Анализ схем, построенных на ОУ.
В статье про измерения отрицательного напряжения с помощью АЦП, большинство описанных схем строились на операционном усилителе(ОУ). Читателю не знакомому с ОУ материал мог показаться сложным, поэтому попробую простым языком объяснить, какими правилами пользуюсь при анализе схем, построенных на ОУ. В общем, схемы на ОУ это непросто, а очень просто.
Существует 3 способа включения ОУ:
Каждый из этих способов обладает своими особенностями, зная которые не составит труда понять как работает схема и как её рассчитать.
ОУ включённый без обратной связи представляет собой компаратор, о том как он работает можно почитать тут, да и в принципе можно прочитать эту статью для знакомства c ОУ.
Особенность схемы с обратной связью заключается в том, что напряжения на прямом и инверсном входе стремятся сравняться, давайте подробнее рассмотрим этот процесс. Кстати в зависимости от того на какой вход будем подавать сигнал, а какой заземлим, зависит инвертирующий будет усилитель или нет.
Мы будем рассматривать неинвертирующий усилитель, полагая R11 = R12.
Подадим на прямой вход 2V (разумеется напряжение на выходе изменится мгновенно не может, а начнёт потихоньку расти, растянем рост напряжение во времени) на выходе 1V, на инверсном входе за счёт делителя останется 0.5V, так как напряжение на прямом входе превышает напряжение на инверсном, напряжение на выходе продолжает расти.
На выходе 2V, на инверсном входе 1V, Uвых продолжает расти.
На выходе 4.1V, напряжение на инверсном входе 2.05V, напряжение на выходе начнёт уменьшаться.
На выходе 3.9V, на инверсном входе 1.95V, напряжение на выходе ОУ снова начнёт расти.
Как видно начинаются своеобразные качели, когда напряжение на инверсном входе приближается к напряжению на прямом входе, за счёт них напряжение на инверсном выводе будет всё время стремиться к напряжению на прямом входе. В данном рассуждении не учитывается напряжение смещение ОУ, но суть процесса отражена.
Может кому-то будет понятней так:
Uпрям.вх = 2V, Uвых = 1V, Uинверс.вх = 0.5V, Uпрям.вх > Uинверс.вх, Uвых ↑
Uпрям.вх = 2V, Uвых = 2V, Uинверс.вх = 1V, Uпрям.вх > Uинверс.вх, Uвых ↑
Uпрям.вх = 2V, Uвых = 4.1V, Uинверс.вх = 2.05V, Uпрям.вх Uинверс.вх, Uвых ↓
Uпрям.вх = 2V, Uвых = 3,95V, Uинверс.вх = 1.95V, Uпрям.вх > Uинверс.вх, Uвых ↑
Зная и понимая, это свойство обратной связи не составит труда рассчитать схему на ОУ, причём не важно с помощью какого элемента осуществляется обратная связь, резистор, конденсатор, диод, расчёт такой схемы элементарен. Давайте, пользуясь полученными знаниями выведем формулу для неивертирующего усилителя.
Важно то, что через оба резистора течёт одинаковый ток, который можно легко вычислить, так как напряжения на обоих входах(так есть отрицательная обратная связь — ООС) одинаковое. Давайте найдем какой ток протекает через каждый резистор и приравняем их.
Последняя формула показывает как зависит коэффициент усиления и от номиналов R1 и R2.
С отрицательной связью разобрались, перейдём к положительной.
Положительная обратная связь позволяет ускорять процесс переключения ОУ и привносит интересную особенность в его поведение, называется она гистерезис. Немного про гистерезис можно почитать тут, в самом низу. Если в двух словах, то схема в которой присутствует гистерезис имеет два порога переключения, при превышении верхнего порога напряжение на выходе становится положительным, при пересечении(сверху-вниз) нижнего порога — становится отрицательным. Давайте посмотрим как выглядит гистерезис на осциллограмме. Синий луч — напряжение на генераторе, красный — напряжение на ивертирующем входе, зелёный — на прямом, фиолетовый — на выходе ОУ.
Резкое изменение напряжения на прямом входе(зелёный луч) при пересечении порога, как раз и есть следствие положительной обратной связи, ускоряющей процесс переключения ОУ.
Существует 3 способа включения ОУ:
- без обратной связи
- с положительной обратной связью
- с отрицательной обратной связью
Каждый из этих способов обладает своими особенностями, зная которые не составит труда понять как работает схема и как её рассчитать.
ОУ включённый без обратной связи представляет собой компаратор, о том как он работает можно почитать тут, да и в принципе можно прочитать эту статью для знакомства c ОУ.
Особенность схемы с обратной связью заключается в том, что напряжения на прямом и инверсном входе стремятся сравняться, давайте подробнее рассмотрим этот процесс. Кстати в зависимости от того на какой вход будем подавать сигнал, а какой заземлим, зависит инвертирующий будет усилитель или нет.
Мы будем рассматривать неинвертирующий усилитель, полагая R11 = R12.
Подадим на прямой вход 2V (разумеется напряжение на выходе изменится мгновенно не может, а начнёт потихоньку расти, растянем рост напряжение во времени) на выходе 1V, на инверсном входе за счёт делителя останется 0.5V, так как напряжение на прямом входе превышает напряжение на инверсном, напряжение на выходе продолжает расти.
На выходе 2V, на инверсном входе 1V, Uвых продолжает расти.
На выходе 4.1V, напряжение на инверсном входе 2.05V, напряжение на выходе начнёт уменьшаться.
На выходе 3.9V, на инверсном входе 1.95V, напряжение на выходе ОУ снова начнёт расти.
Как видно начинаются своеобразные качели, когда напряжение на инверсном входе приближается к напряжению на прямом входе, за счёт них напряжение на инверсном выводе будет всё время стремиться к напряжению на прямом входе. В данном рассуждении не учитывается напряжение смещение ОУ, но суть процесса отражена.
Может кому-то будет понятней так:
Uпрям.вх = 2V, Uвых = 1V, Uинверс.вх = 0.5V, Uпрям.вх > Uинверс.вх, Uвых ↑
Uпрям.вх = 2V, Uвых = 2V, Uинверс.вх = 1V, Uпрям.вх > Uинверс.вх, Uвых ↑
Uпрям.вх = 2V, Uвых = 4.1V, Uинверс.вх = 2.05V, Uпрям.вх Uинверс.вх, Uвых ↓
Uпрям.вх = 2V, Uвых = 3,95V, Uинверс.вх = 1.95V, Uпрям.вх > Uинверс.вх, Uвых ↑
Зная и понимая, это свойство обратной связи не составит труда рассчитать схему на ОУ, причём не важно с помощью какого элемента осуществляется обратная связь, резистор, конденсатор, диод, расчёт такой схемы элементарен. Давайте, пользуясь полученными знаниями выведем формулу для неивертирующего усилителя.
Важно то, что через оба резистора течёт одинаковый ток, который можно легко вычислить, так как напряжения на обоих входах(так есть отрицательная обратная связь — ООС) одинаковое. Давайте найдем какой ток протекает через каждый резистор и приравняем их.
Последняя формула показывает как зависит коэффициент усиления и от номиналов R1 и R2.
С отрицательной связью разобрались, перейдём к положительной.
Положительная обратная связь позволяет ускорять процесс переключения ОУ и привносит интересную особенность в его поведение, называется она гистерезис. Немного про гистерезис можно почитать тут, в самом низу. Если в двух словах, то схема в которой присутствует гистерезис имеет два порога переключения, при превышении верхнего порога напряжение на выходе становится положительным, при пересечении(сверху-вниз) нижнего порога — становится отрицательным. Давайте посмотрим как выглядит гистерезис на осциллограмме. Синий луч — напряжение на генераторе, красный — напряжение на ивертирующем входе, зелёный — на прямом, фиолетовый — на выходе ОУ.
Резкое изменение напряжения на прямом входе(зелёный луч) при пересечении порога, как раз и есть следствие положительной обратной связи, ускоряющей процесс переключения ОУ.
Похожие статьи
