Схеми включення операційних підсилювачів без зворотного зв'язку

Компаратори

Якщо використовувати операційний підсилювач без негативного зворотного зв'язку (ООС), то однозначно можна говорити про те, що вийде компаратор. Для того, щоб розібратися як же він працює, можна виконати кілька простих, але наочних дослідів. Для цього знадобиться небагато: власне операційний підсилювач, блок живлення з напругою 9 ... 25В, кілька резисторів, пара світлодіодів і вольтметр (цифровий мультиметр).

З світлодіодів і резисторів збирається найпростіший логічний пробник, як показано на малюнку 1.

При подачі на вхід пробника позитивної напруги (можна навіть подати + U) світиться червоний світлодіод, а якщо вхід з'єднати з загальним проводом, то запалиться зелений. За допомогою такого пробника стан виходу випробовується операційного підсилювача стає наочним і зрозумілим.

В якості піддослідного «кролика» підійде будь-який, не особливо якісний і дорогий операційний підсилювач, наприклад КР140УД608 (708) в пластмасових корпусах або К140УД6 (7) в круглих металевих.

Малюнок 1. Схема простого логічного пробника

Слід при цьому зазначити, що незважаючи на різні корпуси, цоколевка цих мікросхем однакова і відповідає показаної на схемах нижче. Найчастіше трапляється, що цоколевка пластмасових та металевих корпусів не збігається, хоча по суті справи це однакові мікросхеми. Зараз велика частина операційних підсилювачів, особливо імпортних, випускаються в пластмасових корпусах, і все працює добре і прекрасно, і ніякої плутанини з Цоколевка. А раніше такі «пластмасові» мікросхеми у фахівців презирливо називалися «ширвжиткового».

Малюнок 2. Схема на операційному підсилювачі

Для перших дослідів зберемо схему, показану на малюнку 2. Тут зроблено не так вже й багато: до однополярного джерела живлення підключений власне операційний підсилювач і показаний на малюнку 1 логічний пробник. Напруга живлення + U однополярної величиною 9 ... 30В. Величина напруги в наших дослідах особливого значення не має.

Ось тут може виникнути цілком законне питання: «Чому ж пробник логічний, адже операційний підсилювач аналоговий елемент?». Так, але в даному випадку операційний підсилювач працює не в режимі посилення, а в режимі компаратора, і на виході має всього два рівні. Напруга близьке до 0В, називається логічним нулем, а напруга близьке до + U логічною одиницею. У разі двополярного живлення логічному нулю відповідає напруга близьке до -U.

При подачі напруги живлення один з світлодіодів обов'язково повинен засвітитися. На питання який, червоний або зелений відповісти не можна, оскільки все залежить від параметрів конкретного операційного підсилювача і від зовнішніх умов, наприклад від мережевих наведень. Якщо взяти кілька однотипних ОУ, то результати будуть самі різні.

Напруга на виході операційного підсилювача контролюється вольтметром: якщо світиться червоний світлодіод, то вольтметр покаже напругу близьке до + U, а в разі світіння зеленого світлодіода напруга буде майже нульове.

Тепер можна спробувати подати на входи які-небудь напруги і подивитися за індикаторами і вольтметру як буде вести себе операційний підсилювач. Найпростіше подати напруги торкнувшись одним пальцем по черзі кожного входу операційного підсилювача, а іншим одного з висновків харчування. При цьому має змінитися світіння пробника і показання вольтметра. Але цих змін може і не відбутися.

Вся справа в тому, що деякі операційні підсилювачі розраховані на те, що напруга на входах знаходиться в певних межах: трохи вище, ніж напруга на виводі 4 і трохи нижче, ніж напруга живлення на виведенні 7. Це «дещо нижче, вище» становить 1 ... 2В. Щоб продовжити досліди, виконавши зазначена умова, доведеться зібрати трохи більш складну схему, показану на малюнку 3.

Малюнок 3. Схеми включення операційного підсилювача без зворотного зв'язку

Тепер напруга на входи подається за допомогою змінних резисторів R1, R2, движки яких слід перед початком вимірювань встановити поблизу середнього положення. Вольтметр тепер перемістився в інше місце: він буде показувати різницю напруг між прямим і інверсним входами.

Краще, якщо цей вольтметр буде цифровий: полярність напруги може змінюватися, на індикаторі цифрового приладу здасться знак «мінус», а стрілочний прилад просто «зашкалит» у зворотний бік. (Можна застосувати стрілочний вольтметр з середньою точкою шкали.) До того ж вхідний опір цифрового вольтметра набагато вище, ніж у стрілочного, отже результати вимірювань вийдуть точніше. Стан виходу будемо визначити по світлодіодному індикатору.

Тут доречно дати таку пораду: краще ці прості досліди проробити своїми руками, а не просто прочитати і вирішити, що все просто і зрозуміло. Це як прочитати самовчитель гри на гітарі, при цьому гітару не взявши жодного разу в руки. Отже, почнемо.

Перше, що треба зробити це встановити движки змінних резисторів приблизно в середнє положення, при цьому напруга на входах операційного підсилювача близько до половини напруги живлення. Чутливість вольтметра слід зробити максимальною, але, можливо, не відразу, а поступово, щоб не спалити прилад.

Припустимо, що на виході операційного підсилювача низький рівень, світиться зелений світлодіод. Якщо це не так, то такого стану можна добитися, обертаючи змінний резистор R1 таким чином, щоб движок переміщувався вниз за схемою - можна практично до 0В.

Тепер за допомогою змінного резистора R1 почнемо додавати напруга на прямому вході операційного підсилювача (висновок 3), спостерігаючи за показаннями вольтметра. Як тільки вольтметр покаже позитивне напруга (напруга на прямому вході (висновок 3) більше, ніж на інверсному (висновок 2)) запалиться червоний світлодіод. Отже напруга на виході операційного підсилювача високе або, як умовилися раніше, логічна одиниця.

Невелика довідка

Точніше навіть не логічна одиниця, а високий рівень: логічна одиниця позначає істинність сигналу, мовляв, подія сталася. Але ця істинність, ця логічна одиниця може бути виражена і низьким рівнем. Як приклад можна згадати інтерфейс RS-232, в якому логічній одиниці відповідає негативна напруга, в той час як логічний нуль має позитивне напруга. Хоча в інших схемах логічна одиниця найчастіше виражається високим рівнем.

Продовжимо науковий досвід. Почнемо обережно і повільно обертати резистор R1 у зворотний бік, стежачи за показаннями вольтметра. У певний момент він покаже нуль, але червоний світлодіод ще буде світитися. Зловити становище в якому обидва світлодіода погашені навряд чи вдасться.

При подальшому обертанні резистора полярність показань вольтметра також зміниться на негативну. Це говорить про те, що напруга на інверсному вході (2) за абсолютним значенням вище, ніж на прямому вході (3). Запалиться зелений світлодіод, що говорить про низький рівень на виході операційного підсилювача. Після цього можна продовжувати обертати резистор R1 в тому ж напрямку, але змін ніяких не станеться: зелений світлодіод згасне і навіть ніскільки не змінить яскравість.

Таке явище має місце коли операційний підсилювач працює в режимі компаратора, тобто без негативного зворотного зв'язку (іноді навіть з ПОС). Якщо ж ОУ працює в лінійному режимі, охоплений негативним зворотним зв'язком (ООС), то при обертанні движка резистора R1 напруга на виході змінюється пропорційно куту повороту, читай різниці напруг на входах, а зовсім не сходинкою. У цьому випадку яскравість світлодіода можна змінювати плавно.

З усього сказаного можна зробити висновок: напруга на виході операційного підсилювача залежить від різниці напруг на входах. У випадку, коли напруга на прямому вході вище, ніж на інверсному, вихідна напруга має високий рівень. В іншому випадку (напруга на інверсному вище, ніж на прямому) на виході рівень логічного нуля.

На самому початку цього експерименту було рекомендовано встановити движки резисторів R1, R2 приблизно в середнє положення. А що буде, якщо спочатку встановити їх на третю частину обороту або на дві третини? Та власне нічого не зміниться, все буде працювати також, як було описано вище. З цього можна зробити висновок, що сигнал на виході операційного підсилювача не залежить від абсолютного значення напруг на прямому і інверсному входах. А залежить тільки від різниці напруг.

З усього сказаного можна зробити ще один важливий висновок: операційний підсилювач без зворотного зв'язку являє собою компаратор - сравнивающее пристрій. У такому випадку на один вхід подається опорна або зразкове напруга, а на іншій напругу, величину якого треба контролювати. На який вхід подавати опорна напруга вирішується в процесі розробки схеми.

Як приклад на малюнку 4 показана схема інтегрального таймера NE555, на вході якого є відразу два внутрішніх компаратора DA1 і DA2.

Малюнок 4. Схема інтегрального таймера NE555

Їх призначення - управління внутрішнім RS тригером. Логіка управління достатньо проста: логічна одиниця з виходу компаратора DA2 встановлює тригер в одиницю, а логічна одиниця з виходу компаратора DA1 скидає тригер.

На резисторах R1 ... R3 зібраний дільник, що подає опорні напруги на входи компараторів. Всі три резистори мають однакові опору (5ком), що формують напруги 2/3 і 1/3 напруги живлення, які подані, відповідно, на інвертується вхід DA1 і на неінвертуючий вхід DA2.

У плані того, що було написано вище, виходить, що логічна одиниця на виході компаратора DA1 вийде в тому випадку, якщо вхідна напруга на прямому вході перевищить опорне на інверсному (2 / 3Uпіт.), Тригер скинеться в нуль.

Для того, щоб встановити тригер в 1, потрібно отримати високий рівень на виході внутрішнього компаратора DA2. Такий стан буде досягнуто коли рівень напруги на інверсному вході DA2 буде менше 1 / 3Uпіт. Саме таке опорне напруги подано на прямий вхід компаратора DA2.

Тут не ставиться мета опису інтегрального таймера NE555, просто як приклад використання ОУ показані вхідні компаратори, захований всередині мікросхеми. Для тих, кому цікаво застосування таймера 555, можна рекомендувати для прочитання статтю «Інтегральний таймер NE555».

Дивіться також: Схеми на операційних підсилювачах зі зворотним зв'язком

Борис Аладишкін