Spätná väzba obvodov operačného zosilňovača

komparátory

Ak používate operačný zosilňovač bez negatívnej spätnej väzby (OOS), potom môžeme určite povedať, čo sa stane komparátor, Aby ste pochopili, ako to funguje, môžete urobiť niekoľko jednoduchých, ale vizuálnych experimentov. Na to budete potrebovať trochu: samotný operačný zosilňovač, napájací zdroj s napätím 9 ... 25V, niekoľko odporov, pár LED a voltmeter (digitálny multimeter).

Najjednoduchšia logická sonda je zostavená z LED a rezistorov, ako je znázornené na obrázku 1.

Ak je na vstup sondy privedené kladné napätie (môžete napájať aj + U), rozsvieti sa červená LED dióda a ak je vstup pripojený k spoločnému vodiču, zelená sa rozsvieti. Pomocou takejto sondy sa výstupný stav testovaného operačného zosilňovača stáva jasným a zrozumiteľným.

Ako experimentálny králik je vhodný ten, kto nie je veľmi kvalitný a drahý operačný zosilňovačnapríklad KR140UD608 (708) v plastových puzdrách alebo K140UD6 (7) v okrúhlych kovoch.

Obrázok 1. Schéma jednoduchej logickej sondy

Je potrebné poznamenať, že napriek rôznym prípadom je pinout týchto mikroobvodov rovnaký a zodpovedá tomu, ktorý je znázornený na nižšie uvedených diagramoch. Často sa stáva, že vývod plastových a kovových puzdier sa nezhoduje, aj keď v skutočnosti sú to rovnaké mikroobvody. Teraz je väčšina operačných zosilňovačov, najmä dovážaných, dostupná v plastových puzdrách a všetko funguje dobre a dokonale a nedochádza k zámene s pinoutmi. A predtým boli takéto „plastové“ mikroobvody odborníkmi opodstatnene nazývané „spotrebný tovar“.

Obrázok 2. Schéma operačného zosilňovača

Pri prvých pokusoch zostavíme obvod znázornený na obrázku 2. Tu sa toho veľa nerobilo: samotný operačný zosilňovač a logická sonda znázornená na obrázku 1 sú pripojené k unipolárnemu zdroju energie. Napájacie napätie + U unipolárny 9 ... 30V. Rozsah stresu v našich experimentoch nemá osobitný význam.

Tu môže vzniknúť úplne legitímna otázka: „Prečo je sonda logická, pretože operačný zosilňovač je analógový prvok?“ Áno, ale v tomto prípade operačný zosilňovač nefunguje v režime zisku, ale v režime porovnávača a má iba dve úrovne výstupu. Napätie blízke 0V sa nazýva logická nula a napätie blízke + U je logická jednotka. V prípade bipolárnej energie zodpovedá napätie blízke –U logickej nule.

Pri pripájaní napájacieho napätia musí svietiť jedna z LED. Nie je možné odpovedať na otázku, ktorá, červená alebo zelená, pretože všetko závisí od parametrov konkrétneho operačného zosilňovača a od vonkajších podmienok, napríklad od sieťového rušenia. Ak užijete niekoľko rovnakých typov operačných zosilňovačov, výsledky sa budú veľmi líšiť.

Napätie na výstupe operačného zosilňovača je riadené voltmetrom: ak je zapnutá červená LED, voltmeter zobrazí napätie blízke + U, a ak zelená LED svieti, napätie bude takmer nulové.

Teraz sa môžete pokúsiť priviesť nejaké napätie na vstupy a pozrieť sa na indikátory a voltmeter, ako sa bude operačný zosilňovač správať. Najjednoduchší spôsob je priviesť napätie tak, že sa dotknete jedného prsta postupne každého vstupu operačného zosilňovača a druhého z výkonových kolíkov. V takom prípade by sa mala zmeniť žiara sondy a hodnota voltmetra. Tieto zmeny sa však nemusia vyskytnúť.

Ide o to, že niektoré operačné zosilňovače sú navrhnuté tak, aby zabezpečili, že napätie na vstupoch je v rámci určitých limitov: mierne vyššie ako napätie na svorke 4 a mierne nižšie ako napájacie napätie na svorke 7. Toto „mierne nižšie, vyššie“ je 1 ... 2B. Na pokračovanie v experimentoch, keď sú splnené uvedené podmienky, bude potrebné zostaviť trochu komplikovanejší obvod, znázornený na obrázku 3.

Obrázok 3 Prevádzkové obvody zosilňovača spätnej väzby

Teraz je napätie privádzané na vstupy pomocou premenných odporov R1, R2, ktorých motory by mali byť nainštalované blízko strednej polohy pred začatím merania. Voltmeter sa teraz presunul na iné miesto: ukáže rozdiel napätia medzi priamym a inverzným vstupom.

Je lepšie, ak je tento voltmeter digitálny: polarita napätia sa môže meniť, na indikátore digitálneho zariadenia sa objaví znamienko mínus a ukazovacie zariadenie sa jednoducho „prevráti“ v opačnom smere. (Môžete použiť voltmeter ukazovateľa so stredným bodom na stupnici.) Okrem toho je vstupný odpor digitálneho voltmetra oveľa vyšší ako odpor ukazovateľa, takže výsledky merania budú presnejšie. Stav výstupu bude určený pomocou LED indikátora.

Je vhodné poskytnúť takéto rady: je lepšie robiť tieto jednoduché experimenty vlastnými rukami a nielen čítať a rozhodovať, že všetko je jednoduché a jasné. Takto si môžete prečítať návod na gitaru, zatiaľ čo na gitaru nikdy nedvihnete. Začnime teda.

Prvá vec, ktorú treba urobiť, je nastaviť motory s premenlivým odporom približne na strednú polohu, zatiaľ čo napätie na vstupoch operačného zosilňovača je takmer polovicou napájacieho napätia. Citlivosť voltmetra by sa mala maximalizovať, ale možno nie okamžite, ale postupne, aby nedošlo k spáleniu zariadenia.

Predpokladajme, že výstup operačného zosilňovača je nízky, zelená LED svieti. Ak to tak nie je, potom je možné tento stav dosiahnuť otáčaním premenlivého odporu R1 takým spôsobom, že motor sa pohybuje po obvode - to môže byť prakticky až do 0V.

Teraz pomocou premenného odporu R1 začneme pridávať napätie k priamemu vstupu operačného zosilňovača (pin 3), pričom sledujeme hodnoty voltmetra. Hneď ako voltmeter ukáže kladné napätie (napätie na priamom vstupe (svorka 3) je väčšie ako napätie na inverznej strane (svorka 2)), rozsvieti sa červená LED dióda. Preto je napätie na výstupe operačného zosilňovača vysoké alebo, ako bolo dohodnuté skôr, logická jednotka.

Trochu pomôcť

Presnejšie povedané, ani logická jednotka, ale vysoká úroveň: logická jednotka naznačuje pravdu signálu, hovoria, že došlo k udalosti. Ale túto pravdu, túto logickú jednotku možno vyjadriť na nízkej úrovni. Ako príklad možno uviesť rozhranie RS-232, v ktorom záporné napätie zodpovedá logickej jednotke, zatiaľ čo logická nula má kladné napätie. Hoci v iných schémach je logická jednotka najčastejšie vyjadrená na vysokej úrovni.

Pokračujeme v vedeckých skúsenostiach. Po voltmetri začneme opatrne a pomaly otáčať odpor R1 v opačnom smere. V určitom bode sa zobrazí nula, ale červená dióda LED bude stále svietiť. Je nepravdepodobné, že by zachytila ​​polohu, v ktorej sú obe LED diódy vypnuté.

S ďalšou rotáciou odporu sa polarita odčítaných hodnôt voltmetra zmení aj na zápornú hodnotu. To naznačuje, že napätie na inverznom vstupe (2) v absolútnej hodnote je vyššie ako na priamom vstupe (3). Zelená dióda LED sa rozsvieti, čo indikuje nízku úroveň na výstupe operačného zosilňovača. Potom môžete pokračovať v otáčaní rezistora R1 v rovnakom smere, ale nedôjde k žiadnym zmenám: zelená dióda LED nezhasne a vôbec nezmení jas.

Tento jav sa vyskytuje, keď je operačný zosilňovač v komparátorovom režime, t.j. bez negatívnej spätnej väzby (niekedy aj s PIC).Ak operačný zosilňovač pracuje v lineárnom režime, je pokrytý negatívnou spätnou väzbou (OOS), potom, keď sa motor rezistora R1 otáča, výstupné napätie sa mení úmerne s uhlom rotácie, odčítava sa rozdiel napätia na vstupoch, a nie vôbec. V takom prípade je možné plynulo zmeniť jas LED.

Z vyššie uvedeného vyplýva, že napätie na výstupe operačného zosilňovača závisí od rozdielu napätia na vstupoch. V prípade, že napätie na priamom vstupe je vyššie ako na inverznom stupni, je výstupné napätie vysoké. Inak (napätie na inverzii je vyššie ako na priamom), výstupná úroveň je logická nula.

Na samom začiatku tohto experimentu bolo odporúčané inštalovať odporové motory R1, R2 približne do strednej polohy. A čo sa stane, ak ich spočiatku nastavíte na tretinu obratu alebo na dve tretiny? Áno, v skutočnosti sa nič nezmení, všetko bude fungovať rovnakým spôsobom, ako je opísané vyššie. Z toho môžeme vyvodiť, že signál na výstupe operačného zosilňovača nezávisí od absolútnej hodnoty napätia na priamych a inverzných vstupoch. Závisí to iba od rozdielu napätia.

Zo všetkého, čo už bolo povedané, je možné vyvodiť ešte jeden dôležitý záver: operačný zosilňovač bez spätnej väzby je komparátor - komparátor. V tomto prípade sa referenčné alebo referenčné napätie privedie na jeden vstup a napätie, ktorého hodnota sa musí regulovať, na druhý vstup. O tom, ktorý vstup na napájanie referenčného napätia sa rozhodne počas vývoja obvodu.

Ako príklad na obrázku 4 je schéma. integrovaný časovač NE555na vstupe ktorých sú okamžite 2 interné komparátory DA1 a DA2.

Obrázok 4Integrovaný obvod časovača NE555

Ich účelom je riadiť interné Spúšťač RS, Riadiaca logika je pomerne jednoduchá: logická jednotka z výstupu porovnávača DA2 nastaví spúšť na jednu a logická jednotka z výstupu porovnávača DA1 resetuje spúšť.

Na odporoch R1 ... R3 je zostavený delič, ktorý dodáva vstupom komparátorov referenčné napätie. Všetky tri rezistory majú rovnaký odpor (5K), tvoriaci 2/3 a 1/3 napájacieho napätia, ktoré sú privádzané na invertujúci vstup DA1 a na neinvertujúci vstup DA2.

Z vyššie uvedeného vyplýva, že logická jednotka na výstupe porovnávača DA1 bude získaná, ak vstupné napätie na priamom vstupe prekročí referenčné napätie na inverznej strane (2 / 3Upit), spúšť sa resetuje na nulu.

Aby ste nastavili spúšť na 1, musíte mať vysokú úroveň na výstupe z interného porovnávača DA2. Táto podmienka sa dosiahne, keď je úroveň napätia na invertovanom vstupe DA2 menšia ako 1 / 3Upit. Je to také referenčné napätie, ktoré sa privádza na priamy vstup komparátora DA2.

Tu nie je stanovený cieľ opisu integrovaného časovača NE555, rovnako ako príklad použitia operačného zosilňovača sú vstupné komparátory zobrazené vnútri mikroobvodu. Pre tých, ktorí majú záujem používať časovač 555, môžete prečítať článok „Integrovaný časovač NE555“.

Pozri tiež: Obvody operačného zosilňovača spätnej väzby

Boris Aladyshkin