Circuito do amplificador operacional de realimentação

Comparadores

Se você usa um amplificador operacional sem feedback negativo (OOS), podemos dizer definitivamente o que acontece comparador. Para entender como funciona, você pode fazer algumas experiências simples, mas visuais. Para isso, é necessário um pouco: o próprio amplificador operacional, uma fonte de alimentação com tensão de 9 ... 25V, vários resistores, um par de LEDs e um voltímetro (multímetro digital).

A sonda lógica mais simples é montada a partir de LEDs e resistores, como mostra a Figura 1.

Quando uma tensão positiva é aplicada à entrada da sonda (você pode fornecer + U), o LED vermelho acende e, se a entrada estiver conectada a um fio comum, o verde acende. Com a ajuda dessa sonda, o estado de saída do amplificador operacional testado se torna claro e compreensível.

Como um “coelho” experimental, qualquer um que não seja de alta qualidade e caro seja adequado amplificador operacional, por exemplo, KR140UD608 (708) em caixas de plástico ou K140UD6 (7) em metal redondo.

Figura 1. Esquema de uma análise lógica simples

Deve-se notar que, apesar dos diferentes casos, a pinagem desses microcircuitos é a mesma e corresponde à mostrada nos diagramas abaixo. Muitas vezes acontece que a pinagem das caixas de plástico e metal não corresponde, embora na verdade sejam os mesmos microcircuitos. Agora, a maioria dos amplificadores operacionais, especialmente os importados, estão disponíveis em caixas plásticas, e tudo funciona bem e perfeitamente, e não há confusão com as pinagens. E antes, esses microcircuitos "plásticos" eram desprezados por especialistas em "bens de consumo".

Figura 2. Esquema em um amplificador operacional

Para os primeiros experimentos, montamos o circuito mostrado na Figura 2. Pouco foi feito aqui: o próprio amplificador operacional e a sonda lógica mostrada na Figura 1 são conectados a uma fonte de energia unipolar. Tensão de alimentação + U valor unipolar de 9 ... 30V. A magnitude do estresse em nossos experimentos não é de particular importância.

Aqui, uma questão completamente legítima pode surgir: “Por que a sonda é lógica, porque o amplificador operacional é um elemento analógico?”. Sim, mas neste caso, o amplificador operacional não funciona no modo de ganho, mas no modo comparador e possui apenas dois níveis de saída. Uma voltagem próxima a 0V é chamada de zero lógico e uma voltagem próxima a + U é uma unidade lógica. No caso de potência bipolar, uma tensão próxima a –U corresponde a um zero lógico.

Ao aplicar uma tensão de alimentação, um dos LEDs deve estar aceso. É impossível responder à pergunta de qual, vermelho ou verde, já que tudo depende dos parâmetros de um amplificador operacional específico e de condições externas, por exemplo, interferência na rede. Se você usar vários do mesmo tipo de amplificador operacional, os resultados serão muito diferentes.

A voltagem na saída do amplificador operacional é controlada por um voltímetro: se o LED vermelho estiver aceso, o voltímetro mostrará uma voltagem próxima a + U e, se o LED verde estiver aceso, a voltagem será quase zero.

Agora você pode tentar aplicar um pouco de tensão às entradas e observar os indicadores e o voltímetro como o amplificador operacional se comportará. A maneira mais fácil é aplicar tensão, tocando um dedo por vez de cada entrada do amplificador operacional e o outro de um dos pinos de alimentação. Nesse caso, o brilho da sonda e a leitura do voltímetro devem mudar. Mas essas mudanças podem não ocorrer.

O fato é que alguns amplificadores operacionais são projetados para garantir que a tensão nas entradas esteja dentro de certos limites: um pouco mais alto que a tensão no terminal 4 e um pouco menor que a tensão de alimentação no terminal 7. Esse "pouco mais baixo, mais alto" é 1 ... 2B. Para continuar as experiências, tendo cumprido a condição indicada, será necessário montar um esquema um pouco mais complexo, mostrado na Figura 3.

Figura 3 Circuito operacional do amplificador de realimentação

Agora a tensão é fornecida às entradas usando os resistores variáveis ​​R1, R2, cujos motores devem ser instalados perto da posição do meio antes de iniciar as medições. O voltímetro agora mudou-se para outro local: mostrará a diferença de voltagem entre as entradas diretas e inversas.

É melhor que esse voltímetro seja digital: a polaridade da voltagem pode mudar, um sinal de menos aparecerá no indicador do dispositivo digital e o dispositivo indicador simplesmente “rolará” na direção oposta. (Você pode usar um voltímetro de ponteiro com um ponto médio na escala.) Além disso, a resistência de entrada de um voltímetro digital é muito maior que a de um ponteiro, para que os resultados da medição sejam mais precisos. O status da saída será determinado pelo indicador LED.

É apropriado dar esse conselho: é melhor fazer essas experiências simples com suas próprias mãos, e não apenas ler e decidir que tudo é simples e claro. É assim que se lê o tutorial do violão, sem nunca pegá-lo. Então, vamos começar.

A primeira coisa a fazer é ajustar os motores resistores variáveis ​​para a posição intermediária, enquanto a tensão nas entradas do amplificador operacional é próxima à metade da tensão de alimentação. A sensibilidade do voltímetro deve ser maximizada, mas talvez não imediatamente, mas gradualmente, para não queimar o dispositivo.

Suponha que a saída do amplificador operacional esteja baixa, o LED verde esteja aceso. Se não for assim, então esse estado pode ser alcançado girando o resistor variável R1 de tal maneira que o motor se desloque pelo circuito - ele pode ser praticamente até 0V.

Agora, usando o resistor variável R1, começamos a adicionar tensão à entrada direta do amplificador operacional (pino 3), observando as leituras do voltímetro. Assim que o voltímetro mostrar uma voltagem positiva (a voltagem na entrada direta (terminal 3) é maior que a inversa (terminal 2)), o LED vermelho acenderá. Portanto, a tensão na saída do amplificador operacional é alta ou, como previamente acordado, uma unidade lógica.

Uma ajudinha

Mais precisamente, nem mesmo uma unidade lógica, mas um nível alto: uma unidade lógica indica a verdade do sinal, dizem eles, que um evento ocorreu. Mas essa verdade, essa unidade lógica pode ser expressa e de baixo nível. Como exemplo, podemos lembrar a interface RS-232, na qual uma tensão negativa corresponde a uma unidade lógica, enquanto um zero lógico tem uma tensão positiva. Embora em outros esquemas, a unidade lógica seja mais frequentemente expressa em um nível alto.

Continuamos nossa experiência científica. Começamos a girar com cuidado e lentamente o resistor R1 na direção oposta, seguindo o voltímetro. Em um determinado momento, ele mostrará zero, mas o LED vermelho ainda acenderá. É improvável que consiga uma posição em que os dois LEDs estejam apagados.

Com a rotação adicional do resistor, a polaridade das leituras do voltímetro também mudará para negativo. Isso sugere que a tensão na entrada inversa (2) no valor absoluto é maior que na entrada direta (3). O LED verde acende, indicando um nível baixo na saída do amplificador operacional. Depois disso, você pode continuar girando o resistor R1 na mesma direção, mas nenhuma mudança ocorrerá: o LED verde não apaga e nem altera o brilho.

Esse fenômeno ocorre quando o amplificador operacional está no modo comparador, ou seja, sem feedback negativo (às vezes até com PIC).Se o op-amp opera no modo linear, é coberto por feedback negativo (OOS), então quando o motor do resistor R1 gira, a tensão de saída muda na proporção do ângulo de rotação, lê a diferença de tensão nas entradas e nem um passo. Nesse caso, o brilho do LED pode ser alterado sem problemas.

Pelo exposto, podemos concluir: a tensão na saída do amplificador operacional depende da diferença de tensão nas entradas. No caso em que a tensão na entrada direta é maior do que na inversa, a tensão de saída é alta. Caso contrário (a tensão no inverso é maior que a direta), o nível de saída é um zero lógico.

No início deste experimento, foi recomendado instalar os motores resistores R1, R2 aproximadamente na posição intermediária. E o que acontecerá se você os definir inicialmente para um terço do faturamento ou dois terços? Sim, na verdade nada vai mudar, tudo funcionará da mesma maneira como descrito acima. A partir disso, podemos concluir que o sinal na saída do amplificador operacional não depende do valor absoluto das tensões nas entradas diretas e inversas. E isso depende apenas da diferença de tensão.

De tudo o que foi dito, pode-se tirar mais uma conclusão importante: um amplificador operacional sem feedback é um comparador - um comparador. Nesse caso, a referência ou tensão de referência é aplicada a uma entrada e a tensão, cujo valor deve ser controlado, à outra entrada. Qual entrada para fornecer a tensão de referência é decidida durante o desenvolvimento do circuito.

Como exemplo, a Figura 4 mostra um diagrama. temporizador integrado NE555na entrada da qual existem imediatamente 2 comparadores internos DA1 e DA2.

Figura 4Circuito integrado de timer NE555

O objetivo deles é gerenciar os recursos internos Gatilho RS. A lógica de controle é bastante simples: a unidade lógica da saída do comparador DA2 define o gatilho para um, e a unidade lógica da saída do comparador DA1 redefine o gatilho.

Um divisor é montado nos resistores R1 ... R3, que fornecem tensões de referência às entradas dos comparadores. Todos os três resistores têm a mesma resistência (5K), formando 2/3 e 1/3 da tensão de alimentação, que são fornecidos, respectivamente, à entrada inversora DA1 e à entrada não inversora DA2.

Em termos do que foi escrito acima, verifica-se que a unidade lógica na saída do comparador DA1 será obtida se a tensão de entrada na entrada direta exceder a tensão de referência no inverso (2 / 3Upit), o gatilho será zerado.

Para definir o gatilho como 1, é necessário obter um nível alto na saída do comparador interno DA2. Esta condição será alcançada quando o nível de tensão na entrada invertida DA2 for menor que 1/3 da unidade. É uma tensão de referência aplicada à entrada direta do comparador DA2.

Aqui, o objetivo da descrição do timer integrado NE555 não está definido, apenas como um exemplo do uso do amplificador operacional, os comparadores de entrada são mostrados ocultos dentro do microcircuito. Para quem estiver interessado em usar o timer 555, é recomendável ler o artigo "Temporizador integrado NE555".

Veja também: Circuitos de amplificador operacional de realimentação

Boris Aladyshkin