Схемы включения операционных усилителей без обратной связи

Компараторы

Если использовать операционный усилитель без отрицательной обратной связи (ООС), то однозначно можно говорить о том, что получится компаратор. Для того, чтобы разобраться как же он работает, можно проделать несколько простых, но наглядных опытов. Для этого понадобится немного: собственно операционный усилитель, блок питания с напряжением 9…25В, несколько резисторов, пара светодиодов и вольтметр (цифровой мультиметр).

Из светодиодов и резисторов собирается простейший логический пробник, как показано на рисунке 1.

При подаче на вход пробника положительного напряжения (можно даже подать +U) светится красный светодиод, а если вход соединить с общим проводом, то зажжется зеленый. С помощью такого пробника состояние выхода испытываемого операционного усилителя становится наглядным и понятным.

В качестве подопытного «кролика» подойдет любой, не особо качественный и дорогой операционный усилитель, например КР140УД608(708) в пластмассовых корпусах либо К140УД6(7) в круглых металлических.

Рисунок 1. Схема простого логического пробника

Следует при этом отметить, что несмотря на разные корпуса, цоколевка этих микросхем одинакова и соответствует показанной на схемах ниже. Чаще случается, что цоколевка пластмассовых и металлических корпусов не совпадает, хотя по сути дела это одинаковые микросхемы. Сейчас большая часть операционных усилителей, особенно импортных, выпускаются в пластмассовых корпусах, и все работает хорошо и прекрасно, и никакой путаницы с цоколевками. А раньше такие «пластмассовые» микросхемы у специалистов презрительно назывались «ширпотребовскими».

Рисунок 2. Схема на операционном усилителе

Для первых опытов соберем схему, показанную на рисунке 2. Здесь сделано не так уж много: к однополярному источнику питания подключен собственно операционный усилитель и показанный на рисунке 1 логический пробник. Напряжение питания +U однополярное величиной 9…30В. Величина напряжения в наших опытах особого значения не имеет.

Вот тут может возникнуть вполне законный вопрос: «Почему же пробник логический, ведь операционный усилитель аналоговый элемент?». Да, но в данном случае операционный усилитель работает не в режиме усиления, а в режиме компаратора, и на выходе имеет всего два уровня. Напряжение близкое к 0В, называется логическим нулем, а напряжение близкое к +U логической единицей. В случае двухполярного питания логическому нулю соответствует напряжение близкое к –U.

При подаче напряжения питания один из светодиодов обязательно должен засветиться. На вопрос какой, красный или зеленый ответить нельзя, поскольку все зависит от параметров конкретного операционного усилителя и от внешних условий, например от сетевых наводок. Если взять несколько однотипных ОУ, то результаты будут самые различные.

Напряжение на выходе операционного усилителя контролируется вольтметром: если светится красный светодиод, то вольтметр покажет напряжение близкое к +U, а в случае свечения зеленого светодиода напряжение будет почти нулевое.

Теперь можно попробовать подать на входы какие-нибудь напряжения и посмотреть по индикаторам и вольтметру как будет вести себя операционный усилитель. Проще всего подать напряжения коснувшись одним пальцем по очереди каждого входа операционного усилителя, а другим одного из выводов питания. При этом должно измениться свечение пробника и показания вольтметра. Но этих изменений может и не произойти.

Все дело в том, что некоторые операционные усилители рассчитаны на то, что напряжение на входах находится в определенных пределах: несколько выше, чем напряжение на выводе 4 и несколько ниже, чем напряжение питания на выводе 7. Это «несколько ниже, выше» составляет 1…2В. Чтобы продолжить опыты, выполнив указанное условие, придется собрать чуть более сложную схему, показанную на рисунке 3.

Рисунок 3.  Схемы включения операционного усилителя без обратной связи 

Теперь напряжение на входы подается с помощью переменных резисторов R1, R2, движки которых следует перед началом измерений установить вблизи среднего положения. Вольтметр теперь переместился в другое место: он будет показывать разность напряжений между прямым и инверсным входами.

Лучше, если этот вольтметр будет цифровой: полярность напряжения может изменяться, на индикаторе цифрового прибора покажется знак «минус», а стрелочный прибор просто «зашкалит» в обратную сторону. (Можно применить стрелочный вольтметр со средней точкой шкалы.) К тому же входное сопротивление цифрового вольтметра намного выше, чем у стрелочного, следовательно результаты измерений получатся точнее. Состояние выхода будем определить по светодиодному индикатору.

Здесь уместно дать такой совет: лучше эти простые опыты проделать своими руками, а не просто прочитать и решить, что все просто и понятно. Это как прочитать самоучитель игры на гитаре, при этом гитару не взяв ни разу в руки. Итак, начнем.

Первое, что надо сделать это установить движки переменных резисторов примерно в среднее положение, при этом напряжение на входах операционного усилителя близко к половине напряжения питания. Чувствительность вольтметра следует сделать максимальной, но, возможно, не сразу, а постепенно, чтобы не спалить прибор.

Предположим, что на выходе операционного усилителя низкий уровень, светится зеленый светодиод. Если это не так, то такого состояния можно добиться, вращая переменный резистор R1 таким образом, чтобы движок перемещался вниз по схеме – можно практически до 0В.

Теперь с помощью переменного резистора R1 начнем прибавлять напряжение на прямом входе операционного усилителя (вывод 3), наблюдая за показаниями вольтметра. Как только вольтметр покажет положительное напряжение (напряжение на прямом входе (вывод 3) больше, чем на инверсном (вывод 2)) зажжется красный светодиод. Следовательно напряжение на выходе операционного усилителя высокое или, как условились ранее, логическая единица.

Небольшая справка

Точнее даже не логическая единица, а высокий уровень: логическая единица обозначает истинность сигнала, мол, событие произошло. Но эта истинность, эта логическая единица может быть выражена и низким уровнем. В качестве примера можно вспомнить интерфейс RS-232, в котором логической единице соответствует отрицательное напряжение, в то время как логический ноль имеет положительное напряжение. Хотя в других схемах логическая единица чаще всего выражается высоким уровнем.

Продолжим научный опыт. Начнем осторожно и медленно вращать резистор R1 в обратную сторону, следя за показаниями вольтметра. В определенный момент он покажет ноль, но красный светодиод еще будет светиться. Поймать положение в котором оба светодиода погашены вряд ли удастся.

При дальнейшем вращении резистора полярность показаний вольтметра также изменится на отрицательную. Это говорит о том, что напряжение на инверсном входе (2) по абсолютному значению выше, чем на прямом входе (3). Зажжется зеленый светодиод, что говорит о низком уровне на выходе операционного усилителя. После этого можно продолжать вращать резистор R1 в том же направлении, но изменений никаких не произойдет: зеленый светодиод не погаснет и даже нисколько не изменит яркость.

Такое явление имеет место когда операционный усилитель работает в режиме компаратора, т.е. без отрицательной обратной связи (иногда даже с ПОС). Если же ОУ работает в линейном режиме, охвачен отрицательной обратной связью (ООС), то при вращении движка резистора R1 напряжение на выходе меняется пропорционально углу поворота, читай разности напряжений на входах, а вовсе не ступенькой. В этом случае яркость светодиода можно изменять плавно.

Из всего сказанного можно сделать вывод: напряжение на выходе операционного усилителя зависит от разницы напряжений на входах. В случае, когда напряжение на прямом входе выше, чем на инверсном, выходное напряжение имеет высокий уровень. В противном случае (напряжение на инверсном выше, чем на прямом) на выходе уровень логического нуля.

В самом начале этого эксперимента было рекомендовано установить движки резисторов R1, R2 приблизительно в среднее положение. А что будет, если первоначально установить их на третью часть оборота или на две трети? Да собственно ничего не изменится, все будет работать также, как было описано выше. Из этого можно сделать вывод, что сигнал на выходе операционного усилителя не зависит от абсолютного значения напряжений на прямом и инверсном входах. А зависит только от разницы напряжений.

Из всего сказанного можно сделать еще один важный вывод: операционный усилитель без обратной связи представляет собой компаратор – сравнивающее устройство. В таком случае на один вход подается опорное или образцовое напряжение, а на другой напряжение, величину которого надо контролировать. На какой вход подавать опорное напряжение решается в процессе разработки схемы.

В качестве примера на рисунке 4 показана схема интегрального таймера NE555, на входе которого имеются сразу 2 внутренних компаратора DA1 и DA2.

Рисунок 4. Схема интегрального таймера NE555

Их назначение – управление внутренним RS триггером. Логика управления достаточно проста: логическая единица с выхода компаратора DA2 устанавливает триггер в единицу, а логическая единица с выхода компаратора DA1 сбрасывает триггер.

На резисторах R1…R3 собран делитель, подающий опорные напряжения на входы компараторов. Все три резистора имеют одинаковые сопротивления (5Ком), формирующие напряжения 2/3 и 1/3 напряжения питания, которые поданы, соответственно, на инвертирующий вход DA1 и на неинвертирующий вход DA2.

В плане того, что было написано выше, получается, что логическая единица на выходе компаратора DA1 получится в том случае, если входное напряжение на прямом входе превысит опорное на инверсном (2/3Uпит.), триггер сбросится в ноль.

Для того, чтобы установить триггер в 1, требуется получить высокий уровень на выходе внутреннего компаратора DA2. Такое состояние будет достигнуто когда уровень напряжения на инверсном входе DA2 будет меньше 1/3Uпит. Именно такое опорное напряжения подано на прямой вход компаратора DA2.

Здесь не ставится цель описания интегрального таймера NE555, просто в качестве примера использования ОУ показаны входные компараторы, спрятанный внутри микросхемы. Для тех, кому интересно применение таймера 555, можно рекомендовать для прочтения статью «Интегральный таймер NE555».

Борис Аладышкин