Активный детектор
Детектор (однополупериодный выпрямитель) предназначен для передачи на выход сигналов только одной полярности. При подаче на вход детектора сигнала другой полярности, на выходе детектора устанавливается уровень 0 В.
Классическая схема активного детектора на ОУ приведена на рисунке ниже:
Схема при подаче на выход положительных значений входного сигнала (Uвх > 0) ведёт себя как повторитель. Нелинейность вольтамперной характеристики диода и величина прямого падения напряжения Uпр компенсируются ООС. При Uвх < 0, Uвых = 0 В.
Существенным недостатком схемы является переход DA1 в режим насыщения при подаче на вход отрицательного напряжения: это приводит к искажениям выходного сигнала при переходах нуля входным сигналом.
Усовершенствованная схема активного детектора на ОУ при отрицательных значениях входного сигнала ведёт себя как инвертирующий повторитель. При положительных значениях входного сигнала за счёт обратной связи через диод VD2 на выходе левого по схеме ОУ устанавливается напряжение, равное 2Uпр.
Активный пиковый детектор
Активный пиковый детектор служит для нахождения наибольшего значения входного сигнала:
Когда напряжение на входе схемы больше, чем на конденсаторе C1, диод VD1 открывается, и напряжения на входе детектора и на конденсаторе C1 выравниваются. Сброс хранящегося в C1 значения производится замыканием ключа S1.
Активный ограничитель сигнала
Схема активного ограничителя сигнала на ОУ приведена ниже:
Напряжение Uвых на выходе схемы не может превышать значение Uогр: при значениях Uвх < Uогр входное напряжение Uвх подаётся на неинвертирующий вход повторителя DA2. При Uвх > Uогр напряжение на выходе DA1 открывает диод VD1, DA1 начинает работать как повторитель, напряжение на выходе DA2 Uвых = Uогр.
Нахождение абсолютного значения напряжения сигнала
Абсолютное значение (модуль) напряжения входного сигнала находят с помощью активного двухполупериодного выпрямителя на двух ОУ:
При отрицательном значении входного напряжения диод VD1 открыт и положительное напряжение с выхода DA1 поступает на неинвертирующий вход DA2:
При положительном значении входного напряжения открыт диод VD2 и отрицательное напряжение с выхода DA1 поступает на инвертирующий вход DA2:
При равенстве сопротивлений всех резисторов в схеме получаем:
Умножение и деление аналоговых сигналов
Иногда при обработке сигналов их требуется перемножить или поделить. В аналоговых вычислительных устройствах умножение и деление производят с помощью логарифмических преобразователей.
Перед началом логарифмического преобразования нам нужно выделить модуль, допустим, с помощью активного двухполупериодного выпрямителя, и определить знак, например, с помощью компаратора.
Затем всё как на старой доброй логарифмической линейке: произведение абсолютных значений (модулей) аналоговых сигналов равно сумме их логарифмов, а частное – разности, возведение в квадрат тождественно умножению логарифмического значения на два, а взять квадратный корень можно, уменьшив логарифм в два раза.
Сумму и разность логарифмов можно получить с помощью суммирующего и разностного звеньев, описанных в предыдущей публикации. Умножить на коэффициент можно с помощью пропорционального звена (см. первую и вторую части цикла) для K > 1 или делителя напряжения для 1 > K > 0.
Преобразовать линейное значение сигнала в логарифмическое можно с помощью логарифмического преобразователя. Схема логарифмического преобразователя, приведённого ниже, корректно работает с положительными значениями входного сигнала:
В цепи обратной связи можно использовать диод, но применение транзистора вместо диода даёт существенный выигрыш в плане температурной стабильности.
Обратное преобразование, из логарифмического представления в линейное, производит схема экспоненциального преобразователя, приведённая ниже:
По мере развития вычислительной мощности цифровых устройств тема аналогового умножения, деления и вычисления интеграла и производной по времени становится всё менее и менее актуальной. Тем не менее, специализированные микросхемы перемножителей напряжений по-прежнему выпускаются промышленностью.
Компаратор на ОУ. Триггер Шмитта
Компаратор позволяет сравнить напряжение входного сигнала с опорным напряжением. Схема компаратора представляет собой ОУ без ООС. Опорное напряжение на приведённой ниже схеме подаётся на неинвертирующий вход:
Если напряжение на инвертирующем входе больше опорного, на выходе появляется отрицательное напряжение насыщения. Если меньше, то – положительное.
Недостатком этой схемы является эффект «дробления фронтов»: шум, который появляется в момент переключения.
От «дробления фронтов» избавляются введением в схему компаратора небольшой положительной обратной связи (ПОС). Номинал резистора R1 – порядка 100 кОм. Схема обладает гистерезисом и называется «триггером Шмитта»:
Для формирования сигналов цифровых логических уровней на выход компаратора или триггера Шмитта подключают транзисторный ключ с открытым коллектором (стоком).
Компараторы и триггеры Шмитта, в том числе с однополярным питанием и с преобразованием уровней, выпускаются промышленностью в большом ассортименте. В современной разработке целесообразно применять серийные образцы этих устройств.
Источник опорного напряжения
Операционные усилители в качестве источника опорного напряжения широко применялись до распространения специализированных микросхем линейных стабилизаторов типа LM317 или 78хх (79хх). На рисунке ниже приведена схема стабилизированного источника напряжения на ОУ:
Опорное напряжение Uоп со стабилитрона VD1 подаётся на неинвертирующий вход ОУ. На инвертирующий вход подаётся сигнал с делителя напряжения R2, R3. Если напряжение на инвертирующем входе больше Uоп, транзистор VT1 закрывается отрицательным напряжением на выходе ОУ. Когда напряжение на инвертирующем входе становится меньше Uоп, транзистор VT1 открывается.
В «динамике» схема работает как пропорциональный регулятор с колебательным переходным процессом. В современной разработке целесообразно применять серийные образцы интегральных линейных стабилизаторов.
Источник тока
На схеме ниже изображён стабилизированный источник тока:
На регулирующий вход интегрального стабилизатора напряжения LM317 подаётся напряжение с выхода ОУ, обратно пропорциональное падению напряжения на резисторе R1. Поскольку напряжение на регулирующем входе микросхемы LM317 должно быть равно 1,25 В, то значение выходного тока считается по формуле:
Усилитель мощности
Усилители мощности с двухполярным питанием на основе ОУ были чрезвычайно популярны в конце прошлого века. В современной разработке превалируют интегральные усилители мощности на специализированных микросхемах.
На левой части рисунка изображён усилитель мощности на ОУ с непосредственной разгрузкой по току. Выходные транзисторы включены без смещения на базах, т. работают в «классе B». Схема охвачена ООС. Характерные для этого режима работы искажения типа «ступенька» дополнительно компенсируются передачей на выход усилителя мощности сигналов непосредственно с выхода ОУ через резистор R3. Это происходит, когда выходные транзисторы ещё не открыты или находятся на нелинейном участке характеристики.
На правой части рисунка изображён усилитель мощности на ОУ с косвенной разгрузкой по току. Выходные транзисторы работают в «классе AB», входным сигналом каскада служит падение напряжения на резисторах в цепях питания ОУ. Нелинейность схемы компенсируется ООС.
▍ От автора
В данной публикации предоставлен большой фактический объём сведений о схемах на ОУ с нелинейными элементами в цепях обратной связи.
Разработка усилителей мощности или источников питания на ОУ в современном мире может и не потребоваться, но знание того, что таится в недрах специализированных микросхем, ещё никому не помешало.
Из следующей публикации цикла мы узнаем, как реализовать на ОУ активный фильтр и генератор.
Данный цикл публикаций состоит из шести частей. Краткое содержание публикаций:
Предпосылки появления ОУ. «Идеальный» операционный усилитель. Инвертирующий и неинвертирующий усилители, повторитель. Отличия «реального» ОУ от «идеального». Основные характеристики реального ОУ. Ограничения реального ОУ. Суммирующий усилитель. Разностный усилитель. Измерительный усилитель. Интегрирующее звено. Дифференцирующее звено. Схема выборки-хранения. Активный детектор. Активный пиковый детектор. Активный ограничитель сигнала. Логарифмический усилитель. Компаратор на ОУ. Источник опорного напряжения. Источник тока. Усилитель мощности. < — Вы тут
5. Частотно-зависимая обратная связь в ОУ. Активные фильтры на ОУ. Генераторы сигналов на ОУ. Однополярное включение ОУ. Входные помехи, «развязки» и защиты входных цепей, экранирование.
Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Энергоатомиздат, 1988
2. Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники. 2-изд. Мир, 1993
3. Титце, Шенк. Полупроводниковая схемотехника. 5-изд. Мир, 1982
4. Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. Мир, 1991
Добавление разделительного диода к выходу компаратора
Диод может быть подсоединен к выходу компаратора для того, чтобы индикатор уровня выходного сигнал компаратора (светодиод), не влиял на схему компаратора.
Диоды также могут быть использованы для разделения нескольких контуров, подключенных к одному компаратора.
Двухпороговый компаратор
Двухпороговый компаратор, или как еще его называют компаратор «с окном» позволяет контролировать входное напряжение, которое должно находиться в заданном диапазоне напряжений.
Для этого компараторы, имеющие выход с открытым коллектором, например, LM339 или LM393, должны быть настроены так, чтобы на обоих выходах был высокий уровень, когда контролируемое входное напряжение находится в заданном диапазоне.
Генератор на компараторе
Компараторы также могут быть использованы в качестве генераторов, но они не очень хорошо подходят для этого типа схем.
Примеры применения компаратора
Ниже приведены несколько базовых схем с использованием компаратора. Значения сопротивлений резисторов не являются критическими и должны быть использованы в качестве ориентира.
Схема с фотодиодом
Если необходим более высокий ток нагрузки, то в таком случае необходимо к выходу компаратора подключить PNP-транзистор. Это позволит управлять нагрузкой до 300 мА, например, реле.
Схема временной задержки
Схемы коротких временных интервалов, такие как одиночные импульсы или временные задержки могут быть построены на одном или двух компараторах.
Обратите внимание, что второй компаратор в схеме имеет на своем прямом входе тоже опорное напряжение, что и первый компаратор. В большинстве случаев любое количество компараторов могут иметь один и тот же источник напряжения на одном входе, и это значительно упрощает схему.
Схемы с двухконтурным питанием
Поскольку выходной транзистор компаратора имеет открытый коллектор напряжение питания и нагрузки может быть разным. Это означает, что компаратор может работать, например, от 12 вольт, в то время как нагрузке необходимо 24 вольта (реле) или 5 вольт (светодиод). Следующие две схемы объясняют применение компаратора с двумя контурами напряжения.
Четырехуровневый индикатор напряжения.
Эта схема индикатора может последовательно указывать 4 уровня напряжения. Напряжение, при котором включается тот или иной светодиод, задается простым делителем напряжения на резисторах R2-R6.
Эта схема не имеет стабильного опорного напряжения и, следовательно, не подходит для индикации напряжения батареи от которой запитана сама схема, поскольку с снижением заряда батареи будет меняться и опорное напряжение компаратора.
Так же для построения индикаторов подобного типа существуют специализированные микросхемы: LM3914 и LM3915.
Компаратор на операционном усилителе
Операционные усилители могут быть использованы в качестве компараторов. Для этого необходимо к выходу операционного усилителя подключить диод или транзистор.
Использование транзистора позволяет обеспечить больший ток нагрузки, чем у обычного компаратора.
Два или более элементов данных, чтобы определить, являются ли они равны или для определения соотношения величины между ними и порядок упоминается как Сравнительный. Схемы или устройства можно выполнить эту функцию называют компаратор сравнения. Компаратор представляет собой аналоговый сигнал напряжения и компаратор цепь опорного напряжения. Два входа компаратора в аналоговый сигнал и выводит двоичный сигнал 0 или 1, когда входное напряжение разница увеличивается или уменьшается и изменение знака, то выход остается постоянным.
Во многих случаях, мы должны знать, какой из этих двух сигналов относительно большой, или когда сигнал превышает заданное напряжение. Операционные усилители могут легко создать простую реализацию схемы функции. Схема сравнения в фазе, когда входное напряжение превышает напряжение инверсии, выходное напряжение от низкого уровня до высокого уровня. Инвертирования схема сравнения, когда входное напряжение превышает опорное напряжение, подаваемое на неинвертирующий терминал, выходной переход от высокого уровня к низкому уровню.
Компаратор может быть использован в качестве аналогового / цифрового преобразователя (АЦП). Когда операционный усилитель без отрицательной обратной связи может быть использован в качестве компаратора, в принципе, но коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя очень высока, он может обрабатывать только очень небольшой входной дифференциальный сигнал напряжения. Кроме того, в целом, тем дольше время задержки операционного усилителя может не соответствовать фактической потребности. Компаратор может обеспечить отрегулированную минимальное время задержки, но частотная характеристика будет ограничен. Во избежание выхода колебаний, многие компараторы с внутренним гистерезисом. Порог Компаратор фиксируется, есть только один порог, некоторые с двумя пороговыми значениями.
ОУ компаратор, состоящая из классификации:
(1) пересечения нулевого уровня компаратора напряжения: схемы компаратора типичной амплитуды.
(2) Напряжение Компаратор: при пересечении нулевого уровня компаратора один вход изменяется от напряжения земли до фиксированного значения, то компаратор напряжения получается.
(3) окно компаратора: амплитуда цепь компаратора состоит из двух, а некоторые из диодов и резистора. Потенциальный уровень сигнала высокого уровня выше, чем заданное значение VH, значительная положительная выходной цепь компаратора насыщения. Низкий потенциал сигнал уровня ниже, чем заданное значение VL, относительно отрицательной выходной цепи компаратора насыщения. Компаратор имеет два порога, кривая характерна передача была окна, как, это называется окно компаратора.
(4) гистерезис компараторы: праймер из выходного сигнала делителя ног инвертирующих входа терминал. Когда напряжение на входе VI постепенно увеличивается от нуля, и В. меньше, чем VT, выход компаратора является положительное напряжение насыщения, В. называется верхним пределом порога (триггер) уровень. Когда входное напряжение VI> VT «выход компаратора отрицательное напряжение насыщения, В. » называется нижний порог (триггер) уровень.
Компаратор пересечения нулевого уровня в связи фиг
Фиг соединение двух компараторов напряжения
Фигура три соединения окно сравнения на фиг.
Фигура четыре соединения гистерезиса компаратора
Пересечения нуля компаратора и компаратор напряжения все одного порогового компаратора, можно разделить на одном инвертирующий вход порогового компаратора напряжения, An компараторов напряжения инвертирующий вход одного порога, если опорное напряжение Vref = 0, то напряжение входного сигнала Ви за пересечения нуля, называется резкое изменение выходного сигнала, это сравнение, называется нулевой пересечения компараторов а. Как показано ниже.
Пять-фазный компаратор на фиг.
Рисунок VI инвертирующий компаратор
Выход одного порогового компаратора семь различных опорных напряжений на фиг.
Несмотря на то, одного порогового компаратора имеет простую схему, высокую чувствительность, но и его анти-помех способность. Когда Vi содержит шум или помехи напряжение, выходное колебание, высокую и низкую мутацию, так как окрестности Vi = Vt = Vref интерференции возникает, иногда до Vo из VOH, т. Иногда это, в результате чего на выходе компаратора нестабилен. Если выходное напряжение Vo для управления двигателем, явление будет происходить часто начало и остановку, эта ситуация не разрешена, схема используется для улучшения анти-помехи способности гистерезиса компаратора.
Схема: Как следует из названия, представляет собой гистерезис компаратор, имеющий петлю гистерезиса передачи характеристику компаратора. Представляя положительную обратную связь компаратора порогового напряжения, основываясь на одном входе двери инвертирующий, вход инвертирующего о составе гистерезиса компаратора, имеющего двойное пороговое значение (также называемый триггер Шмитта). Как будет Vi и Vref обмен позиции, может состоять из неинвертирующего входа компаратора гистерезиса. С положительной обратной связью, пороговое напряжение компаратора с этим изменением выходного напряжения Vo изменяется, некоторые из его низкой чувствительности, в то время как устойчивость к помехам значительно улучшилось.
Диаграмма VIII инвертирующего вход гистерезисной схемы компаратора
Оценка порогового напряжения: Так как ОУ компаратор находится в положительном состоянии обратной связи, так что в общем случае, выходное напряжение Vo и входное напряжение Vi не линейная зависимость, только переход выходного напряжения происходит мгновенно, интегрированный операционный усилитель напряжение на оба входных терминалы приблизительно равны нулю до этого, то есть ВИД = 0 или Vp = Vn = Vi выходного напряжения Vo является критические условия преобразователя, когда Vi> Ур, выходное напряжение Vo к Vol низкого уровня. ; наоборот, высока Во- Вох. Очевидно, что здесь есть фактическое значение Vp VT порогового напряжения. Установить ОУ является идеальным, принцип суперпозиции, на карте, являются:
В зависимости от значения выходного напряжения Vo (VOH или Vol), соответственно, можно определить верхнее пороговое напряжение Vt +, и нижний порог напряжения соответственно УТ-:
Или гистерезиса Ширина порогового напряжения:
Аналоговые компараторы и их применение
Аналоговые компараторы и их применение
Цель работы: Изучение принципа работы и схем применения аналоговых компараторов
Компараторы представляют собой операционные усилители (ОУ) специального назначения, предназначенные для сравнения по уровню двух входных напряжений. В зависимости от того, какое напряжение больше другого, выход компаратора может находиться в одном из двух состояний,- логического нуля или логической единицы. Компаратор имеет высокую чувствительность и способен реагировать на разность входных напряжений меньше 1 милливольта. В качестве компаратора может применяться обычный ОУ при условии отсутствия сопротивления обратной связи между выходом и инвертирующим входом. В таком включении ОУ имеет очень высокий коэффициент усиления (порядка десятков-сотен тысяч раз) и может применяться во многих компараторных схемах. В современной схемотехнике предпочтение отдается специально спроектированным компараторам, более удобным для применения. Компараторы нашли применение в схемах контроля величин напряжений, аналого-цифрового преобразования, сдвига уровней сигналов и множестве других схем.
Питание компараторов может осуществляться как от двухполярных, так и от однополярных источников питания, входные напряжения также могут иметь различную полярность. Выходное напряжение, в случае его подачи на логические ТТЛ или КМОП микросхемы, обычно устанавливают равным напряжению питания цифровой части аппаратуры, соответствующему уровню логической “1”.
На рис. 1 показана одна из типовых схем включения компаратора.
Рис. Типовая схема контроля уровня на аналоговом компараторе.
На рис. 2 показана схема для снятия передаточной характеристики компаратора. На вход Y подано постоянное напряжение 20 мВ, напряжение на входе X, регулируемое в небольших пределах потенциометром R1, может быть как меньше, так и больше напряжения на входе Y. Напряжение на входе X увеличивают от минимального до максимального значения, контролируя изменения выходного напряжения и состояние светодиодного индикатора при переключении компаратора.
Рис. 2 Схема для снятия передаточной характеристики компаратора.
На рис. 3 показана схема формирователя прямоугольных импульсов с регулируемым порогом срабатывания.
Рис. Схема формирователя прямоугольных импульсов с регулируемым порогом срабатывания.
На вход схемы подается напряжение синусоидальной формы с частотой f и амплитудой Um , которое с помощью компаратора преобразуется в последовательность импульсов положительной полярности с амплитудой аналоговый компаратор усилитель гистерезис
5 В, которые могут быть поданы на входы цифровых микросхем.
На рис. 4 показана схема 4-х уровневого индикатора напряжения. При малом входном напряжении ни один светодиодный индикатор не светится. По мере увеличения входного напряжения, когда напряжение на входах Х достигает уровня опорного напряжения Uоп = 2В, происходит поочередное переключение компараторов (начиная с верхнего по схеме), сопровождаемое соответствующей индикацией.
Рис. Схема 4-х уровневого индикатора напряжения.
Собрать схему (рис. 2), используя данные табл.
R1=10 Ом, R2= 1 кОм
R1=20 Ом, R2= 2 кОм
R1=50 Ом, R2= 5 кОм
R1=100 Ом, R2= 10 кОм
R1=200 Ом, R2= 20 кОм
R1=500 Ом, R2= 50 кОм
R1=1 кОм, R2= 100 кОм
R2= 2 кОм, R2= 200 кОм
R2= 5 кОм, R2= 500 кОм
R2= 10 кОм, R2= 1 МОм
R2= 20 кОм, R2= 2 МОм
R2= 10 Ом, R2= 1 кОм
R2= 20 Ом, R2= 2 кОм
R2= 50 Ом, R2= 5 кОм
R2= 100 Ом, R2= 10 кОм
R2= 200 Ом, R2= 20 кОм
R2= 500 Ом, R2= 50 кОм
R2= 1 кОм, R2= 100 кОм
R2= 2 кОм, R2= 1 МОм
R2= 10 Ом, R2= 2 МОм
- 2. Снять отсчеты напряжений в зоне переключения компаратора.
- 3. По полученным данным построить график передаточной характеристики компаратора
Uвых = f (Uвх. х — Uвх. y),
где (Uвх. х — Uвх. y) — напряжение между входами компаратора X и Y, контролируемое мультиметром XMM1.
- 4. Собрать схему формирователя (рис.9.3), используя данные табл.9.1.
- 5. Включить моделирование и, изменяя порог переключения компаратора при помощи потенциометра R1, проследить за изменением параметров выходных импульсов. Дать объяснение полученным данным.
- 6. Собрать схему индикатора уровня (рис.9.4), используя данные табл.9.1.
- 7. Включить режим моделирования и, изменяя величину входного напряжения при помощи потенциометра R1, определить уровни входного напряжения, при которых происходит переключение каждого компаратора, сопровождаемое соответствующей индикацией. Зафиксировать для отчета результаты измерений (4 скриншота).
- 1. Что такое аналоговый компаратор?
- 2. Поясните принцип работы аналогового компаратора.
- 3. Чем типовых отличается схема включения операционного усилителя в режиме аналогового компаратора от типовых схем применения операционных усилителей?
- 4. Каким образом сигнал с наличием шумов может повлиять на работу компаратора?
- 5. Что такое гистерезис?
- 6. Назовите схему формирователя с повышенной помехоустойчивостью, реализуемую на компараторе и использующую принцип гистерезиса.
- 7. Назовите основные применения аналоговых компараторов.
- 1. Введение в Multisim. Трехчасовой курс. National Instruments, 2006.
- 2. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. — 5-е изд. — Спб.: КОРОНА; М.: Бином-Пресс, 2006.-416 с.
- 3. Марченко А.Л. Основы электроники. Учебное пособие для вузов. — М.:ДМК Пресс, 2008 — 296 с.
- 4. Бейкер, Бонни. Что нужно знать цифровому инженеру об аналоговой электронике. Пер. с англ. — М.: Додэка-ХХI, 2010 — 360 с.
В чем реальные различия между операционным усилителем и компаратором?
Основные различия между ними следующие:
- Встроенные цепи фазовой коррекции, необходимые для обеспечения устойчивости ОУ, делают устройство слишком медленным для операций переключения.
- Входные каскады ОУ обычно защищены диодами или дополнительными транзисторами, которые нередко препятствуют использованию ОУ в схеме компаратора.
- Выходной каскад ОУ рассчитан на использование в линейном режиме. При двуполярном питании его выходное напряжение изменяется от одной шины питания до другой, и для использования в цифровых схемах требует смещения уровней.
- Выходной каскад истинного компаратора сконструирован для работы в режиме насыщения со стандартными логическими уровнями сигналов. Часто его выход делается по схеме с отрытым коллектором (стоком).
- Для установки коэффициента усиления и других характеристик схемы ОУ обычно включается с резисторами обратной связи. Компаратор, как правило, работает с разомкнутой петлей, то есть, без обратной связи.
- По сравнению с ОУ компараторы имеют меньшие времена задержки и очень высокую скорость нарастания выходного напряжения.
Несмотря на внешнее сходство, две схемы различны и предназначены для разных приложений.
Работа компаратора
Один из способов разобраться с работой компаратора – изучить базовую конфигурацию ОУ, показанную на Рисунке 1а. Усилитель имеет очень большой коэффициент усиления без обратной связи (AOL >> 1000). То, что он усиливает, – это разность между двумя входами V1 и V2. Выходное напряжение равно
Из-за высокого коэффициента усиления для положительного или отрицательного насыщения выхода большого входного дифференциального сигнала (V2 – V1) не требуется. Например, при напряжении источника питания ±5 В и коэффициенте усиления без обратной связи, равном 100,000, выходное напряжение достигнет шины питания при дифференциальном входном сигнале с уровнем 5/100,000 = 50 мкВ или выше. Передаточная характеристика вход-выход изображена на Рисунке 1б.
Рисунок 1. Операционный усилитель в инвертирующем включении (а)
и его передаточная характеристика вход-выход (б).
Истинный компаратор работает от одного источника питания, как правило, того же, который используется для цифровой логики. Выход через подтягивающий резистор подключен к шине питания (Рисунок 2а). На входы компаратора поданы опорное напряжение VREF и сигнал VIN, уровень которого сравнивается с опорным уровнем. В качестве опорного и сигнального может использоваться любой из двух выходов компаратора. Обычно опорное напряжение постоянно, а входной сигнал изменяется. Компаратор может включаться в двух основных конфигурациях:
На Рисунке 2 показана инвертирующая схема с фиксированным постоянным опорным напряжением и сигналом треугольной формы (Рисунок 2в). Пока входное напряжение ниже порога, уровень выхода остается высоким (см. передаточную характеристику на Рисунке 2б). Когда входной сигнал превысит порог, выход переключится в низкое состояние. Затем во время спада входного сигнала уровень выхода вновь станет высоким.
Рисунок 2. Типичное включение инвертирующего компаратора (а),
его передаточная характеристика (б), а также сигналы
на входе и выходе (в).
Шумы
Одной из часто возникающих проблем является шум или многократные кратковременные переключения выхода вблизи пороговых уровней компаратора. Этот так называемый «дребезг» возникает при медленном изменении входного сигнала и может стать причиной неправильной работы приложения. Это будет происходить даже при очень чистых входных сигналах, поскольку компараторы, как и ОУ, имеют собственные шумы. К такому же эффекту иногда приводят помехи, возникающие при больших скачках выходного напряжения, которые могут проникать обратно на вход через шины питания или другие цепи.
Рисунок 3. Гистерезис в компараторе (а) позволяет устранить дребезг
при переключениях выхода (б).
Гистерезис устанавливает напряжения верхнего (VU) и нижнего (VL) порогов переключения вокруг опорного уровня. Небольшое окно, или мертвая зона, обеспечивает свободное от дребезга чистое переключение выхода. Резисторы R1 и R2 задают пороговые напряжения, уровни которых могут быть рассчитаны с помощью следующих выражений:
Узнайте больше
С развитием электросхемотехники операционные усилители постоянно совершенствуются и появляются новые модели.
Классификация по сферам применения:
- Индустриальные — дешевый вариант.
- Презиционные (точная измерительная аппаратура).
- Электрометрические (малое значение Iвх).
- Микромощные (потребление малого I питания).
- Программируемые (токи задаются при помощи I внешнего).
- Мощные или сильноточные (отдача большего значения I потребителю).
- Высоковольтные (рассчитаны на высокие значения U).
- Быстродействующие (высокая скорость нарастания и частота усиления).
- С низким уровнем шума.
- Звуковой тип (низкий коэффициент гармоник).
- Для двухполярного и однополярного типа электрического питания.
- Разностные (способны измерять низкие U при высоких помехах). Применяются в шунтах.
- Усилительные каскады готового типа.
- Специализированные.
По входным сигналам ОУ делятся на 2 типа:
- С 2 входами.
- С 3 входами. 3 вход применяется для расширения функциональных возможностей. Обладает внутренней ООС.
Схема операционного усилителя достаточно сложная, и не имеет смысла его изготавливать, а радиолюбителю нужно только знать правильную схему включения операционного усилителя, но для этого следует понимать расшифровку его выводов.
Основные обозначения выводов ИМС:
- V+ — неинвертирующий вход.
- V- — инвертирующий вход.
- Vout — выход.Vs+ (Vdd, Vcc, Vcc+) — плюсовая клемма ИП.
- Vs- (Vss, Vee, Vcc-) — минус ИП.
Практически в любом ОУ присутствуют 5 выводов. Однако в некоторых разновидностях может отсутствовать V-. Существуют модели, которые обладают дополнительными выводами, которые расширяют возможности ОУ.
Выводы для питания необязательно обозначать, т. это увеличивает читабельность схемы. Вывод питания от положительной клеммы или полюса ИП располагают вверху схемы.
Где применяются
Существует 2 вида схем ОУ, которые различаются способом подключения. Главный недостаток ОУ — непостоянство Kу, зависящего от режима функционирования. Основные сферы применения — усилители: инвертирующий (ИУ) и неинвертирующий (НИУ). В схеме НИУ Kу по U задается резисторами (сигнал нужно подавать на вход). ОУ содержит ООС последовательного типа. Эта связь выполнена на одном из резисторов. Она подается только на V-.
Можно выделить устройства, в которых применяются ОУ:
- Предусилители.
- Усилители звуковых и видеочастотных сигналов.
- Компараторы U.
- Дифусилители.
- Диференциаторы.
- Интеграторы.
- Фильтрующие элементы.
- Выпрямители (повышенная точность выходных параметров).
- Стабилизаторы U и I.
- Вычислители аналогового типа.
- АЦП (аналого-цифровые преобразователи).
- ЦАП (цифро-аналоговые преобразователи).
- Устройства для генерации различных сигналов.
- Компьютерная техника.
Операционные усилители и их применение получили широкое распространение в различной аппаратуре.
