«Оперативный» усилитель

Задолго до появления цифровых электронных технологий были созданы компьютеры для выполнения вычислений в электронном виде с использованием напряжений и токов для представления числовых величин. Это было особенно полезно для моделирования физических процессов. Например, переменное напряжение может представлять скорость или силу в физической системе. Благодаря использованию резистивных делителей напряжения и усилителей напряжения математические операции деления и умножения могут быть легко выполнены с этими сигналами.

Расчетная производная функция как основа для расчета тока конденсатора

Реактивные свойства конденсаторов и катушек индуктивности хорошо подходят для моделирования переменных, связанных с помощью вычислительных функций. Вспомните, как ток через конденсатор был функцией скорости изменения напряжения и как эта скорость изменения была обозначена в расчетах как производная ? Что ж, если бы напряжение на конденсаторе отражало скорость объекта, ток через конденсатор представлял бы силу, необходимую для ускорения или замедления этого объекта, а емкость конденсатора представляет собой массу объекта:

Это аналоговое электронное вычисление производной функции исчисления технически известно как дифференцирование , и это естественная функция тока конденсатора по отношению к приложенному к нему напряжению. Обратите внимание, что эта схема не требует «программирования» для выполнения этой относительно сложной математической функции, как это сделал бы цифровой компьютер.

Электронные схемы очень легко и недорого создавать по сравнению со сложными физическими системами, поэтому подобное аналоговое электронное моделирование широко использовалось при исследовании и разработке механических систем. Однако для реалистичного моделирования в этих ранних компьютерах требовались схемы усилителя с высокой точностью и простой конфигурацией.

Преимущество дифференциального усилителя перед несимметричным

В ходе разработки аналогового компьютера было обнаружено, что дифференциальные усилители с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления по напряжению удовлетворяют этим требованиям точности и конфигурируемости лучше, чем несимметричные усилители со специально разработанными коэффициентами усиления. Используя простые компоненты, подключенные ко входам и выходам дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления, можно получить практически любое усиление и любую функцию из схемы в целом, без регулировки или изменения внутренней схемы самого усилителя. Эти дифференциальные усилители с высоким коэффициентом усиления стали известны как операционные усилители . , или операционные усилители, из-за их применения в математических операциях аналоговых компьютеров.

Некоторые особенности операционных усилителей

Современные операционные усилители, такие как популярная модель 741, представляют собой высокопроизводительные недорогие интегральные схемы. Их входные импедансы довольно высоки, входы потребляют токи в диапазоне половины микроампер (максимум) для 741 и намного меньше для операционных усилителей, использующих входные полевые транзисторы. Выходное сопротивление обычно довольно низкое, около 75 Ом для модели 741, и многие модели имеют встроенную защиту от короткого замыкания на выходе, что означает, что их выходы могут быть напрямую замкнуты на землю, не причиняя вреда внутренней схеме. Благодаря прямому соединению между внутренними транзисторными каскадами операционных усилителей они могут усиливать сигналы постоянного тока так же, как и переменного тока (до определенных пределов максимального времени нарастания напряжения). Создание сопоставимой схемы усилителя на дискретных транзисторах, которая бы соответствовала таким характеристикам, потребовало бы гораздо больше денег и времени, если только не требовалась высокая мощность. По этим причинам операционные усилители имеют почти устаревшие усилители сигналов на дискретных транзисторах во многих приложениях.

На следующей схеме показаны соединения контактов для одиночных операционных усилителей (741 в комплекте), когда они размещены в 8-контактном DIP-разъеме ( D ual I nline P ackage) интегральная схема:

Некоторые модели операционных усилителей поставляются в комплекте по два, в том числе популярные модели TL082 и 1458. Они называются «сдвоенными» блоками и обычно также размещаются в 8-контактном корпусе DIP со следующими контактами:

Операционные усилители также доступны по четыре в упаковке, обычно в 14-контактном DIP-исполнении. К сожалению, назначение выводов не является таким стандартным для этих «четырехъядерных» операционных усилителей, как для «сдвоенных» или одиночных устройств. Подробную информацию см. В таблицах данных производителя.

Практический коэффициент усиления по напряжению для операционных усилителей находится в диапазоне 200000 и более, что делает их практически бесполезными в качестве аналоговых дифференциальных усилителей сами по себе. Для операционного усилителя с усилением по напряжению (A _V ) 200000 и максимальное колебание выходного напряжения + 15В / -15В, все, что потребуется, - это дифференциальное входное напряжение 75 мкВ (микровольт), чтобы довести его до насыщения или отсечки! Прежде чем мы посмотрим, как используются внешние компоненты для снижения коэффициента усиления до разумного уровня, давайте рассмотрим применение самого «чистого» операционного усилителя.

Компаратор

Одно приложение называется компаратором . . Для всех практических целей мы можем сказать, что выход операционного усилителя будет полностью положительным, если вход (+) более положительный, чем вход (-), и насыщенным полностью отрицательным, если вход (+) менее положительный. чем вход (-). Другими словами, чрезвычайно высокое усиление по напряжению операционного усилителя делает его полезным в качестве устройства для сравнения двух напряжений и изменения состояний выходного напряжения, когда один вход превышает другой по величине.

В приведенной выше схеме у нас есть операционный усилитель, подключенный в качестве компаратора, который сравнивает входное напряжение с опорным напряжением, установленным потенциометром (R ₁ ). Если V _в падает ниже напряжения, установленного R ₁ , выход операционного усилителя перейдет в насыщение до + V, в результате чего загорится светодиод. В противном случае, если V _in выше опорного напряжения, светодиод останется выключенным. Если Vin представляет собой сигнал напряжения, создаваемый измерительным прибором, эта схема компаратора может работать как «низкий» сигнал тревоги с точкой срабатывания, установленной R ₁ . Вместо светодиода выход операционного усилителя может управлять реле, транзистором, тиристором или любым другим устройством, способным переключать питание на нагрузку, например, соленоидный клапан, для принятия мер в случае аварийного сигнала низкого уровня. / P>

Преобразователь прямоугольной волны

Другое применение показанной схемы компаратора - это прямоугольный преобразователь. Предположим, что входное напряжение, приложенное к инвертирующему (-) входу, было синусоидальной волной переменного тока, а не стабильным напряжением постоянного тока. В этом случае выходное напряжение будет переходить между противоположными состояниями насыщения всякий раз, когда входное напряжение равно опорному напряжению, создаваемому потенциометром. Результатом будет прямоугольная волна:

Настройки потенциометра изменят опорное напряжение, подаваемое на неинвертирующий (+) вход, который изменит точки пересечения синусоидальной волны, изменив время включения / выключения или рабочий цикл прямоугольной волны:

Должно быть очевидно, что входное напряжение переменного тока не обязательно должно быть синусоидальным. чтобы эта схема выполняла ту же функцию. Входное напряжение может быть треугольной, пилообразной или любой другой волной, плавно переходящей от положительного к отрицательному и снова к положительному. Такая схема компаратора очень полезна для создания прямоугольных импульсов с различной продолжительностью включения. Этот метод иногда называют широтно-импульсной модуляцией . , или ШИМ (изменяющийся, или модулирующий форма волны в соответствии с управляющим сигналом, в данном случае сигналом, создаваемым потенциометром).

Драйвер гистограммы

Еще одно приложение компаратора - это драйвер гистограммы. Если бы у нас было несколько операционных усилителей, подключенных в качестве компараторов, каждый со своим собственным опорным напряжением, подключенным к инвертирующему входу, но каждый из которых отслеживал один и тот же сигнал напряжения на своих неинвертирующих входах, мы могли бы построить измеритель в виде гистограммы, такой как обычно видно на лице стерео тюнеров и графических эквалайзеров. По мере увеличения напряжения сигнала (представляющего силу радиосигнала или уровень звука звука) каждый компаратор будет последовательно «включаться» и передавать питание на соответствующий светодиод. Когда каждый компаратор включается на разном уровне звука, количество горящих светодиодов будет указывать на силу сигнала.

В показанной выше схеме LED1 будет первым, кто загорится при увеличении входного напряжения. в положительном направлении. По мере того как входное напряжение продолжало увеличиваться, другие светодиоды загорались последовательно, пока не загорелись все.

Та же самая технология используется в некоторых преобразователях аналого-цифрового сигнала, а именно в флэш-преобразователе . , чтобы преобразовать величину аналогового сигнала в серию включенных / выключенных напряжений, представляющих цифровое число.

ОБЗОР:

• Треугольник - это общий символ схемы усилителя:широкий конец означает вход, а узкий конец - выход.
• Если не указано иное, все напряжения в цепях усилителя относятся к общей земле точка, обычно подключаемая к одному выводу источника питания. Таким образом, мы можем говорить о том, что на одном проводе присутствует определенное напряжение, при этом понимая, что напряжение всегда измеряется между двумя точками.
• дифференциальный усилитель усиливает разницу напряжения между двумя сигнальными входами. В такой схеме один вход имеет тенденцию приводить выходное напряжение к той же полярности, что и входной сигнал, в то время как другой вход делает прямо противоположное. Следовательно, первый вход называется неинвертирующим (+) вход, а второй называется инвертирующим (-) ввод.
• операционный усилитель (или сокращенно ОУ) - это дифференциальный усилитель с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления по напряжению (A _V =200000 и более). Его название происходит от его первоначального использования в аналоговых компьютерных схемах (выполнение математических операций).
• Операционные усилители обычно имеют очень высокое входное сопротивление и довольно низкое выходное сопротивление.
• Иногда операционные усилители используются в качестве компараторов сигналов . , работающих в режиме полной отсечки или насыщения, в зависимости от того, какой вход (инвертирующий или неинвертирующий) имеет наибольшее напряжение. Компараторы полезны для обнаружения условий сигнала «больше» (сравнения одного с другим).
• Одно приложение-компаратор называется широтно-импульсным модулятором . , и производится путем сравнения синусоидального сигнала переменного тока с опорным напряжением постоянного тока. По мере регулировки опорного напряжения постоянного тока прямоугольный сигнал на выходе компаратора меняет свой рабочий цикл (положительное или отрицательное время). Таким образом, опорное напряжение постоянного тока контролирует или модулирует ширина импульса выходного напряжения.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Базовая таблица операционных усилителей