Rückkopplungs-Operationsverstärkerschaltung

Komparatoren

Wenn Sie einen Operationsverstärker ohne negative Rückkopplung (OOS) verwenden, können wir definitiv sagen, was passiert Komparator. Um zu verstehen, wie es funktioniert, können Sie einige einfache, aber visuelle Experimente durchführen. Dazu benötigen Sie ein wenig: den Operationsverstärker selbst, ein Netzteil mit einer Spannung von 9 ... 25 V, mehrere Widerstände, ein Paar LEDs und ein Voltmeter (Digitalmultimeter).

Die einfachste Logiksonde besteht aus LEDs und Widerständen, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Wenn eine positive Spannung an den Sondeneingang angelegt wird (Sie können sogar + U anlegen), leuchtet die rote LED auf, und wenn der Eingang an ein gemeinsames Kabel angeschlossen ist, leuchtet die grüne LED auf. Mit Hilfe einer solchen Sonde wird der Ausgangszustand des getesteten Operationsverstärkers klar und verständlich.

Als experimentelles „Kaninchen“ ist jedes geeignet, das nicht sehr hochwertig und teuer ist OperationsverstärkerZum Beispiel KR140UD608 (708) in Kunststoffgehäusen oder K140UD6 (7) in rundem Metall.

Abbildung 1. Schema einer einfachen logischen Sonde

Es ist zu beachten, dass trotz der unterschiedlichen Fälle die Pinbelegung dieser Mikroschaltungen gleich ist und der in den folgenden Diagrammen gezeigten entspricht. Es kommt häufig vor, dass die Pinbelegung von Kunststoff- und Metallgehäusen nicht übereinstimmt, obwohl es sich tatsächlich um dieselben Mikroschaltungen handelt. Jetzt sind die meisten Operationsverstärker, insbesondere die importierten, in Kunststoffgehäusen erhältlich, und alles funktioniert gut und perfekt, und es gibt keine Verwechslungen mit den Pinbelegungen. Und früher wurden solche "Kunststoff" -Mikroschaltungen von Spezialisten verächtlich als "Konsumgüter" bezeichnet.

Abbildung 2. Schema eines Operationsverstärkers

Für die ersten Experimente bauen wir die in Abbildung 2 gezeigte Schaltung zusammen. Hier wurde nicht viel getan: Der Operationsverstärker selbst und die in Abbildung 1 gezeigte logische Sonde sind an eine unipolare Stromquelle angeschlossen. Versorgungsspannung + U unipolar 9 ... 30V. Das Ausmaß der Belastung in unseren Experimenten ist nicht von besonderer Bedeutung.

Hier kann sich eine völlig berechtigte Frage stellen: "Warum ist die Sonde logisch, weil der Operationsverstärker ein analoges Element ist?" Ja, aber in diesem Fall arbeitet der Operationsverstärker nicht im Verstärkungsmodus, sondern im Komparatormodus und hat nur zwei Ausgangspegel. Eine Spannung nahe 0 V wird als logische Null bezeichnet, und eine Spannung nahe + U ist eine logische Einheit. Bei bipolarer Leistung entspricht eine Spannung nahe –U einer logischen Null.

Beim Anlegen einer Versorgungsspannung muss eine der LEDs leuchten. Es ist unmöglich, die Frage zu beantworten, ob rot oder grün, da alles von den Parametern eines bestimmten Operationsverstärkers und von externen Bedingungen abhängt, beispielsweise von Netzwerkstörungen. Wenn Sie mehrere gleiche Operationsverstärkertypen verwenden, sind die Ergebnisse sehr unterschiedlich.

Die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers wird von einem Voltmeter gesteuert: Wenn die rote LED leuchtet, zeigt das Voltmeter eine Spannung nahe + U an, und wenn die grüne LED leuchtet, ist die Spannung nahezu Null.

Jetzt können Sie versuchen, eine Spannung an die Eingänge anzulegen und sich die Anzeigen und das Voltmeter ansehen, wie sich der Operationsverstärker verhält. Am einfachsten ist es, Spannung anzulegen, indem Sie einen Finger nacheinander an jedem Eingang des Operationsverstärkers und den anderen an einem der Leistungsstifte berühren. In diesem Fall sollten sich das Leuchten der Sonde und der Voltmeterwert ändern. Diese Änderungen treten jedoch möglicherweise nicht auf.

Die Sache ist, dass einige Operationsverstärker so ausgelegt sind, dass die Eingangsspannung innerhalb bestimmter Grenzen liegt: etwas höher als die Spannung an Klemme 4 und etwas niedriger als die Versorgungsspannung an Klemme 7. Dies ist "etwas niedriger, höher" ist 1 ... 2B. Um die Experimente fortzusetzen, nachdem die angegebene Bedingung erfüllt ist, muss ein etwas komplexeres Schema zusammengestellt werden (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3 Betriebsschaltung des Rückkopplungsverstärkers

Jetzt wird die Spannung mit variablen Widerständen R1, R2 an die Eingänge geliefert, deren Motoren vor Beginn der Messungen in der Nähe der Mittelstellung installiert werden sollten. Das Voltmeter ist jetzt an einen anderen Ort umgezogen: Es zeigt die Spannungsdifferenz zwischen dem direkten und dem inversen Eingang an.

Es ist besser, wenn dieses Voltmeter digital ist: Die Polarität der Spannung kann sich ändern, auf der Anzeige des digitalen Geräts erscheint ein Minuszeichen, und das Zeigergerät „rollt“ einfach in die entgegengesetzte Richtung. (Sie können ein Zeigervoltmeter mit einem Mittelpunkt auf der Skala verwenden.) Außerdem ist der Eingangswiderstand eines digitalen Voltmeters viel höher als der eines Zeigers, sodass die Messergebnisse genauer sind. Der Ausgangsstatus wird durch die LED-Anzeige bestimmt.

Es ist angebracht, solche Ratschläge zu geben: Es ist besser, diese einfachen Experimente mit Ihren eigenen Händen durchzuführen und nicht nur zu lesen und zu entscheiden, dass alles einfach und klar ist. So lesen Sie das Gitarren-Tutorial, ohne die Gitarre zu lernen. Also fangen wir an.

Als erstes müssen die Motoren mit variablem Widerstand auf ungefähr die mittlere Position eingestellt werden, während die Spannung an den Eingängen des Operationsverstärkers nahe der Hälfte der Versorgungsspannung liegt. Die Empfindlichkeit des Voltmeters sollte maximiert werden, aber möglicherweise nicht sofort, sondern allmählich, um das Gerät nicht zu verbrennen.

Angenommen, der Ausgang des Operationsverstärkers ist niedrig, die grüne LED leuchtet. Ist dies nicht der Fall, kann dieser Zustand erreicht werden, indem der variable Widerstand R1 so gedreht wird, dass sich der Motor im Stromkreis bewegt - er kann praktisch bis zu 0 V betragen.

Mit dem variablen Widerstand R1 beginnen wir nun, dem direkten Eingang des Operationsverstärkers (Pin 3) Spannung hinzuzufügen, wobei wir die Voltmeterwerte beobachten. Sobald das Voltmeter eine positive Spannung anzeigt (die Spannung am direkten Eingang (Klemme 3) ist größer als die am inversen Eingang (Klemme 2)), leuchtet die rote LED. Daher ist die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers hoch oder, wie zuvor vereinbart, eine logische Einheit.

Ein bisschen Hilfe

Genauer gesagt, nicht einmal eine logische Einheit, sondern eine hohe Ebene: Eine logische Einheit zeigt die Wahrheit des Signals an, sie sagen, ein Ereignis ist aufgetreten. Aber diese Wahrheit, diese logische Einheit kann ausgedrückt werden und auf niedrigem Niveau. Als Beispiel können wir uns an die RS-232-Schnittstelle erinnern, bei der eine negative Spannung einer logischen Einheit entspricht, während eine logische Null eine positive Spannung hat. Obwohl in anderen Schemata die logische Einheit am häufigsten auf einer hohen Ebene ausgedrückt wird.

Wir setzen unsere wissenschaftliche Erfahrung fort. Wir beginnen vorsichtig und langsam den Widerstand R1 in die entgegengesetzte Richtung zu drehen, wobei wir dem Voltmeter folgen. Ab einem bestimmten Punkt wird Null angezeigt, die rote LED leuchtet jedoch weiterhin. Es ist unwahrscheinlich, dass eine Position erfasst wird, in der beide LEDs ausgeschaltet sind.

Bei weiterer Drehung des Widerstands ändert sich auch die Polarität der Voltmeterwerte auf negativ. Dies legt nahe, dass die Spannung am inversen Eingang (2) im absoluten Wert höher ist als am direkten Eingang (3). Die grüne LED leuchtet auf und zeigt einen niedrigen Pegel am Ausgang des Operationsverstärkers an. Danach können Sie den Widerstand R1 weiter in die gleiche Richtung drehen, es treten jedoch keine Änderungen auf: Die grüne LED erlischt nicht und ändert nicht einmal die Helligkeit.

Dieses Phänomen tritt auf, wenn sich der Operationsverstärker im Komparatormodus befindet, d.h. ohne negatives Feedback (manchmal sogar mit PIC).Wenn der Operationsverstärker im linearen Modus arbeitet und durch negative Rückkopplung (OOS) abgedeckt ist, ändert sich die Ausgangsspannung proportional zum Drehwinkel, liest die Spannungsdifferenz an den Eingängen und überhaupt keinen Schritt, wenn sich der Motor des Widerstands R1 dreht. In diesem Fall kann die Helligkeit der LED reibungslos geändert werden.

Aus alledem können wir schließen: Die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers hängt von der Spannungsdifferenz an den Eingängen ab. In dem Fall, in dem die Spannung am direkten Eingang höher ist als am inversen, ist die Ausgangsspannung hoch. Andernfalls (die Spannung auf der Inversen ist höher als auf der direkten) ist der Ausgangspegel eine logische Null.

Zu Beginn dieses Experiments wurde empfohlen, die Widerstandsmotoren R1, R2 ungefähr in der mittleren Position zu installieren. Und was passiert, wenn Sie sie zunächst auf ein Drittel des Umsatzes oder zwei Drittel einstellen? Ja, eigentlich wird sich nichts ändern, alles wird auf die gleiche Weise wie oben beschrieben funktionieren. Daraus können wir schließen, dass das Signal am Ausgang des Operationsverstärkers nicht vom Absolutwert der Spannungen an den direkten und inversen Eingängen abhängt. Und es kommt nur auf die Spannungsdifferenz an.

Aus all dem, was gesagt wurde, kann eine weitere wichtige Schlussfolgerung gezogen werden: Ein Operationsverstärker ohne Rückkopplung ist ein Komparator - ein Komparator. In diesem Fall wird die Referenz oder Referenzspannung an einen Eingang und die Spannung, deren Wert gesteuert werden muss, an den anderen Eingang angelegt. Welcher Eingang zur Versorgung der Referenzspannung dient, wird bei der Entwicklung der Schaltung festgelegt.

Abbildung 4 zeigt beispielhaft ein Diagramm. integrierter Timer NE555an deren Eingang sich sofort 2 interne Komparatoren DA1 und DA2 befinden.

Abbildung 4Integrierte Zeitschaltung NE555

Ihr Zweck ist es, das Interne zu verwalten RS-Trigger. Die Steuerlogik ist recht einfach: Die logische Einheit vom Ausgang des Komparators DA2 setzt den Trigger auf eins, und die logische Einheit vom Ausgang des Komparators DA1 setzt den Trigger zurück.

An den Widerständen R1 ... R3 ist ein Teiler montiert, der die Eingänge der Komparatoren mit Referenzspannungen versorgt. Alle drei Widerstände haben den gleichen Widerstand (5K) und bilden 2/3 bzw. 1/3 der Versorgungsspannung, die dem invertierenden Eingang DA1 bzw. dem nichtinvertierenden Eingang DA2 zugeführt werden.

In Bezug auf das, was oben geschrieben wurde, stellt sich heraus, dass die logische Einheit am Ausgang des Komparators DA1 erhalten wird, wenn die Eingangsspannung am direkten Eingang die Referenzspannung am inversen (2 / 3Upit) überschreitet, wird der Trigger auf Null zurückgesetzt.

Um den Trigger auf 1 zu setzen, müssen Sie am Ausgang des internen Komparators DA2 einen hohen Pegel erhalten. Dieser Zustand wird erreicht, wenn der Spannungspegel am invertierten Eingang DA2 weniger als 1 / 3Upit beträgt. Es ist eine solche Referenzspannung, die an den direkten Eingang des Komparators DA2 angelegt wird.

Hier ist das Ziel der Beschreibung des integrierten Timers NE555 nicht festgelegt, nur als Beispiel für die Verwendung des Operationsverstärkers werden Eingangskomparatoren im Mikrokreislauf versteckt dargestellt. Für diejenigen, die an der Verwendung des 555-Timers interessiert sind, können Sie das Lesen des Artikels empfehlen "Integrierter Timer NE555".

Siehe auch: Rückkopplungs-Operationsverstärkerschaltungen

Boris Aladyshkin