Компьютеры, способные выполнять электронные вычисления (используя напряжения и токи для представления числовых величин) появились задолго до создания тех цифровых технологий, которыми мы пользуемся сейчас. Такие предтечи современных компьютеров особенно были хороши для моделирования физических процессов. Например, переменное напряжение может представлять скорость или механическую силу. Математические операции деления и умножения с этими сигналами легко выполнялись благодаря использованию резистивных делителей и усилителей напряжения.
Расчётная производная функция как основа для вычисления тока конденсатора
Реактивные свойства конденсаторов и катушек индуктивности хорошо подходят для моделирования переменных, связанных с помощью вычислительных функций. Помните, как ток через конденсатор был функцией скорости изменения напряжения и как эта скорость изменения была обозначена в расчётах как производная? Что ж, если бы напряжение на конденсаторе представляло скорость объекта, ток через конденсатор представлял бы силу, необходимую для ускорения или замедления этого объекта, а ёмкость конденсатора представляла бы массу объекта:
Рис. 1. С помощью простой электрической цепи можно моделировать расчёты из области механики.
Это аналоговое электронное вычисление функции производной исчисления технически известно как дифференцирование, и это естественная функция вычисления тока конденсатора по отношению к приложенному к нему напряжению. Обратите внимание, что эта схема не требует кода на языках программирования для выполнения этой относительно сложной математической функции, как если бы пришлось это вычислять на цифровом компьютере.
Электронные схемы очень легко и недорого создавать по сравнению со сложными физическими системами, поэтому подобный вид аналогового электронного моделирования широко использовался при исследовании и разработке механических систем. Однако для реалистичного моделирования в этих ранних компьютерах требовались усилительные схемы с высокой точностью и простой конфигурацией.
Преимущество дифференциального усилителя над несимметричным усилителем
В ходе разработки аналогового компьютера было обнаружено, что дифференциальные усилители с чрезвычайно высоким коэффициентом усиления по напряжению удовлетворяют требованиям точности и конфигурируемости лучше, чем несимметричные усилители со специально разработанными коэффициентами усиления. Используя простые компоненты, подключённые ко входам и выходу дифференциального усилителя с высоким коэффициентом усиления, практически любое усиление и любая функция могут быть получены из схемы в целом без регулировки или изменения внутренней схемы самого усилителя. Эти дифференциальные усилители с высоким коэффициентом усиления стали известны как операционные усилители или ОУ из-за их применения в математических операциях аналоговых компьютеров.
Некоторые особенности операционных усилителей
Современные операционные усилители, вроде популярной модели 741, это высокопроизводительные недорогие интегральные схемы. Их входные импедансы довольно высоки, входы потребляют токи в диапазоне половины микроампер (максимум) для 741 и намного меньше для операционных усилителей, использующих входные полевые транзисторы. Выходное сопротивление обычно довольно низкое, около 75 Ом для модели 741, и многие модели имеют встроенную защиту от короткого замыкания на выходе, что означает, что их выходы могут быть напрямую заземлены, не причиняя вреда внутренней схеме. Благодаря прямой связи между внутренними транзисторными каскадами операционных усилителей они могут усиливать сигналы постоянного тока, а также переменного тока (до определённых пределов максимального времени нарастания напряжения). Разработка сопоставимой схемы усилителя на дискретных транзисторах, которая соответствовала бы таким характеристикам, потребовала бы гораздо больше денег и времени, что оправдано, только если требуется высокая мощность. В силу этих причин операционные усилители имеют несколько устаревшие усилители сигналов на дискретных транзисторах во многих приложениях.
Следующая диаграмма показывает контактное соединение для одиночных ОУ (включая модель 741), когда размещаются в интегральная схему с 8-выводным DIP-корпусом (от англ. Dual Inline Рackage, т.е. двухрядный корпус):
Некоторые модели операционных усилителей поставляются в комплекте по два, в том числе и такие популярные модели как TL082 и 1458. Они называются «двойными» и обычно оба ОУ также размещаются в общем 8-контактном корпусе DIP, обычно расположение клемм таково:
Рис. 3. Модели с двумя усилителями в общем DIP-корпусе.
Иногда в одном корпусе размещено аж четыре операционных усилителя, обычно в 14-выводном DIP. К сожалению, назначение выводов не стандартизировано для подобных «четырёхъядерных» операционных усилителей, как для «сдвоенных» или одиночных устройств. Подробные сведения см. в технической документации, предоставляемой производителем модели.
Практический коэффициент усиления по напряжению для операционных усилителей находится в диапазоне 200000 или более, что делает их практически бесполезными в качестве аналоговых дифференциальных усилителей как таковых. Если у операционного усилителя коэффициент усиления по напряжению (AV) равен 200000 и максимальная амплитуда выходного напряжения ±15 В, то хватит всего-навсего 75 мкВ (микровольт) дифференциального входного напряжения, чтобы устройство вошло в режим насыщения или отсечки! Прежде чем мы рассмотрим, как внешние компоненты используются для снижения коэффициента усиления до вменяемых значений, давайте отдельно исследуем различные приложения, в которых применяется «голый» операционный усилитель (т.е. коэффициент усиления не снижается каким-либо способом, а используется как есть).
Компаратор
Одно такое приложение называется компаратор. Для всех практических целей мы можем сказать, что выход операционного усилителя будет полностью насыщен положительно, если вход (+) более положительный, чем вход (-), и полностью насыщен отрицательно, если вход (+) менее положительный, чем вход (-). Другими словами, чрезвычайно высокое усиление по напряжению операционного усилителя делает его полезным в качестве устройства для сравнения двух напряжений и изменения состояний выходного напряжения, когда один вход превышает другой по величине.
Рис. 4. Компараторная схема на ОУ.
В этой схеме у нас есть операционный усилитель, подключённый в качестве компаратора, который сравнивает входное напряжение с опорным напряжением, установленным потенциометром (R1). Если VВход упадёт ниже напряжения, установленного R1, выход операционного усилителя перейдёт в режим насыщения до +V, в результате чего загорится светодиодный индикатор. В противном случае, если VВход выше опорного напряжения, светодиод останется выключенным. Если VВход представляет собой сигнал напряжения, создаваемый измерительным прибором, эта схема компаратора может работать как «низкий» аварийный сигнал с точкой срабатывания, установленной R1. Вместо светодиода выход операционного усилителя мог бы управлять реле, транзистором, тиристором или ещё каким устройством, способным переключать питание на нагрузку, вроде соленоидного клапана, для принятия мер в случае аварийного сигнала низкого уровня.
Преобразователь прямоугольных сигналов
Другое применение показанной схемы компаратора – преобразователь прямоугольных сигналов. Предположим, что входное напряжение, подаваемое на инвертирующий (-) вход – это синусоидальная волна переменного тока, а не стабильное напряжение постоянного тока. В этом случае выходное напряжение будет переходить между противоположными состояниями насыщения всякий раз, когда входное напряжение равно опорному напряжению, создаваемому потенциометром. Результатом будет прямоугольная волна:
Рис. 5. Преобразователь синусоидального сигнала в прямоугольный.
Регулировка потенциометра изменяет опорное напряжение, подаваемое на неинвертирующий (+) вход, что изменяет точки пересечения синусоидальной волны, изменив время включения/выключения или рабочий цикл прямоугольной волны:
Рис. 6. Изменение рабочего цикла прямоугольной волны преобразователем.
Очевидно, что входное напряжение переменного тока не обязательно должно быть синусоидальной волной, чтобы эта схема выполняла ту же функцию. Входное напряжение может быть треугольной, пилообразной или любой другой волной, в которой осуществляются плавные переходы от (+) к (-) и затем снова к (+). Такая схема компаратора очень полезна для создания прямоугольных импульсов с различной продолжительностью включения. Этот метод иногда называют широтно-импульсной модуляцией или ШИМ (изменение или модуляция волны в соответствии с управляющим сигналом, в данном случае сигналом, создаваемым потенциометром).
Ещё одно приложение компаратора – драйвер барграфа (столбчатого или полоскового индикатора). Если несколько операционных усилителей подключить в качестве компараторов, каждый со своим собственным опорным напряжением, подключённым к инвертирующему входу, то каждый из них отслеживает один и тот же сигнал напряжения на своих неинвертирующих входах, в результате чего можно строить измерительную гистограмму, вроде тех, что обычно используются на лицевой стороне стерео-тюнеров и графических эквалайзеров. По мере увеличения напряжения сигнала (напрямую зависимого от силы радиосигнала или уровня звука) каждый компаратор будет последовательно «включаться» и передавать питание на соответствующий светодиод. Когда каждый компаратор включается на разном уровне звука, количество горящих светодиодов будет указывать на силу сигнала.
В этой схеме LED1 загорится первым при увеличении входного напряжения в сторону (+). По мере того, как входное напряжение будет увеличиваться, другие светодиоды также будут загораться последовательно, пока не зажгутся все.
Та же самая технология используется в некоторых преобразователях аналого-цифрового сигнала, а именно во флэш-преобразователе, для преобразования аналогового сигнала в серию включённых/выключенных напряжений, представляющих числовое значение.
Итог
Треугольник – это общий символ схемы усилителя, основание равнобедренного треугольника обозначает вход, а вершина напротив основания – выход.
Если не указано иное, все напряжения в схемах усилителя относятся к общей точке заземления, обычно подключённой к одной клемме источника питания. Таким образом, мы можем говорить о том, что определённое количество напряжения находится «на одном проводе», при этом понимая, что напряжение всегда измеряется между двумя точками.
В дифференциальном усилителе происходит усиление разности напряжения между двумя входами. В подобной схеме один вход склонен приводить выходное напряжение к той же полярности, что и входной сигнал, в то время как другой вход делает прямо противоположное. Следовательно, первый вход называется неинвертирующим (+) входом, а второй - инвертирующим (-).
Операционный усилитель (или ОУ для краткости) представляет собой дифференциальный усилитель с очень высоким коэффициентом усиления напряжения (АV = 200 000 или более). Название восходит к его первоначальному использованию в аналоговых компьютерных схемах (выполнение математических операций).
Операционные усилители обычно имеют очень высокий входной импеданс и довольно низкий выходной импеданс.
Иногда ОУ используются в качестве компараторов сигналов, работающих в режиме полной отсечки или насыщения, в зависимости от того, какой вход (инвертирующий или неинвертирующий) имеет наибольшее напряжение. Компараторы полезны при обнаружении выполнения условия «больше/меньше» (при сравнении одного сигнала с другим).
Приложение компаратора называется широтно-импульсным модулятором, выполняемое путём сравнения синусоидального сигнала переменного тока с опорным напряжением постоянного тока. По мере регулировки опорного напряжения постоянного тока прямоугольный сигнал на выходе компаратора изменяет свой рабочий цикл (показывая положительное или отрицательное время). Таким образом, опорное напряжение постоянного тока контролирует или модулирует ширину импульса выходного напряжения.
