Sprzężenie zwrotne wzmacniacza operacyjnego

Komparatory

Jeśli użyjesz wzmacniacza operacyjnego bez ujemnego sprzężenia zwrotnego (OOS), to z pewnością możemy powiedzieć, co się stanie komparator. Aby zrozumieć, jak to działa, możesz wykonać kilka prostych, ale wizualnych eksperymentów. Będziesz do tego trochę potrzebował: sam wzmacniacz operacyjny, zasilacz o napięciu 9 ... 25 V, kilka rezystorów, parę diod LED i woltomierz (multimetr cyfrowy).

Najprostsza sonda logiczna składa się z diod LED i rezystorów, jak pokazano na rysunku 1.

Po przyłożeniu napięcia dodatniego do wejścia sondy (można nawet przyłożyć + U) świeci czerwona dioda LED, a jeśli wejście jest podłączone do wspólnego przewodu, świeci zielona. Za pomocą takiej sondy stan wyjściowy testowanego wzmacniacza operacyjnego staje się wyraźny i zrozumiały.

Jako eksperymentalny „królik” odpowiedni jest każdy, kto nie jest bardzo wysokiej jakości i drogi wzmacniacz operacyjny, na przykład KR140UD608 (708) w plastikowych skrzynkach lub K140UD6 (7) w okrągłym metalu.

Rysunek 1. Schemat prostej sondy logicznej

Należy zauważyć, że pomimo różnych przypadków wyprowadzenie tych mikroukładów jest takie samo i odpowiada temu pokazanemu na poniższych schematach. Często zdarza się, że pinout plastikowych i metalowych obudów nie pasuje, chociaż w rzeczywistości są to te same mikroukłady. Teraz większość wzmacniaczy operacyjnych, zwłaszcza importowanych, jest dostępna w plastikowych obudowach, a wszystko działa dobrze i idealnie, i nie ma pomyłek z pinoutami. A wcześniej takie „plastikowe” mikroukłady były pogardliwie nazywane przez specjalistów „towarami konsumpcyjnymi”.

Rysunek 2. Schemat wzmacniacza operacyjnego

W pierwszych eksperymentach montujemy obwód pokazany na rysunku 2. Niewiele tu zrobiono: sam wzmacniacz operacyjny i logiczna sonda pokazana na rysunku 1 są podłączone do jednobiegunowego źródła zasilania. Napięcie zasilania + U unipolarne 9 ... 30 V. Wielkość stresu w naszych eksperymentach nie ma szczególnego znaczenia.

Tutaj może pojawić się całkowicie uzasadnione pytanie: „Dlaczego sonda jest logiczna, ponieważ wzmacniacz operacyjny jest elementem analogowym?” Tak, ale w tym przypadku wzmacniacz operacyjny nie działa w trybie wzmocnienia, ale w trybie komparatora i ma tylko dwa poziomy mocy wyjściowej. Napięcie bliskie 0 V nazywa się logicznym zerem, a napięcie bliskie + U jest jednostką logiczną. W przypadku mocy bipolarnej napięcie zbliżone do –U odpowiada logicznemu zera.

Podczas przykładania napięcia zasilania jedna z diod LED musi świecić. Nie można odpowiedzieć na pytanie, który z nich jest czerwony lub zielony, ponieważ wszystko zależy od parametrów konkretnego wzmacniacza operacyjnego i warunków zewnętrznych, na przykład zakłóceń sieciowych. Jeśli weźmiesz kilka tego samego typu wzmacniacza operacyjnego, wyniki będą bardzo różne.

Napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego jest kontrolowane przez woltomierz: jeśli świeci czerwona dioda LED, woltomierz pokaże napięcie zbliżone do + U, a jeśli świeci zielona dioda LED, napięcie będzie prawie zerowe.

Teraz możesz spróbować przyłożyć pewne napięcie do wejść i spojrzeć na wskaźniki i woltomierz, jak zachowa się wzmacniacz operacyjny. Najłatwiej jest przyłożyć napięcie, dotykając kolejno jednego palca każdego wejścia wzmacniacza operacyjnego, a drugiego jednego z pinów zasilania. W takim przypadku blask sondy i odczyt woltomierza powinny się zmienić. Ale zmiany te mogą nie wystąpić.

Chodzi o to, że niektóre wzmacniacze operacyjne są zaprojektowane tak, aby napięcie wejściowe mieściło się w określonych granicach: nieco wyższe niż napięcie na zacisku 4 i nieco niższe niż napięcie zasilania na zacisku 7. Jest to „nieco niższe, wyższe” wynosi 1 ... 2B. Aby kontynuować eksperymenty, po spełnieniu wskazanego warunku, konieczne będzie złożenie nieco bardziej złożonego schematu, pokazanego na rycinie 3.

Rycina 3 Obwód operacyjny wzmacniacza zwrotnego

Teraz napięcie jest doprowadzane do wejść za pomocą rezystorów zmiennych R1, R2, których silniki należy zainstalować w pobliżu środkowej pozycji przed rozpoczęciem pomiarów. Woltomierz przeniósł się teraz w inne miejsce: pokaże różnicę napięcia między wejściami bezpośrednimi i odwrotnymi.

Lepiej jest, jeśli woltomierz jest cyfrowy: biegunowość napięcia może się zmienić, na wskaźniku urządzenia cyfrowego pojawi się znak minus, a urządzenie wskazujące po prostu „stoczy się” w przeciwnym kierunku. (Możesz użyć woltomierza wskaźnikowego z punktem środkowym na skali.) Ponadto rezystancja wejściowa woltomierza cyfrowego jest znacznie wyższa niż rezystancji wskaźnika, więc wyniki pomiaru będą dokładniejsze. Status wyjścia zostanie określony przez wskaźnik LED.

Należy udzielić takich rad: lepiej wykonać te proste eksperymenty własnymi rękami, a nie tylko przeczytać i zdecydować, że wszystko jest proste i jasne. Oto jak przeczytać samouczek gitary, nigdy nie podnosząc gitary. Więc zacznijmy.

Pierwszą rzeczą do zrobienia jest ustawienie silników z rezystorem zmiennym w przybliżeniu w środkowej pozycji, podczas gdy napięcie na wejściach wzmacniacza operacyjnego jest zbliżone do połowy napięcia zasilania. Czułość woltomierza powinna być zmaksymalizowana, ale być może nie od razu, ale stopniowo, aby nie spalić urządzenia.

Załóżmy, że moc wyjściowa wzmacniacza operacyjnego jest niska, świeci zielona dioda LED. Jeśli tak nie jest, wówczas stan ten można osiągnąć, obracając rezystor zmienny R1 w taki sposób, że silnik porusza się w dół obwodu - może wynosić praktycznie do 0 V.

Teraz, używając rezystora zmiennego R1, zaczynamy dodawać napięcie do bezpośredniego wejścia wzmacniacza operacyjnego (pin 3), obserwując odczyty woltomierza. Gdy tylko woltomierz wskaże dodatnie napięcie (napięcie na wejściu bezpośrednim (zacisk 3) jest wyższe niż napięcie na odwrotności (zacisk 2)), czerwona dioda LED zaświeci się. Dlatego napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego jest wysokie lub, jak wcześniej uzgodniono, jednostka logiczna.

Trochę pomocy

Mówiąc dokładniej, nawet jednostka logiczna, ale wysoki poziom: jednostka logiczna wskazuje prawdziwość sygnału, jak mówią, zdarzenie miało miejsce. Ale ta prawda, ta logiczna jednostka może być wyrażona na niskim poziomie. Jako przykład możemy przywołać interfejs RS-232, w którym napięcie ujemne odpowiada jednostce logicznej, podczas gdy zero logiczne ma napięcie dodatnie. Chociaż w innych schematach jednostka logiczna jest najczęściej wyrażana na wysokim poziomie.

Kontynuujemy nasze doświadczenie naukowe. Zaczynamy ostrożnie i powoli obracać rezystor R1 w przeciwnym kierunku, zgodnie z woltomierzem. W pewnym momencie pokaże zero, ale czerwona dioda LED nadal będzie świecić. Jest mało prawdopodobne, aby uchwycić pozycję, w której obie diody LED są wyłączone.

Przy dalszym obrocie rezystora polaryzacja odczytów woltomierza również zmieni się na ujemną. Sugeruje to, że napięcie na wejściu odwrotnym (2) w wartości bezwzględnej jest wyższe niż na wejściu bezpośrednim (3). Świeci zielona dioda LED, wskazując niski poziom na wyjściu wzmacniacza operacyjnego. Następnie możesz nadal obracać rezystor R1 w tym samym kierunku, ale nie nastąpi żadna zmiana: zielona dioda LED nie gaśnie i wcale nie zmienia jasności.

Zjawisko to występuje, gdy wzmacniacz operacyjny jest w trybie komparatora, tj. bez negatywnej opinii (czasami nawet z PIC).Jeśli wzmacniacz operacyjny działa w trybie liniowym, jest objęty ujemnym sprzężeniem zwrotnym (OOS), to kiedy silnik rezystora R1 obraca się, napięcie wyjściowe zmienia się proporcjonalnie do kąta obrotu, odczytuje różnicę napięcia na wejściach, a nie krok. W takim przypadku jasność diody LED można płynnie zmieniać.

Z powyższego można wywnioskować: napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego zależy od różnicy napięcia na wejściach. W przypadku, gdy napięcie na wejściu bezpośrednim jest wyższe niż na odwrót, napięcie wyjściowe jest wysokie. W przeciwnym razie (napięcie na odwrotnym jest wyższe niż na bezpośrednim) poziom wyjściowy jest logicznym zerem.

Na samym początku tego eksperymentu zalecono zainstalowanie silników rezystorowych R1, R2 w przybliżeniu w środkowej pozycji. A co się stanie, jeśli początkowo ustawisz je na jedną trzecią obrotów lub dwie trzecie? Tak, właściwie nic się nie zmieni, wszystko będzie działać tak samo, jak opisano powyżej. Z tego można wnioskować, że sygnał na wyjściu wzmacniacza operacyjnego nie zależy od wartości bezwzględnej napięć na wejściach bezpośrednich i odwrotnych. I to zależy tylko od różnicy napięcia.

Ze wszystkiego, co zostało powiedziane, można wyciągnąć jeszcze jeden ważny wniosek: wzmacniacz operacyjny bez sprzężenia zwrotnego jest komparatorem - komparatorem. W takim przypadku napięcie odniesienia lub napięcie odniesienia jest przyłożone do jednego wejścia, a napięcie, którego wartość musi być kontrolowana, do drugiego wejścia. O tym, które wejście zasilać napięciem odniesienia, decyduje się podczas rozwoju obwodu.

Jako przykład, rysunek 4 pokazuje schemat. zintegrowany zegar NE555na którego wejściu znajdują się natychmiast 2 wewnętrzne komparatory DA1 i DA2.

Rycina 4Zintegrowany obwód timera NE555

Ich celem jest zarządzanie wewnętrznymi Wyzwalacz RS. Logika sterowania jest dość prosta: jednostka logiczna z wyjścia komparatora DA2 ustawia wyzwalacz na jeden, a jednostka logiczna z wyjścia komparatora DA1 resetuje wyzwalacz.

Dzielnik montowany jest na rezystorach R1 ... R3, które dostarczają napięcia odniesienia na wejścia komparatorów. Wszystkie trzy rezystory mają takie same rezystancje (5K), które tworzą 2/3 i 1/3 napięcia zasilania, które są dostarczane odpowiednio do wejścia odwracającego DA1 i wejścia nieodwracającego DA2.

W odniesieniu do tego, co napisano powyżej, okazuje się, że jednostka logiczna na wyjściu komparatora DA1 jest uzyskiwana, jeśli napięcie wejściowe na wejściu bezpośrednim przekracza napięcie odniesienia na odwrotności (2/3 Upit), wyzwalacz jest zerowany.

Aby ustawić wyzwalacz na 1, musisz uzyskać wysoki poziom na wyjściu wewnętrznego komparatora DA2. Ten warunek zostanie osiągnięty, gdy poziom napięcia na odwróconym wejściu DA2 będzie mniejszy niż 1/3 Upit. Jest to takie napięcie odniesienia przyłożone do bezpośredniego wejścia komparatora DA2.

Tutaj cel opisu zintegrowanego timera NE555 nie jest ustawiony, podobnie jak przykład użycia wzmacniacza operacyjnego, komparatory wejściowe pokazane są ukryte wewnątrz mikroukładu. Dla tych, którzy są zainteresowani użyciem timera 555, możesz polecić przeczytanie tego artykułu „Zintegrowany zegar NE555”.

Zobacz także: Sprzężenie zwrotne Operacyjne obwody wzmacniacza

Boris Aladyshkin