Obvody operačních zesilovačů zpětné vazby

Komparátory

Pokud používáte operační zesilovač bez negativní zpětné vazby (OOS), pak můžeme určitě říci, co se stane komparátor. Abychom pochopili, jak to funguje, můžete udělat několik jednoduchých, ale vizuálních experimentů. K tomu budete potřebovat trochu: operační zesilovač sám, napájecí zdroj s napětím 9 ... 25V, několik rezistorů, pár LED a voltmetr (digitální multimetr).

Nejjednodušší logická sonda je sestavena z LED a rezistorů, jak je znázorněno na obrázku 1.

Pokud je na vstup sondy přivedeno kladné napětí (můžete použít i + U), rozsvítí se červená LED dioda a pokud je vstup připojen ke společnému vodiči, rozsvítí se zelená. S pomocí takové sondy se výstupní stav testovaného operačního zesilovače stane jasným a srozumitelným.

Jako experimentální „králík“ je vhodný ten, kdo není příliš kvalitní a drahý operační zesilovačnapříklad KR140UD608 (708) v plastových pouzdrech nebo K140UD6 (7) v kulatém kovu.

Obrázek 1. Schéma jednoduché logické sondy

Je třeba poznamenat, že i přes různé případy je pinout těchto mikroobvodů stejný a odpovídá tomu, který je znázorněn na následujících diagramech. Často se stává, že pinout plastových a kovových pouzder se neshoduje, i když ve skutečnosti jsou to stejné mikroobvody. Nyní je většina operačních zesilovačů, zejména importovaných, dostupná v plastových pouzdrech a vše funguje dobře a dokonale a nedochází k záměně s piny. A předtím byly takové „plastové“ mikroobvody odborníky opovržlivě nazývány „spotřební zboží“.

Obrázek 2. Schéma na operačním zesilovači

Pro první experimenty sestavíme obvod znázorněný na obrázku 2. Zde se toho moc neudělalo: samotný operační zesilovač a logická sonda znázorněná na obrázku 1 jsou připojeny k unipolárnímu zdroji energie. Napájecí napětí + U unipolární 9 ... 30V. Velikost stresu v našich experimentech nemá zvláštní význam.

Zde může vyvstat zcela legitimní otázka: „Proč je sonda logická, protože operační zesilovač je analogový prvek?“ Ano, ale v tomto případě operační zesilovač nefunguje v režimu zesílení, ale v režimu komparátoru a má pouze dvě úrovně výstupu. Napětí blízké 0V se nazývá logická nula a napětí blízké + U je logická jednotka. V případě bipolární energie odpovídá napětí blízké –U logické nule.

Při přivedení napájecího napětí musí být rozsvícena jedna z LED. Je nemožné odpovědět na otázku, která, červená nebo zelená, protože vše závisí na parametrech konkrétního operačního zesilovače a na vnějších podmínkách, například na rušení sítě. Pokud vezmete několik stejných typů operačních zesilovačů, budou výsledky velmi odlišné.

Napětí na výstupu operačního zesilovače je řízeno voltmetrem: pokud svítí červená LED, voltmetr zobrazí napětí blízké + U a v případě zelené LED bude napětí téměř nulové.

Nyní se můžete pokusit přivést na vstup nějaké napětí a podívat se na indikátory a voltmetr, jak se bude operační zesilovač chovat. Nejjednodušší způsob je aplikovat napětí dotykem jednoho prstu postupně za každým vstupem operačního zesilovače a druhého z výkonových pinů. V tomto případě by se měla změnit záře sondy a hodnota voltmetru. Tyto změny však nemusí nastat.

Jde o to, že některé operační zesilovače jsou navrženy tak, aby zajistily, že napětí na vstupech je v určitých mezích: mírně vyšší než napětí na svorce 4 a mírně nižší než napájecí napětí na svorce 7. Toto „mírně nižší, vyšší“ je 1 ... 2B. Pro pokračování v experimentech, po splnění uvedeného stavu, bude nutné sestavit poněkud složitější schéma, znázorněné na obrázku 3.

Obrázek 3 Provozní obvody zesilovače zpětné vazby

Nyní je napětí přiváděno na vstupy pomocí proměnných odporů R1, R2, jejichž motory by měly být nainstalovány blízko střední polohy před zahájením měření. Voltmetr se nyní přesunul na jiné místo: ukáže rozdíl napětí mezi přímým a inverzním vstupem.

Je lepší, pokud je tento voltmetr digitální: polarita napětí se může změnit, na indikátoru digitálního zařízení se objeví znaménko mínus a ukazatelové zařízení se jednoduše „odvalí“ v opačném směru. (Můžete použít voltmetr ukazatele se středním bodem na stupnici.) Kromě toho je vstupní odpor digitálního voltmetru mnohem vyšší než odpor ukazatele, takže výsledky měření budou přesnější. Stav výstupu bude určen LED indikátorem.

Je vhodné dát takovou radu: je lepší provádět tyto jednoduché experimenty vlastními rukama, a nejen číst a rozhodovat, že vše je jednoduché a jasné. To je, jak číst kytarový tutoriál, aniž by nikdy vyzvedl kytaru. Tak pojďme začít.

První věc, kterou musíte udělat, je nastavit motory s proměnným odporem na střední polohu, zatímco napětí na vstupech operačního zesilovače je téměř polovičním napájecím napětím. Citlivost voltmetru by měla být maximalizována, ale možná ne okamžitě, ale postupně, aby nedošlo k spálení zařízení.

Předpokládejme, že výstup operačního zesilovače je nízký, zelená LED svítí. Pokud tomu tak není, lze tohoto stavu dosáhnout otáčením variabilního rezistoru R1 tak, aby se motor pohyboval po obvodu - prakticky to může být až 0V.

Nyní pomocí proměnného odporu R1 začneme přidávat napětí k přímému vstupu operačního zesilovače (pin 3), přičemž sledujeme hodnoty voltmetru. Jakmile voltmetr ukáže kladné napětí (napětí na přímém vstupu (svorka 3) je větší než napětí na inverzi (svorka 2)), rozsvítí se červená LED. Proto je napětí na výstupu operačního zesilovače vysoké nebo, jak bylo dříve dohodnuto, logická jednotka.

Trochu pomoci

Přesněji řečeno, ani logická jednotka, ale vysoká úroveň: logická jednotka naznačuje pravdu signálu, říkají, došlo k události. Ale tato pravda, tato logická jednotka může být vyjádřena a na nízké úrovni. Jako příklad lze uvést rozhraní RS-232, ve kterém záporné napětí odpovídá logické jednotce, zatímco logická nula má kladné napětí. Ačkoli v jiných schématech je logická jednotka nejčastěji vyjádřena na vysoké úrovni.

Pokračujeme ve vědeckých zkušenostech. Začneme opatrně a pomalu otáčet rezistorem R1 opačným směrem, sledujeme voltmetr. V určitém okamžiku se zobrazí nula, ale červená LED stále svítí. Je nepravděpodobné, že by zachytil polohu, ve které jsou obě LED diody zhasnuty.

S další rotací rezistoru se také změní polarita odečtů voltmetrů na zápornou hodnotu. To naznačuje, že napětí na inverzním vstupu (2) v absolutní hodnotě je vyšší než na přímém vstupu (3). Zelená LED se rozsvítí, což indikuje nízkou úroveň na výstupu operačního zesilovače. Poté můžete pokračovat v otáčení rezistoru R1 ve stejném směru, ale nedojde k žádným změnám: zelená LED nezhasne a vůbec nezmění jas.

K tomuto jevu dochází, když je operační zesilovač v komparátorovém režimu, tj. bez negativní zpětné vazby (někdy i s PIC).Pokud operační zesilovač pracuje v lineárním režimu, je pokryt zápornou zpětnou vazbou (OOS), pak, když se motor rezistoru R1 otáčí, výstupní napětí se mění úměrně s úhlem rotace, čte rozdíl napětí na vstupech a ne vůbec. V tomto případě lze jas LED diody plynule změnit.

Ze všeho výše uvedeného můžeme usoudit: napětí na výstupu operačního zesilovače závisí na rozdílu napětí na vstupech. V případě, že napětí na přímém vstupu je vyšší než na inverzi, je výstupní napětí vysoké. Jinak (napětí na inverzi je vyšší než na přímém), výstupní úroveň je logická nula.

Na samém začátku tohoto experimentu bylo doporučeno instalovat odporové motory R1, R2 přibližně ve střední poloze. A co se stane, když je zpočátku nastavíte na třetinu obratu nebo na dvě třetiny? Ano, ve skutečnosti se nic nezmění, všechno bude fungovat stejným způsobem, jak je popsáno výše. Z toho můžeme usoudit, že signál na výstupu operačního zesilovače nezávisí na absolutní hodnotě napětí na přímých a inverzních vstupech. A záleží pouze na rozdílu napětí.

Ze všeho, co bylo řečeno, lze vyvodit ještě jeden důležitý závěr: operační zesilovač bez zpětné vazby je komparátor - komparátor. V tomto případě je referenční nebo referenční napětí přivedeno na jeden vstup a napětí, jehož hodnota musí být řízena, na druhý vstup. O jakém vstupu pro napájení referenčního napětí se rozhodne během vývoje obvodu.

Příkladem je obrázek 4. integrovaný časovač NE555na jejichž vstupu jsou okamžitě 2 interní komparátory DA1 a DA2.

Obrázek 4Integrovaný obvod časovače NE555

Jejich účelem je řídit interní RS trigger. Řídicí logika je velmi jednoduchá: logická jednotka z výstupu komparátoru DA2 nastaví spouště na jednu a logická jednotka z výstupu komparátoru DA1 resetuje spouště.

Na odporech R1 ... R3 je namontován dělič, který dodává vstupům komparátorů referenční napětí. Všechny tři rezistory mají stejný odpor (5K), vytvářející 2/3 a 1/3 napájecího napětí, které jsou přiváděny na invertující vstup DA1 a na neinvertující vstup DA2.

Z výše uvedeného vyplývá, že logická jednotka na výstupu komparátoru DA1 bude získána, pokud vstupní napětí na přímém vstupu překročí referenční napětí na inverzi (2 / 3Upit), spoušť se resetuje na nulu.

Aby bylo možné nastavit spouštěč na 1, musíte získat vysokou úroveň na výstupu interního komparátoru DA2. Tohoto stavu bude dosaženo, když je úroveň napětí na invertovaném vstupu DA2 menší než 1 / 3Upit. Jde o takové referenční napětí, které se přivádí na přímý vstup komparátoru DA2.

Zde není stanoven cíl popisu integrovaného časovače NE555, jen jako příklad použití operačního zesilovače jsou vstupní komparátory zobrazeny skryté uvnitř mikroobvodu. Pro zájemce o použití časovače 555 můžete doporučit přečtení článku „Integrovaný časovač NE555“.

Viz také: Obvody operačních zesilovačů zpětné vazby

Boris Aladyshkin