Электроника:Эксперименты/Аналоговые интегральные схемы/Прецизионный повторитель напряжения

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 648.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Прецизионный повторитель напряжения[1]

Оборудование и материалы

  • Операционный усилитель, рекомендуется модель 1458 или 353 (каталог Radio Shack №№ 276-038 и 900-6298 соответственно)
  • Три батарейки по 6 вольт
  • Один потенциометр 10 кОм, линейный конус (каталог Radio Shack №271-1715)

Ссылки по теме

  • «Уроки по электрическим цепям», том III «Полупроводники», глава 8: «Операционные усилители»

Цели эксперимента

Проиллюстрировать…

Схематическая диаграмма

Рис. 1. Схематическая диаграмма: повторитель напряжения.
Рис. 1. Схематическая диаграмма: повторитель напряжения.

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: повторитель напряжения.
Рис. 2. Иллюстрация: повторитель напряжения.

Ход эксперимента

В предыдущем эксперименте операционный усилитель использовался в режиме «без обратной связи»; то есть без какой -либо обратной связи от выхода к входу. Таким образом, был доступен полный коэффициент усиления по напряжению, что приводило к насыщению выходного напряжения практически при любой величине дифференциального напряжения, подаваемого между двумя входными клеммами. Это хорошо, если мы хотим, чтобы операционный усилитель работал как компаратор. Но если мы хотим, чтобы операционный усилитель вёл себя как настоящий усилитель, нам нужно, чтобы он демонстрировал управляемое усиление по напряжению.

Поскольку мы не можем позволить себе роскошь разбирать интегральную схему операционного усилителя и изменять номиналы резисторов для получения меньшего коэффициента усиления по напряжению, мы ограничены внешними соединениями и компонентами. На самом деле это не недостаток, как можно было бы подумать, потому что сочетание чрезвычайно высокого коэффициента усиления по напряжению без обратной связи в сочетании с обратной связью позволяет нам использовать операционный усилитель для гораздо более широкого круга целей, что гораздо проще, чем если бы мы возможность модификации его внутренней схемы.

Если подключить выход операционного усилителя к его инвертирующему «-» входу, выходное напряжение будет искать любой уровень, необходимый для баланса напряжения инвертирующего входа с напряжением, приложенным к неинвертирующему «+» входу. Если эта обратная связь является прямой, как в прямом отрезке провода, выходное напряжение будет точно «следовать» неинвертирующему входному напряжению.

В отличие от схемы повторителя напряжения, состоящей из одного транзистора (см. предыдущую главу 5: «Дискретные полупроводниковые схемы»), которая аппроксимировала входное напряжение с точностью до нескольких десятых долей вольта, эта схема повторителя напряжения будет выдавать напряжение с точностью до нескольких микровольт от входного напряжения.

Измерьте входное напряжение этой схемы с помощью вольтметра, подключённого между неинвертирующей «+» входной клеммой операционного усилителя и заземлением цепи (отрицательная сторона источника питания), и выходное напряжение между выходной клеммой операционного усилителя и «землёй» цепи. Пронаблюдайте, как выходное напряжение операционного усилителя соответствует входному напряжению, когда вы регулируете потенциометр в его диапазоне.

Вы можете напрямую измерить разницу или погрешность между выходным и входным напряжениями, подключив вольтметр между двумя входными клеммами операционного усилителя. На протяжении большей части диапазона потенциометра это напряжение ошибки должно быть почти нулевым.

Попробуйте переместить потенциометр в одно из крайних положений, далеко по часовой стрелке или далеко против часовой стрелки. Измерьте напряжение ошибки или сравните выходное напряжение с входным. Вы замечаете что-нибудь необычное? Если вы используете операционный усилитель модели 1458 или модели 353 для этого эксперимента, вы должны измерить существенное напряжение ошибки или разницу между выходом и входом.

Многие операционные усилители, в том числе указанные модели, не могут «качнуть» свое выходное напряжение точно до уровня полного напряжения питания («рельса»). При этом напряжения «рельсы» составляют +18 вольт и 0 вольт соответственно. Из-за ограничений во внутренней схеме 1458 его выходное напряжение не может точно достичь этих верхних и нижних пределов. Вы можете обнаружить, что он может работать только в пределах одного или двух вольт от «рельсов» источника питания.

Это очень важное ограничение, которое необходимо учитывать при проектировании схем с использованием операционных усилителей. Если в схеме требуется полный размах выходного напряжения «от-рельсы-к-рельсе», можно выбрать другие модели операционных усилителей, которые предлагают эту возможность. Модель 3130 является одним из таких операционных усилителей.

Цепи прецизионного повторителя напряжения полезны, если усиливаемый сигнал напряжения не выдерживает «нагрузки»; то есть, если он имеет высокое сопротивление источника питания. Поскольку повторитель напряжения по определению имеет коэффициент усиления по напряжению, равный 1, его цель не связана с усилением напряжения, а скорее с усилением способности сигнала подавать ток на нагрузку.

Повторители напряжения имеют ещё одно важное применение для сборщиков схем: они позволяют проводить простые линейные испытания операционного усилителя. Один из методов устранения неполадок, который я рекомендую, – это упрощать и перестраивать. Предположим, вы собираете схему, используя один или несколько операционных усилителей для выполнения некоторых дополнительных функций.

Если кажется, что один из этих операционных усилителей вызывает проблемы, и вы подозреваете, что он может быть неисправен, попробуйте повторно подключить его как простой повторитель напряжения и посмотреть, работает ли он в этом качестве. Операционный усилитель, который не может работать как повторитель напряжения, уж точно не будет работать как что-то более сложное.

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Рис. 3. Схематическая диаграмма для SPICE: повторителя напряжения.
Рис. 3. Схематическая диаграмма для SPICE: повторителя напряжения.

Список связей (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

Список связей SPICE

Voltage follower * Повторитель напряжения
vinput 1 0
rbogus 1 0 1meg
e1 2 0 1 2 999meg
rload 2 0 10k
.dc vinput 5 5 1
.print dc v(1,0) v(2,0) v(1,2)
.end

Идеальный операционный усилитель можно смоделировать в SPICE, используя зависимый источник напряжения (e1 в списке связей). Выходные узлы указываются первыми (2 0), затем два входных узла, сначала неинвертирующий вход (1 2). Коэффициент усиления без обратной связи указывается последним (999 meg) в зависимой линии источника напряжения.

Поскольку SPICE рассматривает входной импеданс зависимого источника как бесконечный, необходимо включить некоторую конечную величину сопротивления, чтобы избежать ошибки анализа. Это предназначение rbogus (на схеме – RФиктивн.): обеспечить путь постоянного тока к «земле» для источника входного напряжения V. Такие «фиктивные» сопротивления должны быть сколь угодно большими. В этом моделировании я выбрал 1 МОм в качестве фиктивного значения R.

Нагрузочный резистор включён в схему почти по той же причине: чтобы обеспечить путь постоянного тока для тока на выходе зависимого источника напряжения. Как видите, SPICE не любит разомкнутых цепей!

См.также

Внешние ссылки