Точный повторитель напряжения: освоение обратной связи ОУ для точного слежения сигналом

Детали и материалы

• Операционный усилитель: модель 1458 или 353 (каталог Radio Shack # 276‑038 и # 900‑6298 соответственно)
• Три батареи 6 В
• Потенциометр 10 кОм линейного типа (каталог Radio Shack # 271‑1715)

Перекрёстные ссылки

Lessons In Electric Circuits, Том 3, Глава 8: «Операционные усилители».

Цели обучения

• Продемонстрировать настройку ОУ как повторителя напряжения.
• Объяснить роль отрицательной обратной связи в достижении конфигурации с единичным коэффициентом усиления.
• Описать системный подход к поиску неисправностей в схемах с ОУ.

Схема

Иллюстрация

Инструкции

В предыдущих экспериментах мы использовали ОУ в раскрытом режиме, обеспечивающем максимальное напряженное усиление. Это полезно для компараторов, но быстро насыщает выход при любом ненулевом дифференциальном входе. Чтобы использовать ОУ как настоящий усилитель с предсказуемым усилением, вводим отрицательную обратную связь.

Соединяя выход напрямую с инвертирующим (−) входом, ОУ автоматически регулирует свой выход так, чтобы напряжение на инвертирующем входе совпадало с напряжением на неинвертирующем (+). При такой прямой обратной связи схема работает как повторитель напряжения — буфер с единичным коэффициентом усиления, воспроизводящий входное напряжение на выходе с точностью до микровольт.

Измерьте напряжение на неинвертирующем входе (между входом + и землёй) и на выходе (между выходным терминалом и землёй). Поворачивая потенциометр, наблюдайте, как выход точно повторяет вход.

Для более наглядной оценки подключите вольтметр между двумя входными терминалами. На протяжении большей части диапазона потенциометра ошибочное напряжение будет пренебрежимо малым.

Когда потенциометр установлен на крайнее положение, вы можете заметить измеримую ошибку, особенно с моделями 1458 или 353. Эти ОУ не могут вывести выход полностью к шинам питания (+18 В и 0 О). Обычно они не дотягивают примерно на 1–2 В — распространенное ограничение, которое конструкторы должны учитывать. Если требуется rail-to-rail работа, рассмотрите ОУ вроде 3130.

Повторители напряжения бесценны, когда источник сигнала имеет высокое сопротивление и не терпит нагрузки. Хотя коэффициент усиления по напряжению равен единице, низкое выходное сопротивление повторителя позволяет сигналу управлять более тяжёлыми нагрузками без искажений.

Они также служат практическим диагностическим инструментом. Если ОУ в сложной схеме подозревается в неисправности, переключите его в простой повторитель. Исправный ОУ точно воспроизведёт входное напряжение; неспособность сделать это указывает на дефектный прибор.

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Список соединений (скопируйте в текстовый файл voltage_follower.cir):

 Voltage follower 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) .end 

В этой модели ОУ представлен управляемым источником напряжения (e1) с открытым коэффициентом усиления 999 МОм. Большой резистор rbogus (1 МОм) и нагрузочный резистор (rload) обеспечивают необходимые пути постоянного тока для сходимости SPICE.

Связанные рабочие листы

• Рабочий лист по схемам ОУ с положительной обратной связью