Урок 6.2. Операционный усилитель. Продолжение.

Теперь попробуем прояснить некоторые моменты, о которых было упомянуто в предыдущей статье.

Начнем того, что заглянем внутрь операционного усилителя. Типовая схема LM324 из даташита. Страшно? 🙂

Детально мы его рассматривать не будем, у нас другая цель. Наша задача понять, что ОУ, состоит из двух основных узлов: дифференциальный усилитель и каскад усиления. С последним, думаю, пояснений не требуется, из маленького сигнала получается большой. А вот дифференциальный усилитель нам очень интересен.

Дифференциальный усилитель имеет 2 входа, принцип его работы заключается в том, чтобы вычитать из первого сигнала второй. Исходя из этого принципа, напряжение на выходе ОУ это усиленная разностью сигналов между этим входами, т.е. между неинвертирующим и инвертирующим входами Uвых=Uвх1-Uвх2. Как же это нам может пригодиться?

Для начала, стоит упомянуть о том, что коэффициент усиления ОУ исчисляется десятками тысяч, а то и миллионами. Если между входами, будет даже небольшая разница в уровне напряжения, то эта разница усилится во много раз. Но у нас есть ограничение. Вспоминаем, кран не может поднять больше своей грузоподъемности, так и здесь сигнал усилится и упрется в напряжение питания. Причем, если на неинвертирующем входе напряжение больше, то на выходе будет «+» питания, если наоборот, то на выходе будет «-» питания. Таким образом, мы осознанно подошли к первой схеме называемой компаратор:

Для примера, накидал схемку в multisim, видим что на «+» напряжение больше чем на «-«, результат — на выходе положительное напряжение питания. Хотя не совсем 🙂 Объясняется это тем, что получить напряжение, близкое к напряжению питания, можно только у некоторых операционных усилителей, имеющих обозначение rail to rail. У обычных ОУ максимальное выходное напряжение меньше на 1-2В чем напряжение питания, что, собственно, мы и видим на схеме. Я повторил данную схемку на реальном железе и получил 3,75В на выходе, т.е. небольшой разброс имеется и учитывать это нужно.

Теперь перейдем к практической части. Простая схема на компараторе. Контроль напряжения на аккумуляторной батарее. Работает она следующим образом: на неинвертирующий вход(+) подается заранее известное стабильное напряжение 11,5В. На инвертирующий(-) вход подключена аккумуляторная батарея, например как в машине. Когда батарея заряжена, то на инвертирующем входе напряжение больше 11,5В, соответственно, на выходе будет «-» питания, в нашем случае земля, так как питание однополярное. Светодиод в этом случае будет подключен с двух сторон к земле, соответственно гореть он не будет.

Как только батарея разрядится менее 11.5В, напряжение на неинвертирующем входе станет больше, эта разница усилится и на выходе будет уже «+» питания, светодиод загорится, информируя нас о том, что батарея разряжена.

Однако, самое интересное впереди. Если немного поиздеваться над ОУ и связать выход с инвертирующим входом, то получится схема называемая повторитель.

Вспомним формулу из предыдущего урока K=(R4/R3)+1, здесь резисторов нет, поэтому коэффициент усиления будет равен 1. Польза данной схемы в том, что ОУ практически не потребляет ток по входу, поэтому выходной ток будет зависеть только от самого ОУ. Т.е. если источник сигнала очень слабый и нагрузка его «просаживает», то данная схема поможет согласовать нагрузку. Этой схемы мы еще коснемся в ближайшем будущем, когда будем делать устройство на микроконтроллере.

Стоит упомянуть, что подача части сигнала с выхода на вход называется обратной связью. Если сигнал вычитается, то она называется отрицательной (ООС), если складывается, соответственно положительной (ПОС). Благодаря дифференциальному усилителю, в рассматриваемой схеме, часть сигнала вычитается, поэтому у нас ООС.

Смысл ее использования в том, что пока на входах разное напряжение, то на выходе дифференциального усилителя, тоже будет некий сигнал, соответственно, напряжение на выходе ОУ будет постоянно изменяться. Продолжаться это будет до тех пор, пока система не войдет в устойчивое состояние, а устойчивым оно будет тогда, когда напряжение на входах  станет одинаковым.

Из этого следует одно замечательное правило: если операционный усилитель охвачен обратной связью, то его выход стремится сравнять потенциалы на входах. В схеме повторителя мы видим, что на его входах напряжение одинаковое и система устойчива. Теперь вам должно быть понятно, откуда в схемах из предыдущих уроков взялись резисторы, в цепи обратной связи. Таким образом, мы заставляем выход увеличивать напряжение, чтобы на входах было одинаковое напряжение. Если вы возьмете вольтметр и измерите напряжение на инвертирующем входе, то сможете убедиться в этом.

Вот так по капле, можно накопить океан знаний. Получилось довольно занудно, однако эти знания нужны, если понравилось — пишите, продолжим.