Прецизионный повторитель напряжения

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

• Операционный усилитель, рекомендуется модель 1458 или 353 (каталог Radio Shack № 276-038 и 900-6298, соответственно)
• Три 6-вольтовых батареи.
• Один потенциометр 10 кОм, линейный конус (каталог Radio Shack № 271-1715).

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , Том 3, глава 8:«Операционные усилители»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

• Чтобы проиллюстрировать, как использовать операционный усилитель в качестве повторителя напряжения.
• Чтобы проиллюстрировать цель отрицательной обратной связи.
• Чтобы проиллюстрировать стратегию устранения неполадок.

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИИ

В предыдущем эксперименте с операционным усилителем усилитель использовался в « разомкнутом контуре " Режим; то есть без какой-либо обратной связи от вывода к вводу. Таким образом, было доступно полное усиление по напряжению операционного усилителя, что приводило к насыщению выходного напряжения практически для любой величины дифференциального напряжения, приложенного между двумя входными клеммами. Это хорошо, если мы хотим работать с компаратором, но если мы хотим, чтобы операционный усилитель вел себя как настоящий усилитель . , нам нужно, чтобы он демонстрировал управляемый прирост напряжения.

Поскольку у нас нет возможности разобрать интегральную схему операционного усилителя и изменить номиналы резисторов, чтобы получить меньшее усиление напряжения, мы ограничены внешними соединениями и компонентами. На самом деле, это не является недостатком, как можно было бы подумать, потому что сочетание чрезвычайно высокого коэффициента усиления по напряжению без обратной связи в сочетании с обратной связью позволяет нам использовать операционный усилитель для гораздо более широкого круга целей, намного проще, чем если бы мы занимались физическими упражнениями. возможность изменения его внутренней схемы.

Подумайте, потому что сочетание чрезвычайно высокого коэффициента усиления по напряжению без обратной связи в сочетании с обратной связью позволяет нам использовать операционный усилитель для гораздо более широкого круга целей, намного проще, чем если бы мы использовали вариант изменения его внутренней схемы. P>

Если мы подключим выход операционного усилителя к его инвертирующему (-) входу, выходное напряжение будет искать тот уровень, который необходим для уравновешивания напряжения инвертирующего входа с напряжением, подаваемым на неинвертирующий (+) вход. Если это соединение обратной связи прямое, как в прямом куске провода, выходное напряжение будет точно «следовать» за неинвертирующим входным напряжением.

В отличие от повторителя напряжения схема, сделанная из одного транзистора (см. главу 5:Дискретные полупроводниковые схемы), в которой входное напряжение аппроксимируется с точностью до нескольких десятых вольта, эта схема повторителя напряжения будет выдавать напряжение с точностью до микровольт входного напряжения.

Измерьте входное напряжение этой цепи с помощью вольтметра, подключенного между неинвертирующим (+) входным контактом операционного усилителя и землей цепи (отрицательная сторона источника питания), а выходное напряжение между выходной клеммой операционного усилителя и землей цепи. Следите за тем, чтобы выходное напряжение операционного усилителя соответствовало входному напряжению, когда вы настраиваете потенциометр по его диапазону.

Вы можете напрямую измерить разницу или ошибку между выходным и входным напряжениями, подключив вольтметр между двумя входными клеммами операционного усилителя. На протяжении большей части диапазона потенциометра это напряжение ошибки должно быть почти нулевым.

Попробуйте переместить потенциометр в одно из крайних положений по часовой стрелке или против часовой стрелки. Измерьте напряжение ошибки или сравните выходное напряжение с входным. Вы замечаете что-нибудь необычное? Если вы используете для этого эксперимента операционный усилитель модели 1458 или модели 353, вы должны измерить значительную ошибку напряжения или разницу между выходом и входом.

Многие операционные усилители, включая указанные модели, не могут «переключить» свое выходное напряжение точно на полную мощность (« rail ”) Уровни напряжения. В этом случае напряжения на «рейке» равны +18 В и 0 В соответственно. Из-за ограничений внутренней схемы 1458 его выходное напряжение не может точно достичь этих высоких и низких пределов. Вы можете обнаружить, что он может идти только в пределах одного или двух вольт от « шины ».

Это очень важное ограничение, которое следует понимать при проектировании схем с использованием операционных усилителей. Если полный « Rail-to-Rail В конструкции схемы требуется размах выходного напряжения, могут быть выбраны другие модели операционных усилителей, которые предлагают такую ​​возможность. Модель 3130 - один из таких операционных усилителей.

Прецизионные цепи повторителя напряжения полезны, если усиливаемый сигнал напряжения не выдерживает « нагрузки »; то есть, если он имеет высокий импеданс источника. Поскольку повторитель напряжения по определению имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 1, его цель не имеет ничего общего с усилением напряжения, а скорее с усилением способности сигнала передавать ток . к нагрузке.

Цепи повторителя напряжения имеют еще одно важное применение для разработчиков схем:они позволяют проводить простое линейное тестирование операционного усилителя. Один из методов устранения неполадок, который я рекомендую, - упростить и перестроить . Предположим, вы строите схему, используя один или несколько операционных усилителей для выполнения некоторых дополнительных функций.

Если кажется, что один из этих операционных усилителей вызывает проблему, и вы подозреваете, что он неисправен, попробуйте повторно подключить его в качестве простого повторителя напряжения и посмотрите, работает ли он в этом качестве. Операционный усилитель, который не работает как повторитель напряжения, определенно не подойдет для чего-то более сложного.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Схема с номерами узлов SPICE:

Список соединений (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

 Повторитель напряжения vinput 1 0 rbogus 1 0 1meg e1 2 0 1 2 999meg rload 2 0 10k .dc vinput 5 5 1 .print dc v (1,0) v (2,0) v (1,2). конец 

Идеальный операционный усилитель можно смоделировать в SPICE, используя зависимый источник напряжения . ( e1 в списке соединений). Выходные узлы указываются первыми ( 2 0 ), затем два входных узла, сначала неинвертирующий вход ( 1 2 ). Усиление разомкнутого контура указывается в последнюю очередь ( 999 мегабайт ) в линии источника зависимого напряжения.

Поскольку SPICE рассматривает входное сопротивление зависимого источника как бесконечное, необходимо включить некоторое конечное значение сопротивления, чтобы избежать ошибки анализа. Это цель R _bogus :обеспечить путь постоянного тока к земле для входа V _input источник напряжения. Такие «фиктивные» сопротивления должны быть сколь угодно большими. В этом моделировании я выбрал 1 МОм для R _{фиктивного} значение.

Нагрузочный резистор включен в схему почти по той же причине:чтобы обеспечить путь постоянного тока для тока на выходе зависимого источника напряжения. Как видите, SPICE не любит открытых схем!

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Таблица схем операционных усилителей с положительной обратной связью