидати цікаве заняття? Аж ніяк! Просто не треба боятися цих «трикутників-прямокутників». З ними працювати, виявляється, у багатьох випадках набагато простіше, ніж із окремими транзисторами. ЯКЩО ЗНАТИ - ЯК!

Ось цим: розумінням, як працює операційний підсилювач (ОУ, або англійською мовою OpAmp) ми зараз і займемося. При цьому розглядатимемо його роботу буквально «на пальцях», практично не користуючись ніякими формулами, хіба що крім закону дідуся Ома: «Ток через ділянку ланцюга ( I) прямо пропорційний напрузі на ньому ( U) і обернено пропорційний його опору ( R)»:
I = U/R. (1)

Для початку, в принципі, не так і важливо, як саме ОУ влаштований всередині. Просто приймемо як припущення, що він є «чорною скринькою» з якоюсь там начинкою. На даному етапі не розглядатимемо і такі параметри ОУ, як «напруга зміщення», «напруга зсуву», «температурний дрейф», «шумові характеристики», «коефіцієнт придушення синфазної складової», «коефіцієнт придушення пульсацій напруги живлення», «смуга пропускання» " і т.п. Всі ці параметри будуть важливими на наступному етапі його вивчення, коли в голові «влягуться» основні принципи його роботи, бо «гладко було на папері, та забули про яри».

Поки що просто припустимо, що параметри ОУ близькі до ідеальних і розглянемо тільки те, який сигнал буде на його виході, якщо якісь сигнали подавати на його входи.

Отже, операційний підсилювач (ОУ) є диференціальним підсилювачем постійного струму з двома входами (інвертуючим та неінвертуючим) і одним виходом. Крім них ОУ має висновки харчування: позитивного та негативного. Ці п'ять висновків є в майжебудь-якому ОУ та принципово необхідні для його роботи.

ОУ має величезний коефіцієнт посилення, як мінімум, 50000…100000, а реально набагато більше. Тому, у першому наближенні, можна навіть припустити, що він дорівнює нескінченності.

Термін "диференціальний" ("different" перекладається з англійської як "різниця", "відмінність", "різниця") означає, що на вихідний потенціал ОУ впливає виключно різницю потенціалів між його входами, незалежновід них абсолютногозначення та полярності.

Термін "постійного струму" означає, що посилює ОУ вхідні сигнали, починаючи від 0 Гц. Верхній діапазон частот (частотний діапазон), що посилюються ОУ сигналів залежить від багатьох причин, таких як частотні характеристики транзисторів, з яких він складається, коефіцієнта посилення схеми, побудованої із застосуванням ОУ і т.п. Але це питання вже виходить за межі первинного ознайомлення з його роботою і розглядатись тут не буде.

Входи ОУ мають дуже великий вхідний опір, що дорівнює десяткам/сотням МегаОм, а то й ГігаОм (і тільки в пам'ятних К140УД1, та ще в К140УД5 воно становило всього 30 ... 50 кОм). Такий великий опір входів означає, що на вхідний сигнал вони практично не впливають.

Тому з великим ступенем наближення до теоретичного ідеалу можна вважати, що струм у входи ОУ не тече . Це - першеважливе правило, яке застосовується під час аналізу роботи ОУ. Прошу добре запам'ятати, що воно стосується тільки самого ОУ, а не схем із його застосуванням!

Що ж означають терміни «інвертуючий» та «неінвертуючий»? По відношенню до чого визначається інверсія і взагалі, що це за "звірятко" такий - інверсія сигналу?

У перекладі з латинської одним із значень слова «inversio» є «обертання», «переворот». Іншими словами, інверсія - це дзеркальне відображення ( віддзеркалення) сигналу щодо горизонтальної осі Х(Восі часу). Рис. 1 показані кілька з множини можливих варіантівінверсії сигналу, де червоним кольором позначений прямий (вхідний) сигнал та синім - проінвертований (вихідний).

Мал. 1 Поняття інверсії сигналу

Особливо слід зазначити, що до нульової лінії (як Рис. 1, А, Б) інверсія сигналу не прив'язана! Сигнали можуть бути інверсними та асиметричними. Наприклад, обидва тільки в області позитивних значень (Рис. 1, В), що характерно для цифрових сигналів або при однополярному живленні (про це йтиметься далі), або обидва частково в позитивній і частково - в негативних областях (Рис. 1, Б, Д). Можливі інші варіанти. Головною умовою є їхня взаємна дзеркальністьщодо якогось довільного обраного рівня (наприклад, штучної середньої точки, про яку мова також вестиметься далі). Іншими словами, полярністьсигналу теж є визначальним чинником.

Зображують ОУ на важливих схемах по-різному. За кордоном ОУ раніше зображувалися, та й зараз дуже часто зображуються як рівнобедреного трикутника (Рис. 2, А). Інвертуючий вхід – символом «мінус», а неінвертуючий – символом «плюс» усередині трикутника. Ці символи зовсім не означають, що на відповідних входах потенціал має бути більш позитивним або негативнішим, ніж на іншому. Вони просто вказують, як реагує потенціал виходу на потенціали, що подаються на входи. У результаті їх легко сплутати з висновками харчування, що може виявитися несподіваними граблями, особливо для початківців.


Мал. 2 Варіанти умовних графічних зображень (УГО)
операційних підсилювачів

У системі вітчизняних умовних графічних зображень (УГО) до набрання чинності ГОСТ 2.759-82 (СТ РЕВ 3336-81) ОУ також зображувалися як трикутника, лише інвертуючий вхід - символом інверсії - кружечком у місці перетину виведення з трикутником (Рис.2). Б), а тепер - у вигляді прямокутника (Рис.2, В).

При позначенні ОУ на схемах інвертуючий і неінвертуючий входи можна міняти місцями, якщо так зручніше, проте традиційно вхід, що інвертує, зображується вгорі, а неінвертуючий - внизу. Висновки харчування, як правило, завжди мають єдиний спосіб (позитивний вгорі, негативний - внизу).

ОУ майже завжди використовуються у схемах з негативним зворотним зв'язком (ООС).

Зворотним зв'язком називається ефект подачі частини вихідної напруги підсилювача на його вхід, де воно алгебраїчно (з урахуванням знака) підсумовується з вхідною напругою. Про принцип підсумовування сигналів йтиметься нижче. Залежно від того, на який вхід ОУ, що інвертує або неінвертує, подається ОС, розрізняють негативний зворотний зв'язок (ООС), коли частина вихідного сигналу подається на інвертуючий вхід (Рис. 3, А) або позитивний зворотний зв'язок (ПОС), коли частина вихідного сигналу подається, відповідно, на вхід, що не інвертує (Рис. 3, Б).


Мал. 3 Принцип формування зворотний зв'язок (ОС)

У першому випадку, оскільки вихідний сигнал є інверсним по відношенню до вхідного, він віднімається від вхідного. Через війну загальне посилення каскаду знижується. У другий випадок - підсумовується з вхідним, загальне посилення каскаду підвищується.

На перший погляд може здатися, що ПІС має позитивний ефект, а ООС - абсолютно марна витівка: навіщо ж знижувати посилення? Саме так і порахували патентні експерти США, коли 1928 р. Гарольд С. Блек спробувавзапатентувати ООС. Однак, жертвуючи посиленням, ми суттєво покращуємо інші важливі параметри схеми, як, наприклад, її лінійність, частотний діапазон тощо. Чим глибше ООС, тим менше характеристики всієї схеми залежать від характеристик ОУ.

А ось ПІС (враховуючи власне величезне посилення ОУ), має зворотний вплив на характеристики схеми і найнеприємніше - викликає її самозбудження. Вона, звичайно, теж використовується усвідомлено, наприклад, у генераторах, компараторах з гістерезисом (докладно про це - далі) і т.п., але в загальному виглядіїї вплив на роботу підсилювальних схем з ОУ швидше негативний і вимагає дуже ретельного та обґрунтованого аналізу її застосування.

Оскільки ОУ має два входи, то можливі такі основні види включення з використанням ООС (Рис. 4):


Мал. 4 Основні схеми включення ОУ

а) інвертуюче (Рис. 4, А) - сигнал подається на вхід, що інвертує, а неінвертуючий підключається безпосередньо до опорного потенціалу (не використовується);

б) неінвертуюче (Мал. 4, Б) - сигнал подається на неінвертуючий вхід, а інвертуючий підключається безпосередньо до опорного потенціалу (не використовується);

в) диференційне (Рис. 4, В) - сигнали подаються на обидва входи, що інвертує і неінвертує.

Для аналізу роботи цих схем слід врахувати другенайважливіше правило, якому підпорядковується робота ОУ: Вихід операційного підсилювача прагне до того, щоб різниця напруг між його входами дорівнювала нулю.

Разом з тим, будь-яке формулювання має бути необхідної та достатньої, щоб обмежити все підмножина випадків, що підкоряються їй. Наведена вище формулювання, за всієї її «класичності», це не дає жодної інформації у тому, який із входів «прагне вплинути» вихід. Виходячи з неї, виходить, що ніби ОУ вирівнює напруги на своїх входах, подаючи напругу на них звідкись «зсередини».

Якщо уважно розглянути схеми Мал. 4 можна помітити, що ООС (через Rоос) у всіх випадках заведена з виходу тількина інвертуючий вхід, що дає нам підставу переформулювати це правило так: Напруга на виході ОУ, охопленому ООС, прагне до того, щоб потенціал на вході, що інвертує, зрівнявся з потенціалом на неінвертуючому вході.

Виходячи з цього визначення, «провідним» за будь-якого включення ОУ з ООС є неінвертуючий вхід, а «відомим» - інвертуючий.

При описі роботи ОУ потенціал на його вході, що інвертує, часто називають «віртуальним нулем» або «віртуальною середньою точкою». Переклад латинського слова «virtus» означає «уявний», «уявний». Віртуальний об'єкт веде себе близько до поведінки аналогічних об'єктів матеріальної реальності, тобто, для вхідних сигналів (за рахунок дії ООС) вхід, що інвертує, можна вважати підключеним безпосередньо до такого ж потенціалу, до якого підключений і неінвертуючий вхід. Однак, «віртуальний нуль» є лише окремим випадком, що має місце тільки при двополярному харчуванні ОУ. При використанні однополярного живлення (про що вестиметься нижче), та й у багатьох інших схемах включення, ні на неінвертуючому, ні на вході, що інвертує, нуля не буде. Тому давайте домовимося, що цей термін ми не застосовуватимемо, оскільки він заважає початковому розумінню принципів роботи ОУ.

Ось із цього погляду і розберемо схеми, наведені на Рис. 4. При цьому, для спрощення аналізу, приймемо, що напруга живлення все-таки двополярна, рівна один одному за величиною (скажімо, ± 15 В), із середньою точкою (загальна шина або «земля»), щодо якої і відраховуватимемо вхідні та вихідні напруги. З іншого боку, аналіз проводитиме постійному струму, т.к. змінний сигнал, що змінюється, в кожен момент часу теж можна представити як вибірку значень постійного струму. У всіх випадках зворотний зв'язок через Roо заведена з виходу ОУ на його вхід, що інвертує. Відмінність полягає тільки в тому, на які входи подається вхідна напруга.

а) Інвертуючевключення (Мал. 5).


Мал. 5 Принцип роботи ОУ в інвертуючому включенні

Потенціал на вході, що не інвертує, дорівнює нулю, т.к. він підключений до середньої точки («землі»). Вхідний сигнал, рівний +1 відносно середньої точки (від GB) подано на лівий висновок вхідного резистора Rвх. Припустимо, що опори Rоос і Rвх рівні один одному і становлять 1 ком (у сумі їх опір дорівнює 2 ком).

Згідно з Правилом 2, на вході, що інвертує, повинен бути такий же потенціал, як і на зануленому неінвертуючому, тобто, 0 В. Отже, до Rвх прикладена напруга +1 В. Відповідно до закону Ома по ньому протікатиме струм Iвх.= 1 В/1000 Ом = 0,001 А (1 мА). Напрямок протікання цього струму показано стрілкою.

Оскільки Rоос і Rвх включені дільником, а згідно з Правилом 1 входи ОУ струму не споживають, то для того, щоб у середній точці цього дільника напруга становила 0, до правого висновку Rоос повинна бути прикладена напруга мінус 1, а протікає по ньому струм Iоостакож має дорівнювати 1 мА. Іншими словами, між лівим висновком Rвх і правим висновком Rоос прикладено напругу 2 В, а струм, що протікає по цьому дільнику, дорівнює 1 мА (2 В / (1 кОм + 1 кОм) = 1 мА), тобто. I вх. = I оос .

Якщо на вхід подати напругу негативної полярності, на виході ОП буде напруга позитивної полярності. Все те саме, тільки стрілки, що показують протікання струму через Rоос і Rвх будуть направлені в протилежний бік.

Таким чином, при рівності номіналів Rоос і Rвх, напруга на виході ОУ дорівнюватиме напрузі на його вході за величиною, але інверсне по полярності. І ми отримали інвертуючий повторювач . Ця схема нерідко застосовується, якщо потрібно проінвертувати сигнал, отриманий за допомогою схем, які є інверторами. Наприклад, логарифмічні підсилювачі.

Тепер давайте, зберігши номінал Rвх, рівним 1 ком, збільшимо опір Roос до 2 ком при тому ж вхідному сигналі +1 В. Загальний опір дільника Roос + Rвх збільшився до 3 ком. Щоб у його середній точці залишився потенціал 0 В (рівний потенціалу входу, що не інвертує), через Rоос повинен протікати той же струм (1 мА), що і через Rвх. Отже, падіння напруги на Rоос (напруга на виході ОУ) має становити вже 2 В. На виході ОУ напруга дорівнює мінус 2 Ст.

Збільшимо номінал Rоос до 10 ком. Тепер напруга на виході ОУ за тих же інших умов становитиме вже 10 В. О-о-от! Нарешті ми отримали інвертуючий підсилювач ! Його вихідна напруга більше вхідного (іншими словами, коефіцієнт посилення Ку) у стільки разів, скільки разів опір Rоос більше, ніж опір Rвх. Як я не зарікався не застосовувати формули, давайте все-таки відобразимо це у вигляді рівняння:
Ку = - Uвих / Uвх = - Rоос / Rвх. (2)

Знак мінус перед дробом правої частини рівняння означає тільки те, що вихідний сигнал є інверсним по відношенню до вхідного. І нічого більше!

А тепер давайте збільшимо опір Rоос до 20 ком і проаналізуємо, що вийде. Відповідно до формули (2) при Ку = 20 і вхідному сигналі 1 на виході мало б бути напруга 20 В. Ан не тут-то було! Ми ж раніше прийняли припущення, що напруга живлення нашого ОУ становить лише ± 15 В. Але навіть 15 В отримати не вдасться (чому так трохи нижче). «Вище голови (напруги живлення) не стрибнеш»! У результаті такої наруги над номіналами схеми вихідна напруга ОУ «впирається» в напругу живлення (вихід ОУ входить у насичення). Баланс рівності струмів через дільник RoосRвх ( Iвх. = Iоос) порушується, на вході, що інвертує, з'являється потенціал, відмінний від потенціалу на неінвертуючому вході. Правило 2 перестає діяти.

Вхідний опір інвертуючого підсилювачадорівнює опору Rвх, оскільки через нього протікає весь струм джерела вхідного сигналу (GB).

Тепер давайте замінимо постійний Roос на змінний, з номіналом, скажімо 10 кОм (Рис. 6).


Мал. 6 Схема інвертуючого підсилювача зі змінним посиленням

При правому (за схемою) положенні його двигуна посилення становитиме Rоос / Rвх = 10 кОм / 1 кОм = 10. Переміщаючи двигун Rоос вліво (зменшуючи його опір) посилення схеми буде знижуватися і, нарешті, при крайньому лівому його положенні стане рівним нулю, оскільки чисельник у наведеній вище формулі стане рівним нулю при будь-кому значення знаменника. На виході буде нуль також за будь-якого значення і полярності вхідного сигналу. Така схема часто застосовується у схемах посилення звукових сигналів, наприклад, у мікшерах, де доводиться регулювати посилення від нуля.

Б) Неінвертуючевключення (Мал. 7).


Мал. 7 Принцип роботи ОУ у неінвертуючому включенні

Лівий висновок Rвх підключений до середньої точки («землі»), а вхідний сигнал, рівний +1 подано прямо на неінвертуючий вхід. Оскільки нюанси аналізу «розжовані» вище, тут приділятимемо увагу лише суттєвим відмінностям.

На першому етапі аналізу також приймемо опору Rоос і Rвх рівними один одному та складовими 1 кОм. Т.к. на неінвертуючому вході потенціал становить +1 В, то за Правилом 2 такий же потенціал (+1 В) має бути і на вході, що інвертує (показано на малюнку). Для цього на правому висновку резистора Rоос (виході ОУ) має бути напруга +2 В. Струми Iвх.і Iоос, Рівні 1 мА, течуть тепер через резистори Rоос і Rвх у зворотному напрямку (показані стрілками). У нас вийшов неінвертуючий підсилювач з посиленням, рівним 2, оскільки вхідний сигнал, рівний +1 формує вихідний сигнал, рівний +2 Ст.

Дивно, чи не так? Номінали ті ж, що і в включенні, що інвертує (відмінність тільки в тому, що сигнал поданий на інший вхід), а посилення в наявності. Розберемося в цьому трохи згодом.

Тепер збільшуємо номінал Rоос до 2 ком. Щоб зберегти баланс струмів Iвх. = Iоосі потенціал входу, що інвертує +1 В, на виході ОУ має бути вже +3 В. Ку = 3 В / 1 В = 3!

Якщо порівняти значення Ку при неінвертуючому включенні з інвертуючим, при тих же номіналах Rоос і Rвх, то виходить, що коефіцієнт посилення у всіх випадках більше на одиницю. Виводимо формулу:
Ку = Uвих / Uвх + 1 = (Rоос / Rвх) + 1 (3)

Чому так відбувається? Так, дуже просто! ООС діє так само, як і при інвертувальному включенні, але згідно з Правилом 2, до потенціалу входу, що інвертує, в неінвертуючому включенні завжди додається потенціал неінвертуючого входу.

Так що ж, при неінвертуючому включенні не можна отримати посилення, що дорівнює 1? Чому ж не можна – можна. Давайте зменшувати номінал Rоос, аналогічно до того, як ми аналізували Рис. 6. При його нульовому значенні - перемиканні виходу з інвертуючим входом накоротко (Рис. 8, А), згідно з Правилом 2, на виході буде така напруга, щоб потенціал входу, що інвертує, дорівнював потенціалу неінвертуючого входу, тобто, +1 В. Отримуємо: Ку = 1 В / 1 В = 1 (!) Ну, а оскільки інвертуючий вхід струму не споживає і різниці потенціалів між ним та виходом немає, то й ніякий струм у цьому ланцюзі не протікає.


Мал. 8 Схема включення ОУ як повторювача напруги

Rвх стає зайвим, т.к. він підключається паралельно навантаженню, на яку повинен працювати вихід ОУ і через нього абсолютно дарма протікатиме його вихідний струм. А що буде, якщо залишити Roос, але прибрати Rвх (Рис. 8, Б)? Тоді у формулі посилення Ку = Rоос / Rвх + 1 опір Rвх теоретично стає близьким до нескінченності (в реальності, звичайно ж, ні, тому що існують витоку по платі, та й вхідний струм ОУ хоч і зневажливо малий, але нулю все- таки не дорівнює), причому співвідношення Rоос / Rвх прирівнюється до нуля. У формулі залишається лише одиниця: Ку = + 1. А посилення менше одиниці для цієї схеми можна отримати? Ні, менше не вийде за жодних обставин. «Зайву» одиницю у формулі посилення на кривій козі не об'їдеш…

Після того, як ми прибрали всі «зайві» резистори, виходить схема неінвертуючого повторювача , показана на мал. 8, Ст.

На погляд, така схема немає практичного сенсу: навіщо потрібно одиничне та ще й неінверсне «посилення» - що, не можна просто подати сигнал далі??? Однак такі схеми застосовуються досить часто і ось чому. Згідно з Правилом 1 струм у входи ОУ не тече, тобто, вхідний опір неинвертирующего повторювача дуже велике - ті самі десятки, сотні і навіть тисячі МОм (це ж відноситься і до схеми Рис. 7)! А ось вихідний опір дуже малий (частки Ома!). Вихід ОУ «пихає щосили», намагаючись, згідно з Правилом 2, підтримати на вході, що інвертує, такий же потенціал, як і на неінвертуючому. Обмеженням є лише допустимий вихідний струм ОУ.

А ось з цього місця ми трохи вільнемо убік і розглянемо питання вихідних струмів ОУ трохи докладніше.

Для більшості ОУ широкого застосування в технічних параметрах зазначено, що опір навантаження, підключеного до їх виходу, не повинен бути менше 2 ком. Більше – скільки завгодно. Для набагато меншого числа воно становить 1 ком (К140УД ...). Це означає, що за найгірших умов: максимальної напруги живлення (наприклад, ±16 В або сумарно 32 В), навантаженням, підключеним між виходом і однією з шин живлення і максимальною вихідною напругою протилежної полярності, до навантаження буде додана напруга близько 30 В. При цьому струм через неї складе: 30 В / 2000 Ом = 0,015 А (15 мА). Не так, щоб мало, але й не дуже багато. На щастя більшість ОУ широкого застосування мають вбудований захист від перевищення вихідного струму - типове значення максимального вихідного струму становить 25 мА. Захист запобігає перегріву та виходу ОУ з ладу.

Якщо напруга живлення не максимально допустима, то мінімальний опір навантаження можна пропорційно зменшувати. Скажімо, при харчуванні 7,5...8 (сумарно 15...16) воно може становити 1 ком.

в) Диференційневключення (Рис. 9).


Мал. 9 Принцип роботи ОУ у диференціальному включенні

Отже, припустимо, що при однакових номіналах Rвх і Rоос, рівних 1 кОм, на обидва входи схеми подані однакові напруги, рівні +1 (Рис. 9, А). Оскільки потенціали по обидва боки резистора Rвх рівні один одному (напруги на резисторі дорівнює 0), струм через нього не протікає. Отже, дорівнює нулю і струм через резистор Roос. Тобто, ці два резистори жодної функції не виконують. По суті ми фактично отримали неінвертуючий повторювач (порівняйте з Рис. 8). Відповідно, на виході отримаємо таку ж напругу, як і на вході, що не інвертує, тобто, +1 В. Поміняємо полярність вхідного сигналу на вході, що інвертує, схеми (перевернемо GB1) і подамо мінус 1 В (Рис. 9, Б). Тепер між висновками Rвх прикладена напруга 2 і через нього тече струм Iвх= 2 мА (сподіваюся, що докладно розписувати, чому так – вже не потрібно?). Для того, щоб компенсувати цей струм, через Roос теж повинен протікати струм, що дорівнює 2 мА. А для цього на виході ОУ має бути напруга +3 ст.

Ось де виявився єхидний «оскал» додаткової одиниці у формулі коефіцієнта посилення підсилювача, що не інвертує. Виходить, що за такого спрощеномудиференційному включенні різниця в коефіцієнтах посилення постійно зсуває вихідний сигнал на величину потенціалу на вході, що не інвертує. Проблема з! Однак, «Навіть якщо вас з'їли – у вас все одно залишається як мінімум два виходи». Отже, нам якимось чином треба зрівняти коефіцієнти посилення інвертуючого та неінвертуючого включень, щоби «нейтралізувати» цю зайву одиницю.

Для цього подамо вхідний сигнал на вхід, що не інвертує, не безпосередньо, а через дільник Rвх2, R1 (Рис. 9, В). Приймемо їх номінали також по 1 кому. Тепер на неінвертуючому (а значить, і на інвертуючому теж) вході ОУ буде потенціал +0,5 В, через нього (і Rоос) протікатиме струм Iвх = Iоос= 0,5 мА, для забезпечення якого на виході ОУ має бути напруга, що дорівнює 0 В. Фу-у-ух! Ми досягли, чого хотіли! При рівних за величиною і полярності сигналах на обох входах схеми (в даному випадку +1 В, але те саме буде справедливо і для мінус 1 В і для будь-яких інших цифрових значень), на виході ОУ зберігатиметься нульова напруга, що дорівнює різниці вхідних сигналів .

Перевіримо це міркування, подавши на сигнал, що інвертує вхід, негативної полярності мінус 1 В (Рис. 9, Г). При цьому Iвх = Iоос= 2 мА, навіщо на виході має бути +2 У. Все підтвердилося! Рівень вихідного сигналу відповідає різниці між вхідними сигналами.

Звісно, ​​за рівності Rвх1 і Rоос (відповідно, Rвх2 і R1) посилення ми отримаємо. Для цього потрібно збільшити номінали Rоос і R1, як це робили при аналізі попередніх включень ОУ (не повторюватимусь), причому повинно суворо дотримуватися співвідношення:

Rоос/Rвх1 = R1/Rвх2. (4)

Що корисного ми отримуємо від такого включення практично? А отримуємо ми чудову властивість: вихідна напруга не залежить від абсолютних значень вхідних сигналів, якщо вони рівні один одному за величиною та полярністю. На вихід надходить лише різницевий (диференціальний) сигнал. Це дозволяє посилювати дуже малі сигнали на тлі перешкоди, що однаково діє на обидва входи. Наприклад, сигнал із динамічного мікрофона на тлі наведення мережі промислової частоти 50 Гц.

Однак, у цій бочці меду, на жаль, є ложка дьогтю. По-перше, рівність (4) має дотримуватися дуже строго (аж до десятих, а іноді й сотих відсотка!). Інакше виникне розбаланс струмів, що діють у схемі, а отже, крім різницевих (протиофазних) сигналів будуть посилюватися і поєднані (синфазні) сигнали.

Давайте розберемося з сутністю цих термінів (Рис. 10).


Мал. 10 Зсув фази сигналу

Фаза сигналу - це величина, що характеризує усунення початку відліку періоду сигналу щодо початку відліку часу. Оскільки і початок відліку часу, і початок відліку періоду вибираються довільно, фаза одного періодичногосигналу фізичним змістом немає. Однак різниця фаз двох періодичнихсигналів - це величина, що має фізичний зміст, вона відображає запізнення одного із сигналів щодо іншого. Що вважати початком періоду, немає жодного значення. За точку початку періоду можна взяти нульове значення із позитивним нахилом. Можна – максимум. Все у нашій владі.

Рис. 9 червоним позначений вихідний сигнал, зеленим - зрушений на період періоду відносно вихідного і синім - на період періоду. Якщо порівняти червону та синю криві з кривими на Мал. 2, Б, можна помітити, що вони взаємно інверсни. Т.ч., «синфазні сигнали» - це сигнали, що збігаються один з одним у кожній своїй точці, а «протифазні сигнали» - інверсніодин щодо одного.

У той же час, поняття інверсіїширше, ніж поняття фази, т.к. останнє застосовується тільки до регулярно повторюваних, періодичних сигналів. А поняття інверсіїзастосовно до будь-яких сигналів, у тому числі і неперіодичним, як, наприклад, звуковий сигнал, цифрова послідовність або постійна напруга. Щоб фазабула заможною величиною, сигнал має бути періодичним хоча б на деякому інтервалі. В іншому випадку, фаза і період перетворюються на математичні абстракції.

По-друге, інвертуючий та неінвертуючий входи в диференціальному включенні при рівності номіналів Rоос = R1 і Rвх1 = Rвх2 будуть мати різні вхідні опори. Якщо вхідний опір входу, що інвертує, визначається тільки номіналом Rвх1, то неінвертованого - номіналами послідовновключених Rвх2 і R1 (ще не забули, що входи ОУ струму не споживають?). У наведеному вище прикладі вони становитимуть, відповідно, 1 та 2 ком. А якщо ми збільшимо Rоос і R1 для отримання повноцінного підсилювального каскаду, то різниця зросте ще суттєвіше: при Ку = 10 - до, відповідно, того ж 1 кОм і цілих 11 кОм!

На жаль, практично зазвичай ставлять номінали Rвх1 = Rвх2 і Rоос = R1. Однак це прийнятно, тільки якщо джерела сигналу для обох входів мають дуже низьке вихідний опір. Інакше воно утворює дільник із вхідним опором даного підсилювального каскаду, а оскільки коефіцієнт поділу таких «дільників» буде різним, то і результат очевидний: диференціальний підсилювач з такими номіналами резисторів не виконуватиме своєї функції придушення синфазних (поєднаних) сигналів, або виконувати цю функцію .

Одним із шляхів вирішення даної проблеми може бути нерівність номіналів резисторів, підключених до інвертуючого та неінвертуючого входів ОУ. А саме, щоб Rвх2 + R1 = Rвх1. Ще одним важливим моментом є досягнення точного дотримання рівності (4). Як правило, цього домагаються шляхом розбиття R1 на два резистори - постійний, зазвичай 90% від потрібного номіналу і змінний (R2), опір якого становить 20% від потрібного номіналу (Рис. 11, А).


Мал. 11 Варіанти балансування диференціального підсилювача

Шлях загальноприйнятий, але знову ж таки, при такому способі балансування нехай і небагато, але змінюється вхідний опір входу, що не інвертує. Набагато стабільніший варіант з включенням підстроювального резистора (R5) послідовно з Rоос (Рис. 11, Б), оскільки Rоос у формуванні вхідного опору входу, що інвертує, участі не бере. Головне - зберегти співвідношення їх номіналів, аналогічно варіанту "А" (Rоос / Rвх1 = R1 / Rвх2).

Коли ми повели мову про диференціальне включення і згадали повторювачі, хотілося б описати одну цікаву схему (Рис. 12).


Мал. 12 Схема інвертованого/неінвертованого повторювача, що перемикається

Вхідний сигнал подається одночасно на обидва входи схеми (інвертуючий та неінвертуючий). Номінали всіх резисторів (Rвх1, Rвх2 і Rоос) рівні одне одному (у разі візьмемо їх реальні значення: 10…100 кОм). Неінвертуючий вхід ОУ ключем SA може замикатися на загальну шину.

У замкнутому положенні ключа (Рис. 12, А) резистор Rвх2 у роботі схеми не бере участі (через нього лише «марно» тече струм Iвх2від джерела сигналу загальну шину). Отримуємо інвертуючий повторювачз посиленням рівним мінус 1 (див. мал. 6). А ось при розімкнутому положенні ключа SA (Рис. 12, Б) отримуємо неінвертуючий повторювачіз посиленням рівним +1.

Принцип роботи цієї схеми можна висловити кілька по-іншому. При замкнутому ключі SA вона працює як підсилювач, що інвертує, з посиленням, рівним мінус 1, а при розімкнутому - одночасно(!) і як підсилювач, що інвертує з посиленням, мінус 1, і як неінвертуючий підсилювач з посиленням +2, звідки: Ку = +2 + (–1) = +1.

У такому вигляді цю схему можна використовувати, якщо, наприклад, на етапі проектування невідома полярність вхідного сигналу (скажімо від датчика, до якого немає доступу до початку налагодження пристрою). Якщо ж як ключ використовувати транзистор (наприклад, польовий), керований від вхідного сигналу за допомогою компаратора(про нього мова вестиметься нижче), то отримаємо синхронний детектор(Синхронний випрямляч). Конкретна реалізація такої схеми, звичайно ж, виходить за рамки початкового ознайомлення з роботою ОУ і ми її тут знову ж таки докладно розглядати не будемо.

А тепер давайте розглянемо принцип підсумовування вхідних сигналів (Рис. 13, А), а заразом розберемося, які ж номінали резисторів Rвх і Rоос повинні бути в реальності.


Мал. 13 Принцип роботи інвертуючого суматора

Беремо за основу вже розглянутий вище підсилювач, що інвертує (Рис. 5), тільки до входу ОУ підключаємо не один, а два вхідних резистора Rвх1 і Rвх2. Поки що, у «навчальних» цілях, приймаємо опори всіх резисторів, включаючи Roос, рівними 1 кОм. На ліві висновки Rвх1 і Rвх2 подаємо вхідні сигнали рівні +1 В. Через ці резистори протікають струми, рівні 1 мА (показані стрілками, спрямованими зліва направо). Для підтримки на вході, що інвертує, такого ж потенціалу, як і на неінвертуючому (0 В), через резистор Rоос повинен протікати струм, рівний сумі вхідних струмів (1 мА +1 мА = 2 мА), показаний стрілкою, спрямованою в протилежному напрямку (справа наліво ), для чого на виході ОУ має бути напруга мінус 2 ст.

Той самий результат (вихідна напруга мінус 2 В) можна отримати, якщо на вхід підсилювача, що інвертує (Рис. 5) подати напругу +2 В, або номінал Rвх зменшити вдвічі, тобто. до 500 Ом. Збільшимо напругу, прикладену до резистори Rвх2 до +2 В (Рис. 13, Б). На виході отримаємо напругу мінус 3, що дорівнює сумі вхідних напруг.

Входів може бути не два, а скільки завгодно багато. Принцип роботи даної схеми від цього не зміниться: вихідна напруга в будь-якому випадку буде прямо пропорційно алгебраїчній сумі (з урахуванням знака!) струмів, що проходять через резистори, підключені до входу ОУ, що інвертує (зворотно пропорційно їх номіналам), незалежно від їх кількості.

Якщо ж, на входи інвертуючого суматора подати сигнали, рівні +1 В і мінус 1 В (Рис. 13, В), то струми, що протікають через них, будуть різноспрямовані, вони взаємно скомпенсуються і на виході буде 0 В. Через резистор Rоос у такому випадку Струм протікати не буде. Іншими словами, струм, що протікає по Rоос, алгебраїчно підсумовується вхіднимиструмами.

Звідси також виникає важливий момент: поки ми оперували невеликою вхідною напругою (1…3 В), вихід ОУ широкого застосуванняцілком міг забезпечити такий струм (1…3 мА) для Rоос і ще залишалося для навантаження, підключеної до виходу ОУ. Але якщо напруги вхідних сигналів збільшити до максимально допустимих (близьких до напруги живлення), то виходить, що весь вихідний струм піде в Rоос. Для навантаження нічого не залишиться. А кому потрібен підсилювальний каскад, який працює сам на себе? Крім того, номінали вхідних резисторів, рівні всього 1 кОм (відповідно, що визначають вхідний опір підсилювального каскаду, що інвертує), вимагають протікання по них надмірно великих струмів, сильно навантажують джерело сигналу. Тому в реальних схемах опір Rвх вибирається не менше 10 кОм, але і бажано не більше 100 кОм, щоб при заданому коефіцієнті підсилення не ставити Rоос надто великого номіналу. Хоча ці величини і не є абсолютними, а лише прикидними, як кажуть, «у першому наближенні» - все залежить від конкретної схеми. У будь-якому випадку небажано, щоб через Rоос протікав струм, що перевищує 5 ... 10% максимального вихідного струму даного конкретного ОУ.

Підсумовані сигнали можна подавати і на вхід, що не інвертує. Виходить неінвертуючий суматор. Принципово така схема буде працювати так само, як і суматор, що інвертує, на виході якого буде сигнал, прямо пропорційний вхідним напругам і назад пропорційний номіналам вхідних резисторів. Проте, практично вона використовується набагато рідше, т.к. містить "граблі", які слід враховувати.

Оскільки Правило 2 діє тільки для входу, що інвертує, на якому діє «віртуальний потенціал нуля», то на неінвертуючому буде потенціал, рівний алгебраїчній сумі вхідних напруг. Отже, вхідна напруга, що є на одному з входів, впливатиме на напругу, що надходить на інші входи. Адже «Віртуального потенціалу» на неінвертуючому вході немає! У результаті доводиться застосовувати додаткові схемотехнічні хитрощі.

Досі розглядали схеми на ОУ з ООС. А що буде, якщо зворотний зв'язок усунути взагалі? У такому разі ми отримуємо компаратор(Рис. 14), тобто, пристрій, що порівнює за абсолютним значенням два потенціали на своїх входах (від англійського слова compare- Порівнювати). На його виході буде напруга, що наближається до однієї з напруг живлення залежно від того, який сигнал більше за інший. Зазвичай вхідний сигнал подається однією з входів, але в інший - постійне напруга, з яким він порівнюється (т.зв. «опорне напруга»). Воно може бути будь-яким, у тому числі й рівним нульовому потенціалу (Рис. 14, Б).


Мал. 14 Схема включення ОУ як компаратора

Однак, не все так добре «в королівстві Датському»… А що станеться, якщо напруга між входами дорівнюватиме нулю? За ідеєю, на виході теж має бути нуль, але насправді - ніколи. Якщо потенціал на одному з входів хоч трохи переважить потенціал іншого, то вже цього буде достатньо, щоб на виході виникли хаотичні стрибки напруги через випадкові збурення, що наводяться на входи компаратора.

Насправді будь-який сигнал є «зашумленим», т.к. ідеалу може бути за визначенням. І в області, наближеній до точки рівності потенціалів входів, на виході компаратора з'явиться пачка вихідних сигналів замість одного чіткого перемикання. Для боротьби з цим явищем у схему компаратора часто вводять гістерезисшляхом створення слабкої позитивної ПІС з виходу на неінвертуючий вхід (Рис. 15).


Мал. 15 Принцип дії гістерези в компараторі за рахунок ПОС

Проаналізуємо роботу цієї схеми. Напруги її живлення становлять ±10 (для рівного рахунку). Опір Rвх дорівнює 1 ком, а Rпос - 10 ком. Як опорну напругу, що надходить на інвертуючий вхід, обраний потенціал середньої точки. Червоною кривою показаний вхідний сигнал, що надходить на лівий висновок Rвх (вхід схемикомпаратора), синій – потенціал на неінвертуючому вході ОУ та зеленій – вихідний сигнал.

Поки вхідний сигнал має негативну полярність, на виході - негативна напруга, яка через Rпос підсумовується з вхідною напругою обернено номіналам відповідних резисторів. В результаті потенціал неінвертуючого входу у всьому діапазоні негативних значень на 1 (за абсолютним значенням) перевищує рівень вхідного сигналу. Як тільки потенціал входу, що не інвертує, зрівняється з потенціалом інвертируючого (для вхідного сигналу це буде становити + 1 В), напруга на виході ОУ почне перемикатися з негативної полярності в позитивну. Сумарний потенціал на неінвертуючому вході розпочнеться лавиноподібноставати ще позитивнішим, підтримуючи процес такого перемикання. У результаті незначні шумові коливання вхідного та опорного сигналів компаратор просто «не помітить», оскільки вони будуть на багато порядків меншими за амплітудою, ніж описана «сходинка» потенціалу на вході, що не інвертує, при перемиканні.

При зниженні вхідного сигналу зворотне перемикання вихідного сигналу компаратора відбудеться при вхідній напрузі мінус 1 В. Ось ця різниця між рівнями вхідного сигналу, що ведуть до перемикання виходу компаратора, дорівнює в нашому випадку сумарно 2, і називається гістерезисом. Чим більший опір Rпос стосовно Rвх (менше глибина ПОС), тим менший гістерезис перемикання. Так, при Rпос = 100 кОм він становитиме всього 0,2, а при Rпос = 1 Мом - 0,02 В (20 мВ). Вибирається гістерезис (глибина ПОС), з реальних умов функціонування компаратора у конкретній схемі. В якій і 10 мВ буде багато, а в якій - і 2 мало.

На жаль, не кожен ОУ і не у всіх випадках можна використовувати як компаратор. Випускаються спеціалізовані мікросхеми компараторів, призначені для узгодження аналогових і цифрових сигналів. Частина з них спеціалізована для підключення до цифрових ТТЛ-мікросхем (597СА2), частина - цифрових ЕСЛ-мікросхем (597СА1), проте більшість є т.зв. "компараторами широкого застосування" (LM393/LM339/К554СА3/К597СА3). Їхня основна відмінність від ОУ полягає в особливому пристрої вихідного каскаду, який виконаний на транзисторі з відкритим колектором (Рис. 16).


Мал. 16 Вихідний каскад компараторів широкого застосування
та його підключення до навантажувального резистори

Це вимагає обов'язкового застосування зовнішнього навантажувального резистора(R1) без якого вихідний сигнал просто фізично не здатний сформувати високий (позитивний) вихідний рівень. Напруга +U2, до якого підключається резистор навантаження, може бути іншим, ніж напруга живлення +U1 самої мікросхеми компаратора. Це дозволяє простими засобами забезпечити вихідний сигнал потрібного рівня - чи він ТТЛ чи КМОП.

Примітка

У більшості компараторів, прикладом яких можуть бути здвоєні LM393 (LM193/LM293) або точно такі ж по схемотехніці, але лічильники LM339 (LM139/LM239), емітер транзистора вихідного каскаду з'єднаний з мінусовим виведенням живлення, що кілька обмежує область. У зв'язку з цим хотів би звернути увагу на компаратор LM31 (LM111/LM211), аналогом якого є вітчизняний 521/554СА3, в якому окремо виведені як колектор, так і емітер вихідного транзистора, які можна підключати до інших напруг, ніж напруги живлення компаратора. Єдиним і відносним його недоліком є ​​лише те, що у 8-вивідному (іноді в 14 вивідному) корпусі він лише один.

Досі розглядали схеми, у яких вхідний сигнал надходив на вхід(и) через Rвх, тобто. всі вони були перетворювачамивхідного напруги ввихідний напругаж. При цьому вхідний струм протікав через Rвх. А що буде, якщо його опір прийняти рівним нулю? Працювати схема буде так само, як і розглянутий вище інвертуючий підсилювач, тільки як Rвх буде служити вихідний опір джерела сигналу (Rвих), а ми отримаємо перетворювачвхідного струму ввихідний напруга(Мал. 17).


Мал. 17 Схема перетворювача струму на напругу на ОУ

Оскільки на вході, що інвертує, потенціал такий же, як і на неінвертуючому (в даному випадку дорівнює «віртуальному нулю»), весь вхідний струм ( Iвх) протікатиме через Rоос між виходом джерела сигналу (G) і виходом ОУ. Вхідний опір такої схеми близький до нульового, що дозволяє будувати на її основі мікро/міліамперметри, що практично не впливають на струм, що протікає по ланцюгу, що вимірюється. Мабуть, єдиним обмеженням є допустимий діапазон вхідної напруги ОУ, який не слід перевищувати. З її допомогою можна побудувати також, наприклад, лінійний перетворювач струму фотодіода в напругу та багато інших схем.

Ми розглянули основні засади функціонування ОУ у різних схемах його включення. Залишилося одне важливе питання: їх живлення.

Як було сказано вище, ОУ типово має всього 5 висновків: два входи, вихід та два виведення живлення, позитивного та негативного. Загалом використовується двополярне харчування, тобто джерело живлення має три висновки з потенціалами: + U; 0; -U.

Ще раз уважно розглянемо всі наведені вище малюнки та побачимо, що окремого виведення середньої точки в ОУ НІ ! Для роботи їхньої внутрішньої схеми вона просто не потрібна. На деяких схемах із середньою точкою з'єднувався неінвертуючий вхід, однак це не є правилом.

Отже, переважна більшість сучасних ОУ призначені для харчування ОДНОПОЛЯРНИМ напругою! Виникає закономірне питання: «А навіщо тоді потрібно двополярне харчування», якщо ми так завзято і з завидною постійністю зображували його на малюнках?

Виявляється, воно просто дуже зручнодля практичних цілей з наступних причин:

А) Для забезпечення достатнього струму та розмаху вихідної напруги через навантаження (Рис. 18).


Мал. 18 Перебіг вихідного струму через навантаження при різних варіантах живлення ОУ

Поки що не розглядатимемо вхідні (і ООС) ланцюги схем, зображених на малюнку («чорна скринька»). Приймемо як даність, що на вхід подається якийсь вхідний синусоїдальний сигнал (чорна синусоїда на графіках) і на виході виходить такий же синусоїдальний сигнал, посилений по відношенню до вхідного кольорова синусоїда на графіках).

При підключенні навантаження Rнагр. між виходом ОУ та середньої точки з'єднання джерел живлення (GB1 та GB2) - Мал. 18, А струм через навантаження протікає симетрично щодо середньої точки (відповідно, червона і синя напівхвилі), а його амплітуда максимальна і амплітуда напруги на Rнагр. також максимально можлива - вона може досягати майже напруги живлення. Струм від джерела живлення відповідної полярності замикається через ОУ, Rнагр. та джерело живлення (червона та синя лінії, що показують протікання струму у відповідному напрямку).

Оскільки внутрішній опір джерел живлення ОУ дуже мало, струм, що проходить через навантаження, обмежений тільки її опором та максимальним вихідним струмом ОУ, що типово становить 25 мА.

При живленні ОУ однополярною напругою як загальної шинивибирається зазвичай негативний (мінусовий) полюс джерела живлення, до якого підключається другий висновок навантаження (Рис. 18, Б). Тепер струм через навантаження може протікати тільки в одному напрямку (показано червоною лінією), в другому напрямку просто нема звідки взятися. Іншими словами, струм через навантаження стає асиметричним (пульсуючим).

Однозначно стверджувати, що такий варіант поганий, не можна. Якщо навантаженням є, скажімо, динамічна головка, то це погано однозначно. Однак, існує безліч застосувань, коли підключення навантаження між виходом ОУ та однією з шин живлення (як правило, негативної полярності), не тільки допустиме, але й єдине можливе.

Якщо все-таки необхідно забезпечити симетрію протікання струму через навантаження при однополярному живленні, то доводиться гальванічно розв'язувати від виходу ОУ гальванічно конденсатором С1 (Рис. 18, У).

Б) Для забезпечення потрібного струму входу, що інвертує, а також прив'язкивхідних сигналів до якогось довільно обраномурівнем, прийнятомуза опорний (нульовий) – завдання режиму роботи ОУ по постійному струму (Рис. 19).


Мал. 19 Підключення джерела вхідного сигналу за різних варіантів живлення ОУ

Тепер розглянемо варіанти підключення джерел вхідних сигналів, виключивши з розгляду підключення навантаження.

Підключення інвертуючого та неінвертуючого входів до середньої точки з'єднання джерел живлення (Рис. 19, А) було розглянуто при аналізі наведених раніше схем. Якщо неінвертуючий вхід струму не споживає і просто приймає потенціал середньої точки, то через джерело сигналу (G) і Rвх, включені послідовно, струм протікає, замикаючись через відповідне джерело живлення! А оскільки їх внутрішні опори зневажливо малі в порівнянні з вхідним струмом (на багато порядків менше, ніж Rвх), то й впливу на напругу живлення він практично не чинить.

Таким чином, при однополярному живленні ОУ, можна спокійно сформувати потенціал, що подається на його неінвертуючий вхід, за допомогою дільника R1R2 (Рис. 19, Б, В). Типові номінали резисторів цього дільника становлять 10...100 кОм, причому нижній (підключений до загальної мінусової шини) вкрай бажано зашунтувати конденсатором на 10...22 мкф, щоб суттєво знизити вплив пульсацій напруги живлення на такий потенціал. штучною середньої точки.

А ось джерело сигналу (G) до цієї штучної середньої точки підключати вкрай небажано все через той самий вхідний струм. Давайте прикинемо. Навіть за номіналів дільника R1R2 = 10 кОм і Rвх = 10…100 кОм, вхідний струм Iвхстановитиме у разі 1/10, а гіршому - до 100% струму, що проходить через дільник. Отже, на стільки ж «плаватиме» потенціал на вході, що не інвертує, у поєднанні (синфазно) з вхідним сигналом.

Щоб усунути взаємовплив входів один на одного при посиленні сигналів постійного струму при такому включенні, для джерела сигналу слід організувати окремий потенціал штучної середньої точки, що формується резисторами R3R4 (Рис. 19, Б), або якщо посилюється сигнал змінного струму, гальванічно розв'язати джерело сигналу від входу, що інвертує, конденсатором С2 (Рис. 19, В).

Слід зазначити, що у наведених вище схемах (Рис. 18, 19) ми за умовчанням прийняли припущення, що вихідний сигнал має бути симетричним щодо середньої точки джерел живлення, або штучної середньої точки. Насправді це потрібно не завжди. Досить часто потрібно, щоб вихідний сигнал мав переважно або позитивну або негативну полярність. Тому зовсім не обов'язково, щоб позитивна та негативна полярності джерела живлення були рівними за абсолютним значенням. Одне з них може бути значно меншим за абсолютним значенням, ніж інше - тільки таким, щоб забезпечити нормальне функціонування ОУ.

Виникає закономірне питання: «А яким саме»? Щоб відповісти на нього, коротко розглянемо допустимі діапазони напруги вхідних та вихідного сигналів ОУ.

У будь-якого ОУ потенціал на виході не може бути вищим, ніж потенціал позитивної шини живлення і нижче, ніж потенціал негативної шини живлення. Іншими словами, вихідна напруга не може вийти за межі напруги живлення. Наприклад, для ОУ OPA277 вихідна напруга при опорі навантаження 10 ком менше напруги позитивної шини живлення на 2 В і негативної шини живлення - на 0,5 В. Ширина цих «мертвих зон» вихідної напруги, яких не може досягти вихід ОУ, залежить від ряду факторів, таких як схемотехніка вихідного каскаду, опір навантаження та ін.). Існують ОУ, у яких мертві зони мінімальні, наприклад, по 50 мВ до напруги шин живлення при навантаженні 10 кОм (для OPA340), ця особливість ОУ називається rail-to-rail (R2R).

З іншого боку, для ОУ широкого застосування вхідні сигнали також не повинні перевищувати напруги живлення, а для деяких - бути менше їх на 1,5...2 В. Однак, існують ОУ зі специфічною схемотехнікою вхідного каскаду (наприклад, LM358/LM324) , які можуть працювати не тільки від рівня негативного харчування, але навіть «мінусовіше» його на 0,3 В, що суттєво полегшує їх використання при однополярному харчуванні із загальною негативною шиною.

Давайте нарешті розглянемо і помацаємо цих «жучків-паучків». Можна навіть обнюхати та облизати. Дозволяю. Розглянемо їх найчастіші варіанти, доступні радіоаматорам-початківцям. Тим більше, якщо доводиться випоювати ОУ зі старої апаратури.

Для ОУ старих розробок, які в обов'язковому порядку потребують зовнішніх ланцюгів для частотної корекції, щоб запобігти самозбудженню, була характерна наявність додаткових висновків. Деякі ОУ через це навіть не «влазили» до 8-вивідного корпусу (рис. 20, А) і виготовлялися в 12-вивідних круглих метало-скляних, наприклад, К140УД1, К140УД2, К140УД5 (Рис. 20, Б) або в 14-висновних DIP-корпусах, наприклад, К140УД20, К157УД2 (Рис. 20, В). Абревіатура DIP є скороченням англійського виразу "Dual In line Package" і перекладається як "корпус з двостороннім розташуванням висновків".

Круглий метало-скляний корпус (Рис. 20, А, Б) застосовувався, як основний, для імпортних ОУ приблизно до середини 70-х, а для вітчизняних ОУ - до середини 80-х і застосовується зараз для т.зв. «військових» застосувань («5-е приймання»).

Іноді вітчизняні ОУ розміщувалися в досить «екзотичних» в даний час корпусах: 15-висновний прямокутний метало-скляний для гібридного К284УД1 (Рис. 20, Г), в якому ключем є додатковий 15 виведення від корпусу, та інших. Щоправда, планарні 14-вивідні корпуси (Рис. 20, Д) для розміщення в них ОУ мені особисто не зустрічалися. Вони застосовувалися для цифрових мікросхем.


Мал. 20 Корпуси вітчизняних операційних підсилювачів

Сучасні ж ОУ здебільшого містять коригувальні ланцюги прямо на кристалі, що дозволило обходитися мінімальною кількістю висновків (наприклад - 5-вивідний SOT23-5 для одиночного ОУ - Рис. 23). Це дозволило в одному корпусі розміщувати по два-чотири повністю незалежні (крім загальних висновків живлення) ОУ, виготовлені на одному кристалі.


Мал. 21 Дворядні пластикові корпуси сучасних ОУ для вивідного монтажу (DIP)

Іноді можна зустріти ОУ, розміщені в однорядних 8-вивідних (Рис. 22) чи 9-выводных корпусах (SIP) - К1005УД1. Абревіатура SIP є скороченням англійського виразу "Single In line Package" і перекладається як "корпус з одностороннім розташуванням висновків".


Мал. 22 Однорядний пластиковий корпус здвоєних ОУ для вивідного монтажу (SIP-8)

Вони були розроблені для мінімізації місця, займаного на платі, але, на жаль, «запізнилися»: до цього часу широке поширення зайняли корпуси для поверхневого монтажу (SMD – Surface Mounting Device) шляхом підпаювання прямо до доріжок плати (Мал. 23). Однак, для початківців їх використання є суттєвими складнощами.


Мал. 23 Корпуси сучасних імпортних ОУ для поверхневого монтажу (SMD)

Дуже часто та сама мікросхема може «упаковуватися» виробником у різні корпуси (Рис. 24).


Мал. 24 Варіанти розміщення однієї і тієї ж мікросхеми у різних корпусах

Висновки всіх мікросхем мають послідовну нумерацію, що відраховується від т.зв. "ключа", що вказує на розташування виведення під номером 1. (Мал. 25). У будь-кому у разі, якщо розташувати корпус висновками від себе, їх нумерація по зростаючій проти годинникова стрілка!


Мал. 25 Розміщення висновків операційних підсилювачів
у різних корпусах (цоколівка), вид зверху;
напрямок нумерації показано стрілками

У круглих метало-скляних корпусах ключ має вигляд бокового виступу (Рис. 25, А, Б). Ось з розташування цього ключа можливі величезні розміри «граблі»! У вітчизняних 8-вивідних корпусах (302.8) ключ розташовується навпроти першого виведення (Мал. 25, А), а в імпортних ТО-5 - навпроти восьмого виводу (Мал. 25, Б). У 12-вивідних корпусах як вітчизняних (302.12), так і імпортних ключ розташований міжпершим та 12-м висновками.

Зазвичай вхід, що інвертує, як у круглих метало-скляних, так і в DIP-корпусах, з'єднаний з 2-м висновком, неінвертуючий - з 3-м, вихід - з 6-м, мінус живлення - з 4-м і плюс харчування - з 7-му. Проте, є й винятки (ще одні можливі «граблі»!) у цоколівці ОУ К140УД8, К574УД1. Вони нумерація висновків зсунута однією проти годинникової стрілки проти загальноприйнятої більшість інших типів, тобто. з висновками вони з'єднані, як у імпортних корпусах (Мал. 25, Б), а нумерація відповідає вітчизняним (Мал. 25, А).

Останніми роками більшість ОУ «побутового призначення» почали розміщувати у пластмасових корпусах (Рис. 21, 25, В-Д). У цих корпусах ключем є або поглиблення (точка) навпроти першого виводу, або виріз у торці корпусу між першим і 8 (DIP-8) або 14 (DIP-14) висновками, або фаска вздовж першої половини висновків (Мал. 21, посередині). Нумерація висновків у цих корпусах також триває проти годинникова стрілкапобачивши зверху (висновками від себе).

Як було сказано вище, ОУ з внутрішньою корекцією мають лише п'ять висновків, з яких лише три (два входи та вихід) належать кожному окремому ОУ. Це дозволило в одному 8-вивідному корпусі розмістити на одному кристалі по два повністю незалежних (за винятком плюсу та мінусу живлення, що вимагають ще двох висновків) ОУ (Рис. 25, Г), а в 14-вивідному корпусі - навіть чотири (Мал. 25, Д). В результаті в даний час більшість ОУ випускаються як мінімум здвоєними, наприклад, TL062, TL072, TL082, дешеві і прості LM358 та ін. внутрішньої структури, але четвірні - відповідно, TL064, TL074, TL084 і LM324.

Щодо вітчизняного аналога LM324 (К1401УД2) існують ще одні «граблі»: якщо в LM324 плюс живлення виведено на 4-й висновок, а мінус - на 11-й, то в К1401УД2 навпаки: плюс живлення виведено на 11-й висновок, а мінус – на 4-й. Однак, жодних складнощів із розведенням ця відмінність не викликає. Оскільки цоколівка висновків ОУ повністю симетрична (Рис. 25, Д), потрібно просто перевернути корпус на 180 градусів, щоб 1-й висновок зайняв місце 8-го. Та й усе.

Пара слів щодо маркування імпортних ОУ (та й не лише ОУ). Для низки розробок перших 300 цифрових позначень прийнято позначати групу якості першої цифрою цифрового коду. Наприклад, ОУ LM158/LM258/LM358, компаратори LM193/LM293/LM393, регульовані трививідні стабілізатори TL117/TL217/TL317 та ін повністю ідентичні по внутрішній структурі, але розрізняються за температурним робочим діапазоном. Для LM158 (TL117) діапазон робочих температур становить від мінус 55 до +125…150 градусів за Цельсієм (т.зв. «бойовий» чи військовий діапазон), для LM258 (TL217) – від мінус 40 до +85 градусів («промисловий») діапазон) та для LM358 (TL317) - від 0 до +70 градусів («побутовий» діапазон). При цьому ціна на них може бути абсолютно не відповідної такої градації, або відрізнятись дуже незначно ( несповідні шляхи ціноутворення!). Так що купувати їх можна з будь-яким маркуванням, доступним «для кишені» початківця, особливо не ганяючись за першою «трійкою».

Після вичерпання перших трьох сотень цифрового маркування групи надійності стали відзначати літерами, значення яких розшифровуються в даташит (Datasheet дослівно перекладається як «таблиця даних») на дані компоненти.

Висновок

Ось ми й вивчили «азбуку» роботи ОУ, трохи захопивши компаратори. Далі треба вчитися складати з цих «літер» слова, речення та цілі осмислені «твори» (працездатні схеми).

На жаль, «Неможливо осягнути неосяжне». Якщо викладений у цій статті матеріал допоміг зрозуміти, як працюють ці «чорні ящики», то подальше поглиблення у розбір їхньої «начинки», впливу вхідних, вихідних та перехідних характеристик є завданням більш просунутого вивчення. Інформація про це докладно та досконало викладена у безлічі існуючої літератури. Як казав дідусь Вільям Оккам: «Не слід множити сутності понад необхідне». Нема чого повторювати вже добре описане. Потрібно тільки не лінуватися та прочитати її.


11. http://www.texnic.ru/tools/lekcii/electronika/l6/lek_6.html

Потім дозвольте відкланятися, з повагою та ін., автор Олексій Соколюк ()

Операційні підсилювачі є одним із основних компонентів у сучасних аналогових електронних пристроях. Завдяки простоті розрахунків та відмінним параметрам, операційні підсилювачі легкі у застосуванні. Їх також називають диференціальними підсилювачами, оскільки вони здатні посилити різницю вхідних напруг.

Особливо популярне використання операційних підсилювачів у звуковій техніці для посилення звучання музичних колонок.

Позначення на схемах

З корпусу підсилювача зазвичай виходять п'ять висновків, у тому числі два висновку – входи, один – вихід, інші два – живлення.

Принцип дії

Існують два правила, які допомагають зрозуміти принцип дії операційного підсилювача:

  1. Вихід операційного підсилювача прагне нульової різниці напруги на входах.
  2. Входи підсилювача не витрачають струм.

Перший вхід позначений "+", він називається неінвертуючим. Другий вхід позначений знаком "-", вважається інвертуючим.

Входи підсилювача мають високий опір, що називається імпедансом. Це дозволяє витрачати струм на входах у кілька наноамперів. На вході відбувається оцінка величини напруги. Залежно від цієї оцінки підсилювач видає вихід посилений сигнал.

Велике значення має коефіцієнт посилення, що іноді досягає мільйона. Це означає, що якщо на вхід подати хоча б 1 мілівольт, то на виході напруга дорівнює величині напруги джерела живлення підсилювача. Тому операційники не застосовують без зворотного зв'язку.

Входи підсилювача діють за наступним принципом: якщо напруга на вході, що не інвертує, буде вище напруги інвертируючого входу, то на виході виявиться найбільша позитивна напруга. За зворотної ситуації на виході буде найбільше негативне значення.

Негативна і позитивна напруга на виході операційного підсилювача можлива через використання джерела живлення, що має розщеплену двополярну напругу.

Живлення операційного підсилювача

Якщо взяти пальчикову батарейку, то вона має два полюси: позитивний і негативний. Якщо негативний полюс рахувати за нульову точку відліку, то позитивний полюс покаже +1,5 В. Це видно по підключеному .

Взяти два елементи і підключити їх послідовно, виходить наступна картина.

Якщо за нульову точку прийняти негативний полюс нижньої батареї, а напруга вимірювати на позитивному полюсі верхньої батареї, то пристрій покаже +10 вольта.

Якщо за нуль прийняти середню точку між батарейками, то виходить джерело двополярної напруги, так як є напруга позитивної та негативної полярності, що дорівнює +5 вольта і -5 вольта.

Існують прості схеми блоків із розщепленим живленням, що використовуються в конструкціях радіоаматорів.

Харчування на схему подається від побутової мережі. Трансформатор знижує струм до 30 вольт. Вторинна обмотка в середині має відгалуження, за допомогою якого на виході виходить +15 і -15 випрямленого напруги.

Різновиди

Існує кілька різних схем операційних підсилювачів, які варто докладно розглянути.

Підсилювач, що інвертує

Така схема є основною. Особливістю цієї схеми і те, що операційники характеризуються крім посилення, ще й зміною фази. Літера "k" позначає параметр посилення. На графіці зображено вплив підсилювача у цій схемі.

Синій колір відображає вхідний сигнал, а червоний – вихідний сигнал. Коефіцієнт посилення в цьому випадку дорівнює: k = 2. Амплітуда сигналу на виході в 2 рази більше сигналу на вході. Вихідний сигнал підсилювача перевернутий, звідси його назва. Операційні підсилювачі, що інвертують, мають просту схему:

Такі операційні підсилювачі стали популярними через свою просту конструкцію. Для обчислення посилення застосовують формулу:

Звідси видно, що посилення операційника залежить від опору R3, тому можна уникнути нього. Тут він застосовується для захисту.

Операційні підсилювачі, що не інвертують

Ця схема подібна до попередньої, відмінністю є відсутність інверсії (перевернутості) сигналу. Це означає збереження фази сигналу. На графіці зображено посилений сигнал.

Коефіцієнт посилення неинвертирующего підсилювача також дорівнює: k = 2. На вхід подається сигнал у формі синусоїди, на виході змінилася лише її амплітуда.

Ця схема не менш проста, ніж попередня, у ній є два опори. На вході сигнал подається плюсовий висновок. Для розрахунку коефіцієнта посилення потрібно використовувати формулу:

З неї видно, що коефіцієнт посилення не буває менше одиниці, оскільки сигнал не пригнічується.

Схема віднімання

Ця схема дає можливість створення різниці двох сигналів на вході, які можуть бути посилені. На графіці показано принцип дії диференціальної схеми.

Таку схему підсилювача ще називають схемою віднімання.

Вона має складнішу конструкцію, на відміну розглянутих раніше схем. Для розрахунку вихідної напруги користуються формулою:

Ліва частина виразу (R3/R1) визначає коефіцієнт посилення, а права частина (Ua – Ub) є різницею напруги.

Схема додавання

Таку схему називають інтегрованим підсилювачем. Вона протилежна схемі віднімання. Особливістю її є можливість обробки більше двох сигналів. На такому принципі діють усі звукові мікшери.

Ця схема показує можливість підсумовування кількох сигналів. Для розрахунку напруги застосовується формула:

Схема інтегратора

Якщо до схеми додати конденсатор у зворотний зв'язок, то вийде інтегратор. Це ще один пристрій, у якому використовуються операційні підсилювачі.

Схема інтегратора подібна до підсилювача, що інвертує, з додаванням ємності в зворотний зв'язок. Це призводить до залежності роботи системи від частоти сигналу на вході.

Інтегратор характеризується цікавою особливістю переходу між сигналами: спочатку прямокутний сигнал перетворюється на трикутний, далі він перетворюється на синусоїдальний. Розрахунок коефіцієнта посилення проводиться за такою формулою:

У цій формулі змінна ω = 2 π f підвищується зі зростанням частоти, отже, що більше частота, тим коефіцієнт посилення менше. Тому інтегратор може діяти як активний фільтр низьких частот.

Схема диференціатора

У цій схемі виходить зворотна ситуація. На вході підключена ємність, а у зворотному зв'язку підключено опір.

Судячи з назви схеми, її принцип роботи полягає у різниці. Чим більша швидкість зміни сигналу, тим більша величина коефіцієнта посилення. Цей параметр дозволяє створювати активні фільтри для високої частоти.

Коефіцієнт посилення для диференціатора розраховується за такою формулою:

Це вираз назад виразу інтегратора. Коефіцієнт посилення підвищується в негативну сторону із зростанням частоти.

Аналоговий компаратор

Пристрій компаратора порівнює два значення напруги та переводить сигнал у низьке або високе значення на виході, залежно від стану напруги. Ця система включає в себе цифрову та аналогову електроніку.

Особливістю цієї системи є відсутність в основній версії зворотного зв'язку. Це означає, що опір петлі дуже великий.

На плюсовий вхід подається сигнал, а на мінусовий вхід подається основна напруга, яка задається потенціометром. Зважаючи на відсутність зворотного зв'язку коефіцієнт посилення прагне до нескінченності.

При перевищенні напруги на вході величини основної опорної напруги, на виході виходить найбільша напруга, яка дорівнює позитивному напругі живлення. Якщо на вході напруга буде меншою за опорну, то вихідним значенням буде негативна напруга, що дорівнює напругі джерела живлення.

У схемі аналогового компаратора є значний недолік. При наближенні значень напруги на двох входах один до одного, можлива часта зміна вихідної напруги, що зазвичай призводить до перепусток і збоїв у роботі реле. Це може спричинити порушення роботи обладнання. Для вирішення цього завдання застосовують схему з гістерезисом.

Аналоговий компаратор із гістерезисом

На малюнку показана схема дії схеми, яка аналогічна попередній схемі. Відмінністю є те, що вимкнення та включення не відбувається при одній напрузі.

Напрямок стрілок на графіку вказує напрямок переміщення гістерези. При розгляді графіка зліва направо видно, що перехід до більш низькому рівнюздійснюється при напрузі Uph, а рухаючись праворуч наліво, напруга на виході досягне вищого рівняпри напрузі Upl.

Такий принцип дії призводить до того, що при рівних значеннях вхідних напруг стан на виході не змінюється, так як для зміни потрібна різниця напруг на суттєву величину.

Така робота схеми призводить до деякої інертності системи, проте це безпечніше, на відміну від схеми без гістерези. Зазвичай такий принцип дії застосовується в нагрівальних приладах із наявністю термостату: плити, праски та ін. На малюнку зображено схему підсилювача з гістерезисом.

Напруження розраховуються за такими залежностями:

Повторювачі напруги

Операційні підсилювачі часто застосовують у схемах повторювачів напруги. Основною особливістю цих пристроїв є те, що в них не відбувається посилення або ослаблення сигналу, тобто коефіцієнт посилення в цьому випадку дорівнює одиниці. Така особливість пов'язана з тим, що петля зворотного зв'язку має опір, що дорівнює нулю.

Такі системи повторювачів напруги найчастіше використовуються як буфер для збільшення навантажувального струму та працездатності пристрою. Оскільки вхідний струм наближений до нуля, струм на виході залежить від виду підсилювача, тобто можливість розвантаження слабких джерел сигналу, наприклад, деяких датчиків.

Що таке операційний підсилювач? В основному про це поняття говорять, коли йдеться про так званий зворотний зв'язок. Операційний підсилювач (або його скорочена назва ОУ) - це диференціальний прилад, що працює на постійному струмі, що володіє великим значенням коефіцієнта посилення. Зазвичай він має несиметричний вхід.

Принцип роботи операційного підсилювача

Слід розглянути коротко питання про те, що це за пристрій і як він працює. Чому коротенько? Справа в тому, що операційний підсилювач – це розмите поняття. Сюди входить безліч різних пристроїв, які, однак, об'єднані більш-менш схожими принципами дії. Операційний підсилювач - це оновлений та вдосконалений диференціальний підсилювач, який має два виходи та несиметричний вхід. Часто ДК називали прообразом ОУ. Однак реально операційний підсилювач має набагато більший коефіцієнт посилення і має значно менший вихідний імпеданс, а також цілком допускається зміна вихідних сигналів в повному діапазоні від напруги живлення (найчастіше в такому випадку і використовують розщеплене джерело на 15 вольт).

У промисловості на сьогоднішній день налагоджено випуск багатьох сотень найрізноманітніших типів подібних пристроїв. Однак для всіх характерний схожий тип роботи, незважаючи на те, що застосування операційних підсилювачів можливе майже у всіх сферах промислової електроніки та цифрової схемотехніки. Основними особливостями та перевагами вважають високі показники вхідного опору та низькі вихідного, а також великий коефіцієнт посилення. Вхід позначають плюсом (+), вихід – мінусом (-). Вихідний сигнал у позитивному напрямку змінюється у той час, коли вхідний потенціал стає позитивним у порівнянні з потенціалом на виході. Цей же цикл може повторюватися у зворотній послідовності.

Конструктивні особливості приладу

Слід розібрати докладніше конструктивні особливості цього пристрою. Операційний підсилювач простіше розглянути як «чорну скриньку», яка має ідеалізовані характеристики. Такий метод зазвичай застосовують у промисловій електроніці. Однак необхідно мати уявлення про внутрішню структуру такого приладу, як операційний підсилювач. Це дозволить уникнути проблем, пов'язаних із схемотехнікою. Структурно різні підсилювачі можуть відрізнятись, але основний принцип буде однаковий. Складається операційний підсилювач із кількох функціональних блоків:

1. Диференціальний підсилювач, який дозволяє забезпечити посилення при низькому рівні шуму та має дуже високі показники вхідного опору. Має так званий диференційний вихід.

2. Підсилювач, який має великий коефіцієнт посилення напруги, спад частотно-амплітудної характеристики на кшталт однополюсного фільтра низьких частот. Має зазвичай один-єдиний вихід.

3. Вихідний підсилювач, який забезпечує високі здатності навантаження по струму, а також низькі показники вихідного опору.

Подібні публікації
© 2023 Лікування суглобів