Схеми на операционен усилвател без обратна връзка
Сравнение
Най-простата логическа сонда е сглобена от светодиоди и резистори, както е показано на фигура 1.
При подаване на положително напрежение към входа на сондата (можете дори да приложите + U), червеният светодиод светва, а ако входът е свързан към общ проводник, зеленият светва. С помощта на такава сонда изходното състояние на тествания оп-усилвател става ясно и разбираемо.
Всеки не много качествен и скъп операционен усилвател, например KR140UD608 (708) в пластмасови кутии или K140UD6 (7) в кръгли метални кутии, е подходящ като експериментален "заек".
Фигура 1. Диаграма на проста логическа сонда
Трябва да се отбележи, че въпреки различните случаи, щифтовете на тези микросхеми са еднакви и съответстват на показаните на диаграмите по-долу. Често се случва pinout на пластмасови и метални кутии да не съвпадат, въпреки че всъщност това са едни и същи микросхеми. Сега повечето от операционните усилватели, особено вносните, се произвеждат в пластмасови кутии и всичко работи добре и перфектно и няма объркване с pinouts. И по-рано такива "пластмасови" микросхеми бяха презрително наречени от специалистите "Shirpotrebovsky".
Фигура 2. Схема на операционен усилвател
За първите експерименти ще сглобим схемата, показана на фигура 2. Тук не е направено много: самият операционен усилвател и логическата сонда, показана на фигура 1, са свързани към еднополярно захранване. Захранващо напрежение + U еднополярна стойност 9 ... 30V. Големината на напрежението в нашите експерименти не е от особено значение.
Тук може да възникне напълно легитимен въпрос: „Защо сондата е логична, тъй като операционният усилвател е аналогов елемент?“ Да, но в този случай операционният усилвател не работи в режим на усилване, а в режим на сравнение и има само две нива на изхода. Напрежение, близко до 0V, се нарича логическа нула, а напрежение, близко до +U, се нарича логическа единица. В случай на двуполярно захранване, логическа нула съответства на напрежение, близко до -U.
При подаване на захранващо напрежение един от светодиодите задължително трябва да свети. Невъзможно е да се отговори на въпроса кой, червен или зелен, тъй като всичко зависи от параметрите на конкретен операционен усилвател и от външни условия, например от смущения в мрежата. Ако вземете няколко от същия тип операционни усилватели, тогава резултатите ще бъдат много различни.
Напрежението на изхода на операционния усилвател се контролира от волтметър: ако червеният светодиод е включен, волтметърът ще покаже напрежение, близко до + U, а ако зеленият светодиод е включен, напрежението ще бъде почти нула.
Сега можете да опитате да подадете малко напрежение към входовете и да погледнете индикаторите и волтметъра как ще се държи операционният усилвател. Най-лесният начин за подаване на напрежение е да докоснете последователно всеки вход на операционния усилвател с един пръст, а с другия един от захранващите проводници. В този случай блясъкът на сондата и показанията на волтметъра трябва да се променят. Но тези промени може да не се случат.
Всичко е заФакт е, че някои операционни усилватели са проектирани да имат входно напрежение в определени граници: малко по-високо от напрежението на пин 4 и малко по-ниско от захранващото напрежение на пин 7. Това "малко по-ниско, по-високо" е 1 ... 2V. За да продължите експериментите, след като изпълните определеното условие, ще трябва да сглобите малко по-сложна верига, показана на фигура 3.
Фигура 3. Вериги на операционен усилвател без обратна връзка
Сега напрежението се прилага към входовете с помощта на променливи резистори R1, R2, чиито плъзгачи трябва да бъдат поставени близо до средното положение преди започване на измерванията. Волтметърът вече е преместен на друго място: той ще покаже разликата в напрежението между директния и обратния вход.
По-добре е този волтметър да е цифров: полярността на напрежението може да се промени, на индикатора на цифровото устройство ще се появи знак минус, а стрелката просто ще излезе от скалата в обратна посока. (Можете да използвате волтметър със стрелка със средна точка на скалата.) В допълнение, входният импеданс на цифров волтметър е много по-висок от този на метър със стрелка, следователно резултатите от измерването ще бъдат по-точни. Състоянието на изхода ще се определя от светодиодния индикатор.
Тук е подходящо да дадете такъв съвет: по-добре е да направите тези прости експерименти със собствените си ръце, а не просто да прочетете и да решите, че всичко е просто и ясно. Това е като да четете урок по китара, без да хванете китарата нито веднъж. И така, да започваме.
Първото нещо, което трябва да направите, е да поставите плъзгачите на променливия резистор на около средно положение, докато напрежението на входовете на операционния усилвател е близо до половината от захранващото напрежение. Чувствителността на волтметъра трябва да бъде максимална, но може би не веднага, а постепенно, за да не изгори устройството.
Да приемем, че изходът на операционния усилвател е нисък и зеленият светодиод свети. Ако това не е така, тогава това състояние може да се постигне чрез завъртане на променливия резистор R1 по такъв начин, че двигателят да се движи надолу по веригата - почти до 0V.
Сега, използвайки променливия резистор R1, ще започнем да добавяме напрежение към директния вход на операционния усилвател (щифт 3), като наблюдаваме показанията на волтметъра. Щом волтметърът покаже положително напрежение (напрежението на директния вход (пин 3) е по-голямо от това на обратния вход (пин 2)), червеният светодиод ще светне. Следователно напрежението на изхода на операционния усилвател е високо или, както е уговорено предварително, логическа единица.
Малка помощ
По-точно дори не логическа единица, а високо ниво: логическа единица показва истинността на сигнала, казват те, събитието е настъпило. Но тази истина, тази логическа единица може да бъде изразена и на ниско ниво. Като пример можем да си припомним интерфейса RS-232, в който логическа единица съответства на отрицателно напрежение, докато логическата нула има положително напрежение. Въпреки че в други схеми логическата единица най-често се изразява с високо ниво.
Да продължим научния експеримент. Нека започнем внимателно и бавно завъртете резистора R1 в обратна посока, следвайки показанията на волтметъра. В определен момент ще покаже нула, но червеният светодиод ще продължи да свети. Малко вероятно е да се хване позицията, в която и двата светодиода са изгасени.
При по-нататъшно въртене на резистора полярността на показанията на волтметъра също ще се промени на отрицателна. Това показва, че напрежението на инверсния вход (2) е по-високо като абсолютна стойност, отколкото на директния вход (3). Зеленият светодиод ще светне, което показва ниско ниво на изхода за работаусилвател. След това можете да продължите да въртите резистора R1 в същата посока, но няма да настъпят промени: зеленият светодиод няма да изгасне и дори няма да промени яркостта изобщо.
Това явление възниква, когато операционният усилвател работи в режим на сравнение, т.е. без отрицателна обратна връзка (понякога дори с PIC). Ако операционният усилвател работи в линеен режим, покрит с отрицателна обратна връзка (NFB), тогава, когато двигателят на резистора R1 се върти, изходното напрежение се променя пропорционално на ъгъла на въртене, прочетете разликата в напрежението на входовете, а не на стъпка. В този случай яркостта на светодиода може да се променя плавно.
От всичко казано по-горе можем да заключим, че напрежението на изхода на операционния усилвател зависи от разликата в напреженията на входовете. В случай, че напрежението на директния вход е по-високо от това на обратния, изходното напрежение е високо. В противен случай (напрежението на инверсията е по-високо от това на директната), изходът е ниво на логическа нула.
В самото начало на този експеримент беше препоръчано да се настроят плъзгачите на резисторите R1, R2 приблизително в средно положение. И какво ще стане, ако първоначално ги настроите на една трета от оборота или две трети? Да, всъщност нищо няма да се промени, всичко ще работи по същия начин, както е описано по-горе. От това можем да заключим, че сигналът на изхода на операционния усилвател не зависи от абсолютната стойност на напреженията на директния и обратния вход. Просто зависи от разликата в напрежението.
От всичко казано по-горе може да се направи още един важен извод: операционен усилвател без обратна връзка е компаратор - сравнително устройство. В този случай към единия вход се подава референтно или примерно напрежение, а към другия се подава напрежение, чиято стойност трябва да се контролира. Кой вход да кандидатствамреферентното напрежение се определя по време на проектирането на веригата.
Като пример, Фигура 4 показва интегралната таймерна схема NE555, на входа на която има 2 вътрешни компаратора DA1 и DA2 наведнъж.
Фигура 4. Схема на интегриран таймер NE555
Целта им е да контролират вътрешния RS тригер. Логиката на управление е доста проста: логическа единица от изхода на компаратора DA2 задава тригера на единица, а логическа единица от изхода на компаратора DA1 нулира тригера.
На резистори R1 ... R3 е монтиран делител, който подава референтни напрежения към входовете на компараторите. И трите резистора имат еднакво съпротивление (5Kom), образувайки напрежения от 2/3 и 1/3 от захранващото напрежение, които се подават съответно на инвертиращия вход DA1 и на неинвертиращия вход DA2.
По отношение на написаното по-горе се оказва, че логическата единица на изхода на компаратора DA1 ще се окаже, ако входното напрежение на директния вход надвиши референтното при обратния (2 / 3Uпит.), Тригерът ще се нулира.
За да зададете тригера на 1, трябва да получите високо ниво на изхода на вътрешния компаратор DA2. Това състояние ще бъде достигнато, когато нивото на напрежението на обратния вход DA2 е по-малко от 1/3Upit. Това е референтното напрежение, което се прилага към директния вход на компаратора DA2.
Целта на описанието на интегрирания таймер NE555 не е зададена тук, само като пример за използване на операционния усилвател, входните компаратори са показани скрити вътре в микросхемата. За тези, които се интересуват от използването на таймер 555, можем да препоръчаме да прочетат статията „Интегрален таймер NE555“.