• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

Вивчення операційних підсилювачів.

Мета: набути навичок складання і аналізу роботи електричних кіл, що містять операційні підсилювачі.

Устаткування: Емулятор електричних кіл Electronics Workbench

Додаткові відомості:

Операційні підсилювачі (ОП) – підсилювачі постійного струму з диференціальним (різницевим) входом і, як правило, єдиним виходом, що мають дуже високий коефіцієнт підсилення.

Операційний підсилювач спочатку був спроектований для виконання математичних операцій (звідси його назва), шляхом використання напруги як аналогової величини. Такий підхід закладався в основу аналогових комп’ютерів, в яких ОП використовувалися для моделювання базових математичних операцій (складання, віднімання, інтегрування, диференціювання і т. д.). Проте ідеальний ОП є багатофункціональним рішенням схемотехніки, він має широкий спектр застосувань окрім математичних операцій.

Операційні підсилювачі здобули популярність як у вигляді окремих мікросхем, так і у вигляді функціональних блоків у складі складніших інтегральних схем. На теперішній час операційні підсилювачі навіть більш поширені, ніж транзистори. Така популярність обумовлена тим, що з розвитком мікросхемотехніки ОП став універсальним блоком з характеристиками, близькими до ідеальних, на основі якого можна побудувати безліч різних електронних вузлів.

На рис. 10.1 наведені схематичні позначення ОП. Призначення виводів наступне:

V₊: неінвертувальний вхід,

V_-: інвертувальний вхід,

V_out: вихід,

V_S+: плюс джерела живлення (також може позначатися як V_SW+, V_DD, V_CC, V_CC+, або +E чи +U_живл),

V_S-: мінус джерела живлення (також може позначатися як V_SW-, V_SS, V_EE, або V_CC-, або –E чи -U_живл).

Вказані п’ять виводів присутні в будь-якому ОП, вони необхідні для його функціонування. Проте, досить часто виводи живлення не позначають задля економії місця на схемах. Це не значить, що вони відсутні, просто їх підключення очевидне і не вимагає додаткового схематичного позначення. До того ж при об’єднані кількох ОП в одній мікросхемі використовуються спільні виводи живлення – два для мікросхеми, а не по два для кожного складового ОП. Емулятор Electronics Workbench дозволяє використовувати як позначення з рис. 10.1, так і скорочені для ОП відомих виробників.

Окрім зазначених, деякі ОП можуть мати додаткові виводи, призначені для установки струму спокою, частотної корекції, балансування (корекції зсуву), тощо.

Принцип роботи ОП описується дуже просто формулою:

V_out = k(V₊ - V_-), (1)

де k – коефіцієнт підсилення ОП (його технічна характеристика). Тобто сигнали на двох входах віднімаються (знаки на схематичному позначенні відповідають математичним операціям). Різниця підсилюється у k разів і передається на вихід. За умови, що розрахована вихідна напруга перевищує напругу живлення (або менша за –живлення) на виході встановлюється величина напруги живлення (або –живлення).

В ідеальному випадку коефіцієнт підсилення ОП є нескінченним. Це значить, що ОП має два стабільні режими: на виході ОП встановлюється напруга +U_живл, якщо на вході сигнал V₊ перевищує V_-, та -U_живл, якщо навпаки. Рівність сигналів з нескінченною точністю не розглядається як неможлива подія. Також для ідеального ОП передбачається нескінченна швидкість перемикання (зміни стану) та ряд інших припущень (вивчіть самостійно).

В реальності коефіцієнт підсилення намагаються зробити якомога більшим. В залежності від дешевизни виготовлення ОП мають k в діапазоні 10⁵ – 10¹⁰. Цих величин в переважній більшості випадків достатньо для того, щоб вважати коефіцієнт підсилення нескінченним і нехтувати неідеальностями при розрахунках.

Для дослідження принципу роботи операційного підсилювача зберемо схему за рис. 10.2: до входу ОП підключимо генератор змінної напруги, для нульового відліку заземлимо неінвертувальний вхід. Оберемо марку операційного підсилювача LM 741. У вікні властивостей визначаємо напругу живлення V_SW+ = 21 В, V_SW‑ = ‑21 В (див. рис. 10.2). Вмикаємо коло і спостерігаємо осцилограму напруг. Оскільки вихід + заземлений, напруга на ньому вважається рівною нулю. Тобто підсилення зазнає величина (0 - V_-) = ‑V_-. Як бачимо з осцилограми (див. рис. 10.2), коли вхідна напруга має позитивне значення на виході діє незмінна негативна напруга ‑21 В. При переході вхідної напруги через нуль відбувається перемикання вихідної напруги до +21 В. За осцилограмою можна помітити одну з неідеальностей – перемикання відбувається не миттєво, ділянки перемикання мають невеликий нахил, що свідчить про певну тривалість процесу перемикання.

Оскільки операційний підсилювач має лише два стабільні стани, сам по собі ОП в реальних колах не використовується. Для реального використання в кола з ОП вводять зворотній зв’язок. Тобто частину вихідного сигналу подають на вхід. За таких умов схеми з ОП набувають різноманітних властивостей.

Для прикладу, розглянемо схему з рис. 10.3.

На схемі реалізований типовий негативний зворотній зв’язок – до виходу підключений подільник напруги (резистори R1 та R2), який частину вихідної напруги передає на інвертувальний вхід ОП.

Нехай, для конкретності, U_вх має деяке позитивне значення. Уявимо, що в момент ввімкнення на інвертувальному вході ОП напруга перевищила величину U_вх. В такому разі на виході встановиться ‑21 В (негативне значення) і частина цієї напруги передасться на інвертувальний вхід. Негативне значення напруги на інвертувальному вході (очевидно, менше за U_вх) призведе до протилежного перемикання. Перемикання будуть продовжуватись доки не встановиться стійке значення, за якого на інвертувальному вході буде напруга рівна U_вх (різниця між входами відсутня). Причому довільні відхилення призведуть до серії перемикань, які це відхилення нівелюють. На виході встановиться напруга, яка при діленні подільником, передасть на вхід величину U_вх. Тобто виконується рівність

,

або

. (2)

Формула (2) свідчить про підсилення вхідного сигналу у разів. Тобто схема на рис. 10.3 насправді є підсилювачем.

Для більш повного опису роботи описаного підсилювача слід зауважити про час реакції ОП на зміни вхідного сигналу. Іншими словами, про час перемикань для встановлення стабільності. Зрозуміло, що для ідеального ОП час перемикання вважається нульовим, тобто встановлення вихідної напруги відбувається миттєво. В реальності, цей час погіршує роботу підсилювача для високих частот (1‑10 МГц). Для менших частот, в переважній більшості випадків, ОП можна вважати ідеальним, особливо для невеликих коефіцієнтів підсилення К.

Розглянемо схему, що реалізує зворотній зв’язок через неінвертувальний вхід (рис. 10.4). Не повторюючи особливості перемикання ОП, зазначимо, що стабільна робота відбувається коли напруги на входах ОП однакові. На інвертувальному вході напруга дорівнює нулю. Відповідно, на неінвертувальному вході має бути нульова напруга. Резистори R1 та R2 включені як подільник напруги між вхідною та вихідною напругою. Зрозуміло, що для досягнення нульового значення в проміжній точці, величини U_вх та U_вих мають бути різних знаків. Відповідно до роботи подільника необхідно виконання умови

, (3)

тобто схема на рис. 10.4 теж є підсилювачем, але з інвертуванням сигналу – сигнал на виході протифазний до вхідного (знак „-” у формулі).

Подібним чином можна складати різні кола з використанням зворотного зв’язку та нелінійних елементів. Наприклад, замінимо резистор R1 у схемі на рис. 10.4 конденсатором. В такому разі умова нульового потенціалу неінвертувального входу можна замінити умовою компенсування струмів резистора та конденсатора i_R=i_C (рис. 10.5).

Врахувавши, що напруга на неінвертувальному вході дорівнює нулю, струм через резистор визначається законом Ома , через конденсатор – за формулою роботи електричної ємності . Оскільки струми мають протилежні напрямки, їх знаки у рівнянні мають бути різними.

Прирівнявши величини зазначених струмів матимемо диференціальне рівняння

,

або, взявши інтеграл та перегрупувавши величини, матимемо

. (4)

Відповідно, схема на рис. 10.5 є інтегратором – колом, напруга на виході якого пропорційна інтегралу від вхідної.

Помінявши місцями резистор та конденсатор, неважко переконатись, що дістанемо диференціатор – коло, в якому вихідна напруга пропорційна похідній від вхідного.

Спробуйте самостійно визначити принцип роботи схеми на рис. 10.5, якщо конденсатор замінити діодом. Для діода можна використовувати термодинамічне припущення, яке визначає струм як , де U – напруга на діоді, k – стала Больцмана, T – термодинамічна температура, e – заряд електрона, i₀ – термострум, що тече діодом при нульовій напрузі. Також розгляньте випадок зміни місцями діода і резистора.

Для практичного дослідження слід підключити сигнал до входу досліджуваного кола, а співвідношення вхідного та вихідного сигналів визначати за допомогою осцилографа. На прикладі підсилювача без інвертування (рис. 10.3) схема набуде вигляду, наведеного на рис. 10.6. Відповідно до значень опорів резисторів, за формулою (2) визначаємо коефіцієнт підсилення К = 2. За співвідношенням осцилограм вхідної та вихідної напруг (в розширеному режимі осцилографа) визначаємо дійсний коефіцієнт підсилення і переконуємось, що він майже не відхиляється від розрахованого значення.

Читайте також:

1. Cтатистичне вивчення причин розлучень.
2. II. Вивчення нового матеріалу
3. II. Вивчення нового матеріалу
4. II. Вивчення нового матеріалу
5. II. Вивчення нового матеріалу.
6. II. Вивчення нового матеріалу.
7. II. Вивчення нового матеріалу.
8. II. Вивчення нового матеріалу.
9. II. Вивчення нового матеріалу.
10. II. Вивчення нового матеріалу.
11. II. Вивчення нового матеріалу.
12. II. Вивчення нового матеріалу.

Переглядів: 2685