Återkoppling operationell förstärkarkrets

komparatorer

Om du använder en operationsförstärkare utan negativ feedback (OOS), kan vi definitivt säga vad som händer komparator. För att förstå hur det fungerar kan du göra några enkla men visuella experiment. Du behöver lite för detta: själva driftsförstärkaren, en strömförsörjning med en spänning på 9 ... 25V, flera motstånd, ett par lysdioder och en voltmeter (digital multimeter).

Den enklaste logiska sonden monteras från lysdioder och motstånd, som visas i figur 1.

När en positiv spänning anbringas på sondingången (du kan till och med mata + U), lyser den röda lysdioden, och om ingången är ansluten till en gemensam tråd, tänds den gröna. Med hjälp av en sådan sond blir utgångsläget för den testade driftsförstärkaren tydlig och förståelig.

Som en experimentell "kanin" passar alla som inte är särskilt högkvalitativa och dyra driftsförstärkaretill exempel KR140UD608 (708) i plastfodral eller K140UD6 (7) i rund metall.

Figur 1. Schema för en enkel logisk sond

Det bör noteras att trots de olika fallen är utskjutningen av dessa mikrokretsar densamma och motsvarar den som visas i diagrammen nedan. Det händer ofta att utskjutningen av plast- och metallhöljen inte matchar, även om de i själva verket är samma mikrokretsar. Nu finns de flesta operativa förstärkare, speciellt importerade, i plastfodral, och allt fungerar bra och perfekt, och det är ingen förvirring med pinouts. Och tidigare kallades sådana "plastiska" mikrokretsar föraktligt "konsumtionsvaror" av specialister.

Bild 2. Schema på en operationsförstärkare

För de första experimenten monterar vi kretsen som visas i figur 2. Inget har gjorts här: själva driftsförstärkaren och den logiska sonden som visas i figur 1 är anslutna till en unipolär kraftkälla. Matningsspänning + U unipolär 9 ... 30V. Storleken på stressen i våra experiment är inte av särskild betydelse.

Här kan en helt legitim fråga uppstå: "Varför är sonden logisk, eftersom operationsförstärkaren är ett analogt element?" Ja, men i det här fallet fungerar den operativa förstärkaren inte i förstärkningsläge utan i komparatorläge och den har bara två utgångsnivåer. En spänning nära 0V kallas en logisk noll, och en spänning nära + U är en logisk enhet. När det gäller bipolär effekt motsvarar en spänning nära –U en logisk noll.

Vid applicering av matningsspänning måste en av lysdioderna vara tänd. Det är omöjligt att besvara frågan vilken, röd eller grön, eftersom allt beror på parametrarna för en viss driftsförstärkare och på externa förhållanden, till exempel nätstörningar. Om du tar flera av samma typ av op-amp, blir resultaten mycket olika.

Spänningen vid utgången från operationsförstärkaren styrs av en voltmeter: om den röda lysdioden är på, kommer voltmeter att visa en spänning nära + U, och om den gröna lysdioden tänds kommer spänningen att vara nästan noll.

Nu kan du försöka applicera lite spänning på ingångarna och titta på indikatorerna och voltmetern hur driftsförstärkaren kommer att bete sig. Det enklaste sättet är att applicera spänning genom att trycka på ett finger i tur och ordning på varje ingång i driftsförstärkaren, och den andra på en av kraftstiften. I det här fallet bör sondens glöd och voltmeteravläsningen förändras. Men dessa förändringar kanske inte inträffar.

Saken är att vissa driftsförstärkare är utformade för att säkerställa att spänningen vid ingångarna är inom vissa gränser: något högre än spänningen på plint 4 och något lägre än matningsspänningen på plint 7. Denna "något lägre, högre" är 1 ... 2B. För att fortsätta experimenten, efter att ha uppfyllt det angivna villkoret, kommer det att vara nödvändigt att montera en lite mer komplicerad krets, visad i figur 3.

Figur 3 Återkopplingsförstärkare driftkretsar

Nu matas spänningen till ingångarna med variabla motstånd R1, R2, vars motorer ska installeras nära mittläget innan mätningarna påbörjas. Voltmeter har nu flyttat till en annan plats: den visar spänningsskillnaden mellan de direkta och inversa ingångarna.

Det är bättre om denna voltmeter är digital: spänningens polaritet kan förändras, ett minustecken kommer att visas på indikatorn för den digitala enheten, och pekarenheten kommer helt enkelt att "rulla över" i motsatt riktning. (Du kan använda en pekare voltmeter med en mittpunkt på skalan.) Dessutom är ingångsresistansen för en digital voltmeter mycket högre än den för en pekare, så mätresultaten blir mer exakta. Utgångsstatus bestäms av LED-indikatorn.

Det är lämpligt att ge sådana råd: det är bättre att göra dessa enkla experiment med dina egna händer, och inte bara läsa och bestämma att allt är enkelt och tydligt. Så här läser du gitarrhandledning, medan du aldrig tar upp gitarren. Så låt oss komma igång.

Det första man ska göra är att ställa in de variabla motståndsmotorerna till ungefär mittpositionen, medan spänningen vid ingångarna på driftsförstärkaren är nära halva matningsspänningen. Känsligheten för voltmeter bör maximeras, men kanske inte omedelbart, men gradvis, för att inte bränna enheten.

Anta att utgången från driftsförstärkaren är låg, den gröna lysdioden är på. Om detta inte är så kan detta tillstånd uppnås genom att vrida det variabla motståndet R1 på ett sådant sätt att motorn rör sig nerför kretsen - det kan vara praktiskt taget upp till 0V.

Nu, med det variabla motståndet R1, börjar vi lägga till spänning till den direkta ingången till driftsförstärkaren (stift 3), med iakttagelse av voltmeteravläsningarna. Så snart voltmeter visar en positiv spänning (spänningen vid den direkta ingången (terminal 3) är större än den på invers (terminal 2)) kommer den röda lysdioden att lysa. Därför är spänningen vid operationsförstärkarens utgång hög eller, som tidigare överenskommits, en logisk enhet.

Lite hjälp

Mer exakt, inte ens en logisk enhet, utan en hög nivå: en logisk enhet indikerar sanningen för signalen, säger de, en händelse har inträffat. Men denna sanning, denna logiska enhet kan uttryckas och låg nivå. Som ett exempel kan vi återkalla RS-232-gränssnittet, där en negativ spänning motsvarar en logisk enhet, medan en logisk noll har en positiv spänning. Även om det i andra scheman uttrycks den logiska enheten oftast på en hög nivå.

Vi fortsätter vår vetenskapliga erfarenhet. Vi börjar försiktigt och långsamt rotera motståndet R1 i motsatt riktning, efter voltmeter. Vid en viss punkt kommer den att visa noll, men den röda lysdioden tänds fortfarande. Det är osannolikt att man kommer i en position där båda lysdioderna är avstängda.

Vid ytterligare rotation av motståndet kommer även spänningsmätningens polaritet att ändras till negativ. Detta antyder att spänningen vid inversingången (2) i absolutvärde är högre än vid direktingången (3). Den gröna lysdioden tänds, vilket indikerar en låg nivå vid utgången från driftsförstärkaren. Efter det kan du fortsätta att rotera motståndet R1 i samma riktning, men inga förändringar kommer att ske: den gröna lysdioden slocknar inte och ändrar inte ens ljusstyrkan alls.

Detta fenomen uppstår när den operativa förstärkaren är i komparatorläge, d.v.s. utan negativ feedback (ibland även med PIC).Om op-amp fungerar i linjärt läge, täcks av negativ återkoppling (OOS), när motståndet R1-motorn roterar, ändras utgångsspänningen i proportion till rotationsvinkeln, läs spänningsskillnaden vid ingångarna, och inte alls ett steg. I det här fallet kan ljusstyrkan på lysdioden ändras smidigt.

Av alla ovanstående kan vi dra slutsatsen: spänningen vid utgången från driftsförstärkaren beror på skillnaden i spänning vid ingångarna. I fallet där spänningen vid direktingången är högre än vid den omvända, är utgångsspänningen hög. Annars (spänningen på invers är högre än på den direkta), utgångsnivån är en logisk noll.

I början av detta experiment rekommenderades det att installera motståndsmotorerna R1, R2 ungefär i mittläget. Och vad händer om du ursprungligen sätter dem till en tredjedel av omsättningen eller två tredjedelar? Ja, faktiskt kommer ingenting att förändras, allt fungerar på samma sätt som beskrivits ovan. Av detta kan vi dra slutsatsen att signalen vid utgången från driftsförstärkaren inte beror på spänningens absoluta värde vid de direkta och omvända ingångarna. Och det beror bara på spänningsskillnaden.

Från allt som har sagts kan en viktigare slutsats göras: en operativ förstärkare utan återkoppling är en komparator - en komparator. I detta fall appliceras referens- eller referensspänningen på en ingång, och spänningen, vars värde måste styras, till den andra ingången. Vilken ingång som ska mata referensspänningen avgörs under utvecklingen av kretsen.

Som ett exempel visar figur 4 ett diagram. integrerad timer NE555där ingången omedelbart finns 2 interna komparatorer DA1 och DA2.

Figur 4Integrerad tidkrets NE555

Deras syfte är att hantera det interna RS trigger. Styrlogiken är ganska enkel: den logiska enheten från utgången från komparatorn DA2 sätter utlösaren till en, och den logiska enheten från utgången från komparatorn DA1 återställer utlösaren.

En delare är monterad på motstånd R1 ... R3, som levererar referensspänningar till komparatorernas ingångar. Alla tre motstånd har samma motstånd (5K) och bildar 2/3 och 1/3 av matningsspänningen, som tillförs respektive inverterande ingång DA1 och till den icke-inverterande ingången DA2.

När det gäller vad som har skrivits ovan visar det sig att den logiska enheten vid utgången från komparatorn DA1 erhålls om ingångsspänningen vid direktingången överstiger referensspänningen vid invers (2 / 3Upit), utlösaren återställs till noll.

För att ställa in avtryckaren till 1 måste du få en hög nivå vid utgången från den interna komparatorn DA2. Detta tillstånd uppnås när spänningsnivån vid den inverterade ingången DA2 är mindre än 1 / 3Upit. Det är en sådan referensspänning som appliceras på den direkta ingången till komparatorn DA2.

Här fastställs inte målet med att beskriva NE555-integrerad timer, precis som ett exempel på att använda op-förstärkaren, visas ingångs-komparatorer dolda i mikrokretsen. För dig som är intresserad av att använda 555-timer kan du rekommendera att du läser artikeln "Integrerad timer NE555".

Se även: Feedback Operativa förstärkarkretsar

Boris Aladyshkin