Материал: Операційні підсилювачі

Компаратори (схеми порівняння)

Компаратори -- це електронні пристрої, призначені для порівняння напруг. Схема найпростішого компаратора зображена на рис. 1.18, а. Він виконує порівняння вхідного сигналу UВХ з опорною напругою Uоп.. Сигнал на виході ОП змінює полярність, коли ці напруги зрівнюються, як показано на часових діаграмах роботи компаратора, наведених на рис. 1.18, б.

Рис. 1.18. Компаратор (а) і часові діаграми його роботи (б).

Коли Uoп. = 0, маємо нуль-орган, що фіксує відхилення UВХ від нульового значення.

Компаратор -- це чи не єдине застосування ОП без зворотних зв'язків, коли напряму використовується його великий коефіцієнт підсилення: найменша різниця потенціалів між входами призводить до насичення ОП. При цьому маємо знак вихідної напруги «+», коли напруга на неінвертуючому вході більш позитивна, ніж на інвертуючому, і«-», коли навпаки.

Живити ОП у даному разі можна і від однополярного джерела, бо він фактично порівнює синфазні напруги.

Підсилювач змінного струму на ОП з однополярним живленням

Забезпечення підсилення сигналів змінного струму при однополярному живленні ОП вирішується тими ж методами, що і у транзисторному підсилювачі класу А. А саме: введенням зміщення і розділяючих конденсаторів. Схема підсилювача наведена на рис. 1.19.

Рис. 1.19 Підсилювач змінного струму з однополярним живленням

Тут R1, R2 -- дільник, що задає зміщення точки спокою, С1, С3 -- розділяючі конденсатори. Дільник сигналу зворотного зв'язку R3, R4 забезпечує коефіцієнт підсилення у даному разі КU = 101. Конденсатор С2 забезпечує роботу схеми за постійним струмом як повторювача напруги, щоб виключити підсилення сигналу змізщення нуля.

Збільшення потужності вихідного сигналу ОП

Незважаючи на те, що є типи ОП з потужним виходом (з вихідним струмом до 5 А), все ж основна їх маса має малопотужний вихід (струм до 10 мА). Збільшення вихідної потужності можна забезпечити, наприклад, за допомогою схеми, наведеної на рис. 1.20.

Рис. 1.20 Потужний підсилювач на ОП

Тут для підсилення потужності застосовано найпростіший двотактний підсилювач на транзисторах різного типу провідності. Відомо, що останній працює в режимі класу В, для якого характерні значні нелінійні викривлення. Позбавитися їх дозволяє підімкнення резистора зворотного зв'язку R2 не до виходу ОП, а до виходу підсилювача потужності. Тепер ОП, забезпечуючи рівність U0 = 0, створює на своєму виході напругу, що компенсує падіння на базоемітерних переходах транзисторів. Таким чином отримуємо режим роботи класу АВ без введення додаткових елементів.

Прецизійний випрямляч

Відомо, що для випрямлення сигналів змінного струму можуть бути застосовані випрямні діоди. Але наявність падіння напруги на діоді до 1 В при протіканні струму через нього призводить до того, що сигнали з напругою у десяті долі вольта взагалі не можуть бути випрямлені, а випрямлення сигналів у одиниці вольт супроводжується значною похибкою. Більше того, ця похибка залежить від змін температури. Отже, точний (прецизійний) випрямляч побудувати на діодах неможливо.

Але це можна зробити з використанням ОП. На рис. 1.21 наведено схему прецизійного однонапівперіодного випрямляча.

Рис. 1.21 Прецизійний випрямляч

Фактично це є повторювач для сигналів позитивної полярності. Як і у випадку потужного підсилювача, падіння напруги на діоді компенсується ОП.

Вихідніш сигнал знімається з інвертуючого входу ОП. Для позитивної вхідної напруги, оскільки U0 = 0, маємо:

UВИХ = U1 = UН = UВХ.

При негативних значеннях UВХ ОП знаходиться у режимі насичення, а на вихід пристрою через резистор R подається напруга UВИХ = 0.

На кінець розділу слід зазначити, що у ньому розглянуто лише деякі з типових застосувань ОП. Існує величезна кількість схем і схемотехнічних прийомів із використанням ОП. Проте маємо надію, що навички, здобуті при вивченні цього розділу, дадуть Вам змогу розібратися зі специфікою побудови і роботи будь-яких електронних пристроїв на ОП.

Пікові детектори

Пікові детектори призначені для виміру максимального за деякий відрізок часу значення сигналу. Роботу пікового детектора можна пояснити на прикладі простої схеми, що складається з ідеальних діода та конденсатора (рис. 1.22).

Пікові детектори можуть працювати у двох різних режимах -- режимі спостереження й режимі зберігання. У режимі спостереження вхідний сигнал більше раніше запам'ятовуваного пікового значення, і вихідна напруга детектора відповідає вхідному доти, поки вхідна напруга не почне знижуватися. У цей момент пристрій переходить у режим зберігання, у якому буде залишатися доти, поки вхідна напруга знову не перевищить раніше досягнутого рівня. Пікові детектори схожі на пристрої вибірки й зберігання (ПВЗ) як за схемотехнікою, так і за робочими характеристиками. Помітимо, що хоча дана глава присвячена піковим детекторам, все сказане в ній відноситься й до детекторів мінімумів (простіше домовитися про те, що піки можуть бути позитивними і негативними й не винаходити нових термінів), оскільки для цього у вихідній схемі потрібно просто змінити полярність включення діода (рис. 1.23).

Рис. 1.22 Найпростіша схема пікового детектора

Рис. 1.23 Найпростіший детектор мінімумів

Показаний на рис. 1.22 простий детектор має декілька недоліків. По-перше, зафіксована вихідна напруга не залишається постійною. Як правило, вона спадає через розряд конденсатора. У схемах пікових детекторів із застосуванням ОП конденсатор може заряджатися вхідними струмами, які приводять до росту вихідної напруги в режимі зберігання. Це явище також називають спадом, що вносить деяку плутанину. Друга основна проблема пов'язана з кінцевим часом заряду конденсатора, що визначає мінімальну тривалість, імпульсу, який виявляється, максимальну швидкість наростання вихідної напруги й ширину смуги пропущення пікового детектора. При виборі ємності конденсатора доводиться враховувати дві суперечливих вимоги: зменшення швидкості спаду й підвищення швидкості наростання. Наприклад, більша ємність конденсатора гарантує меншу швидкість спаду, оскільки напруга на конденсаторі буде змінюватися відносно повільно, Однак по цій же причині знижується швидкість наростання, і схема стане нечутливої до коротких імпульсів. Властиво, це класична для інженера ситуація, у якій потрібно компромісне рішення, у цьому випадку, між швидкостями наростання (швидкодією) і спаду (точністю).

Рис. 1.24 Піковий детектор зі скиданням

Звичайно продетектована напруга повинна зберігатися тільки на протязі невеликого проміжку часу, після чого її необхідна скинути для того, щоб схема могла реєструвати наступні імпульси. Для цього або в схему вводиться ключ скидання, або збільшують швидкість спаду, додаючи резистор витоку (рис. 1.24).

Двокаскадні пікові детектори

Простий двокаскадний піковий детектор зображений на рис. 1.25. У цій схемі ОП А1 заряджає конденсатор до пікового значення, а ОП А2 виконує роль буферного повторювача. Коли вхідна напруга перевищує збережену на конденсаторі С, вихідна напруга ОП А1 збільшується й конденсатор заряджається через діод VD1. Таким чином, поки напруга росте, петля зворотного зв'язка ОП А1 замкнута через діод VD1, і напруга на конденсаторі С відслідковує вхідну. Якщо вхідна напруга починає зменшуватися, ОП А1 переходить у стан негативного насичення, оскільки ланцюг його зворотного зв'язку розмикається. Конденсатор С виявляється ізольованим від виходу і зберігає сталу на ньому напругу.

Рис. 1.25 Простий двохкаскадний піковий детектор

Однією з основних причин зміни заряду конденсатора в режимі зберігання є вхідні струми ОП, що протікають через конденсатор та змінюють накопичений на ньому заряд. У цій схемі конденсатор С з'єднаний із входами обох ОП, що ще більше змінює ситуацію, тому для даної схеми доцільно вибирати ОП з польовими входами та з малими вхідними струмами. Крім того, вхідний сигнал проходить через два ОП -- А1 і А2, і до вихідного сигналу детектора додаються дві напруги зсуву. Тому в багатьох випадках доводиться вибирати ОП з малими вхідними напругами зсуву. Так фактично піковим детектором є тільки ОП А1, в пристроях, призначених для реєстрації коротких імпульсів, швидкодіючим може бути тільки ОП А1, а в якості буферного можна вибирати ОП загального застосування. Перехідна характеристика ОП А1 із зворотнім зв'язком повинна бути добре демпфирована, оскільки у зворотному випадку при швидких змінах вхідної напруги на його виході з'являються викиди перерегулювання, що створюють ілюзію більшого пікового сигналу (особливо це актуально для швидкодіючих ОП, які, як правило, погано працюють на ємнісне навантаження, в нашому випадку -- конденсатор).