Circuito amplificador operacional de retroalimentación

Comparadores

Si usa un amplificador operacional sin retroalimentación negativa (OOS), entonces definitivamente podemos decir qué sucede comparador. Para entender cómo funciona, puede hacer algunos experimentos simples pero visuales. Necesitará un poco para esto: el amplificador operacional en sí, una fuente de alimentación con un voltaje de 9 ... 25V, varias resistencias, un par de LED y un voltímetro (multímetro digital).

La sonda lógica más simple se ensambla a partir de LED y resistencias, como se muestra en la Figura 1.

Cuando se aplica un voltaje positivo a la entrada de la sonda (incluso puede aplicar + U), el LED rojo se ilumina, y si la entrada está conectada a un cable común, el verde se ilumina. Con la ayuda de dicha sonda, el estado de salida del amplificador operacional probado se vuelve claro y comprensible.

Como un "conejo" experimental, cualquiera que no sea de muy alta calidad y caro es adecuado amplificador operacional, por ejemplo, KR140UD608 (708) en cajas de plástico o K140UD6 (7) en metal redondo.

Figura 1. Esquema de una sonda lógica simple

Cabe señalar que a pesar de los diferentes casos, la distribución de estos microcircuitos es la misma y corresponde a la que se muestra en los diagramas a continuación. A menudo sucede que la distribución de las cajas de plástico y metal no coincide, aunque en realidad son los mismos microcircuitos. Ahora, la mayoría de los amplificadores operacionales, especialmente los importados, están disponibles en cajas de plástico, y todo funciona bien y perfectamente, y no hay confusión con los pines. Y antes, tales microcircuitos "plásticos" eran despectivamente llamados "bienes de consumo" por especialistas.

Figura 2. Esquema en un amplificador operacional

Para los primeros experimentos, ensamblamos el circuito que se muestra en la Figura 2. No se ha hecho mucho aquí: el amplificador operacional y la sonda lógica que se muestran en la Figura 1 están conectados a una fuente de energía unipolar. Tensión de alimentación + U unipolar 9 ... 30V. La magnitud del estrés en nuestros experimentos no es de particular importancia.

Aquí puede surgir una pregunta completamente legítima: "¿Por qué la sonda es lógica, porque el amplificador operacional es un elemento analógico?" Sí, pero en este caso, el amplificador operacional no funciona en modo ganancia, sino en modo comparador, y solo tiene dos niveles de salida. Un voltaje cercano a 0V se llama cero lógico, y un voltaje cercano a + U es una unidad lógica. En el caso de la potencia bipolar, un voltaje cercano a –U corresponde a un cero lógico.

Al aplicar una tensión de alimentación, uno de los LED debe estar encendido. Es imposible responder a la pregunta de cuál, rojo o verde, ya que todo depende de los parámetros de un amplificador operacional particular y de condiciones externas, por ejemplo, interferencia de la red. Si toma varios del mismo tipo de amplificador operacional, los resultados serán muy diferentes.

El voltaje en la salida del amplificador operacional es controlado por un voltímetro: si el LED rojo está encendido, el voltímetro mostrará un voltaje cercano a + U, y en el caso de un LED verde, el voltaje será casi cero.

Ahora puede intentar aplicar algo de voltaje a las entradas y observar los indicadores y el voltímetro cómo se comportará el amplificador operacional. La forma más fácil es aplicar voltaje tocando un dedo por turno de cada entrada del amplificador operacional y el otro de uno de los pines de alimentación. En este caso, el brillo de la sonda y la lectura del voltímetro deberían cambiar. Pero estos cambios pueden no ocurrir.

La cuestión es que algunos amplificadores operacionales están diseñados para garantizar que el voltaje en las entradas esté dentro de ciertos límites: ligeramente más alto que el voltaje en el terminal 4 y ligeramente más bajo que el voltaje de suministro en el terminal 7. Este "ligeramente más bajo, más alto" es 1 ... 2B. Para continuar los experimentos, habiendo cumplido la condición indicada, será necesario ensamblar un esquema un poco más complejo, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3 Circuito operacional del amplificador de retroalimentación

Ahora el voltaje se suministra a las entradas usando resistencias variables R1, R2, cuyos motores deben instalarse cerca de la posición media antes de comenzar las mediciones. El voltímetro ahora se ha movido a otro lugar: mostrará la diferencia de voltaje entre las entradas directas e inversas.

Es mejor si este voltímetro es digital: la polaridad del voltaje puede cambiar, aparecerá un signo menos en el indicador del dispositivo digital, y el dispositivo puntero simplemente "rodará" en la dirección opuesta. (Puede usar un voltímetro de puntero con un punto medio en la escala). Además, la resistencia de entrada de un voltímetro digital es mucho mayor que la de un puntero, por lo que los resultados de la medición serán más precisos. El estado de la salida será determinado por el indicador LED.

Es apropiado dar tales consejos: es mejor hacer estos experimentos simples con sus propias manos, y no solo leer y decidir que todo es simple y claro. Así es como se lee el tutorial de guitarra, sin levantar nunca la guitarra. Entonces comencemos.

Lo primero que debe hacer es configurar los motores de resistencia variable en la posición media, mientras que el voltaje en las entradas del amplificador operacional está cerca de la mitad del voltaje de suministro. La sensibilidad del voltímetro debe maximizarse, pero quizás no de manera inmediata, sino gradual, para no quemar el dispositivo.

Suponga que la salida del amplificador operacional es baja, el LED verde está encendido. Si esto no es así, entonces este estado se puede lograr girando la resistencia variable R1 de tal manera que el motor se mueva hacia abajo del circuito; puede ser prácticamente de hasta 0V.

Ahora, usando la resistencia variable R1, comenzamos a agregar voltaje a la entrada directa del amplificador operacional (pin 3), observando las lecturas del voltímetro. Tan pronto como el voltímetro muestre un voltaje positivo (el voltaje en la entrada directa (terminal 3) es mayor que el del inverso (terminal 2)), se encenderá el LED rojo. Por lo tanto, el voltaje en la salida del amplificador operacional es alto o, como se acordó previamente, una unidad lógica.

Un poco de ayuda

Más precisamente, ni siquiera una unidad lógica, sino un alto nivel: una unidad lógica indica la verdad de la señal, dicen, se ha producido un evento. Pero esta verdad, esta unidad lógica puede ser expresada y de bajo nivel. Como ejemplo, podemos recordar la interfaz RS-232, en la cual un voltaje negativo corresponde a una unidad lógica, mientras que un cero lógico tiene un voltaje positivo. Aunque en otros esquemas, la unidad lógica se expresa con mayor frecuencia en un nivel alto.

Continuamos nuestra experiencia científica. Comenzamos a rotar cuidadosamente y lentamente la resistencia R1 en la dirección opuesta, siguiendo el voltímetro. En cierto punto, mostrará cero, pero el LED rojo aún se encenderá. Es poco probable que encuentre una posición en la que ambos LED estén apagados.

Con una mayor rotación de la resistencia, la polaridad de las lecturas del voltímetro también cambiará a negativa. Esto sugiere que el voltaje en la entrada inversa (2) en valor absoluto es mayor que en la entrada directa (3). El LED verde se ilumina, indicando un nivel bajo en la salida del amplificador operacional. Después de eso, puede continuar girando la resistencia R1 en la misma dirección, pero no se producirán cambios: el LED verde no se apaga y ni siquiera cambia el brillo.

Este fenómeno ocurre cuando el amplificador operacional está en modo comparador, es decir. sin comentarios negativos (a veces incluso con PIC).Si el amplificador operacional opera en modo lineal, está cubierto por retroalimentación negativa (OOS), entonces, cuando el motor de resistencia R1 gira, el voltaje de salida cambia en proporción al ángulo de rotación, lee la diferencia de voltaje en las entradas y no pasa nada. En este caso, el brillo del LED se puede cambiar sin problemas.

De todo lo anterior, podemos concluir: el voltaje en la salida del amplificador operacional depende de la diferencia de voltaje en las entradas. En el caso donde el voltaje en la entrada directa es mayor que en el inverso, el voltaje de salida es alto. De lo contrario (el voltaje en el inverso es mayor que en el directo), el nivel de salida es un cero lógico.

Al comienzo de este experimento, se recomendó instalar los motores de resistencia R1, R2 aproximadamente en la posición media. ¿Y qué sucederá si inicialmente los establece en un tercio de la facturación o en dos tercios? Sí, en realidad nada cambiará, todo funcionará de la misma manera como se describió anteriormente. De esto podemos concluir que la señal en la salida del amplificador operacional no depende del valor absoluto de los voltajes en las entradas directas e inversas. Y depende solo de la diferencia de voltaje.

De todo lo que se ha dicho, se puede sacar una conclusión más importante: un amplificador operacional sin retroalimentación es un comparador, un comparador. En este caso, la referencia o voltaje de referencia se aplica a una entrada, y el voltaje, cuyo valor debe ser controlado, a la otra entrada. Qué entrada para suministrar el voltaje de referencia se decide durante el desarrollo del circuito.

Como ejemplo, la Figura 4 muestra un diagrama. temporizador integrado NE555en la entrada de los cuales hay inmediatamente 2 comparadores internos DA1 y DA2.

Figura 4Circuito temporizador integrado NE555

Su propósito es gestionar lo interno Gatillo RS. La lógica de control es bastante simple: la unidad lógica de la salida del comparador DA2 establece el disparador en uno, y la unidad lógica de la salida del comparador DA1 restablece el disparador.

Se monta un divisor en las resistencias R1 ... R3, que suministra voltajes de referencia a las entradas de los comparadores. Las tres resistencias tienen la misma resistencia (5K), formando 2/3 y 1/3 de la tensión de alimentación, que se suministran, respectivamente, a la entrada inversora DA1 y a la entrada no inversora DA2.

En términos de lo que se escribió anteriormente, resulta que la unidad lógica en la salida del comparador DA1 se obtiene si el voltaje de entrada en la entrada directa excede el voltaje de referencia en el inverso (2/3 de actualización), el disparador se restablece a cero.

Para establecer el disparador en 1, debe obtener un nivel alto en la salida del comparador interno DA2. Esta condición se logrará cuando el nivel de voltaje en la entrada invertida DA2 sea inferior a 1 / 3Upit. Es una tensión de referencia aplicada a la entrada directa del comparador DA2.

Aquí no se establece el objetivo de la descripción del temporizador integrado NE555, solo como un ejemplo del uso del amplificador operacional, los comparadores de entrada se muestran ocultos dentro del microcircuito. Para aquellos que estén interesados ​​en usar el temporizador 555, pueden recomendar leer el artículo "Temporizador integrado NE555".

Ver también: Circuitos amplificadores operacionales de retroalimentación

Boris Aladyshkin