ИЗБРАННЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

5.0. Введение

Почему операционный усилитель так популярен? Данная глава посвящена ответу на этот вопрос путем представления целого ряда различных применений ОУ. Эти схемы были выбраны так, чтобы показать, что ОУ является почти идеальным устройством. Более того, разнообразие операций, которые он может выполнить, почти безгранично. Действительно, многие, обычно очень трудно реализуемые функции, такие, например, как измерение тока короткого замыкания, при наличии ОУ осуществляются очень просто. Имея операционный усилитель, источник питания и несколько резисторов, можно, например, измерять выходной ток фотодетекторов, осуществлять регулировку тембров в усилителе НЧ, уравнивать амплитуды сигналов различных частот, управлять большими токами, осуществлять согласование характеристик полупроводниковых приборов. Мы начинаем с построения на ОУ схемы вольтметра постоянного и переменного тока с высоким входным сопротивлением.

5.1. Вольтметр постоянного тока с высоким входным сопротивлением

5.1.1. Основная схема для измерения напряжения. На рис. 5.1

показан простой, но очень эффективный вольтметр постоянного тока с высоким входным сопротивлением. Напряжение вх, которое необходимо измерить, подается на вход ( + ) ОУ. Так как дифференциальное входное напряжение равно О В, все напряжение вх падает а Rex- Ток через измерительный прибор /изм определяется £вх и Rbx точно так же, как в неинвертирующем усилителе:

/ зм=-. (5.1)

Если Rbx=1 кОм, то при постоянном напряжении Евх=1 В через измерительный прибор будет протекать ток 1 мА. Миллиамперметр, следовательно, можно калибровать непосредственно в вольтах. Из рис. 5.1 видно, что данная схема позволяет измерять любое постоянное напряжение в диапазоне от -1 до -Ь 1 В. Пример 5.1. Определить /нам на рис. 5.1.

4, =/л-Л7

Миллиамперметр

Измеряемое 1 Л

мопрлолеиие Г I

Рис. 5.1. Вольтметр постоянного тока с высоким входным сопротивлением.

Решение. По формуле (5.1) определяем /изм=0,5 В/1 кОм=0,5 мА. Стрелка :13мерительного прибора остановится посередине между делениями О и -fl мА.

Одно из преимуществ схемы на рис. 5.1 состоит в том, что вход (-Ь) оказывает очень большое сопротивление источнику сигнала Еьх. Так как вход (-Ь) потребляет пренебрежимо малый ток, он не будет нагружать или изменять измеряемое напряжение. Другое преимущество заключается в том, что благодаря включению измерительного прибора в контур обратной связи изменения сопротивления измерительного прибора не будут оказывать никакого влияния на ток через него. Даже если включить последовательно с измерительным прибором в контур обратной связи резистор, то и это не повлияет на /изм)

объясняется это тем, что /изм определяется только £вх и Rbx. Выходное напряжсние при изменснии сопро-тивления измерительного прибора будет изменяться, однако [/вых в данной схеме нас не интересует. Эту схему иногда называют пре-образовате.пем напряжение - ток.

5.1.2. Изменение шкалы вольтметра. Поскольку входное напряжение в схеме рис. 5.1 не должно превышать напряжений питания (±15 В), уместно взять за предел изменениявх напряжение ±10 В. Наиболее просто преобразовать показанный на рис. 5.1 вольтметр со шкалой ±1 В в вольтметр со шкалой ±10 В, изменив номинал Rbx на 10 кОм. Другими словами, следует выбрать такой Rbx, чтобы полная шкала входного напряжения fuiK была равна произведению Rbx на ток ПОЛНОЙ шкалы измерительного прибора /шк. т. е.

вг=--. (5.2)

Рис. 5.2. Вольтметр переменного юка с высоким входным сопротивлением.

Пример 5.2. В схему рис. 5.1 необходимо включить микроамперметр с /шк=50 мкА. Определить вх Для £ш1(=5 В.

Решение. Из (5.2) следует, что /?вх=5 В/50 мкА=100 кОм. Для измерения более высоких входных напряжений следует использовать делитель напряжения. Выход делителя подключается ко входу (+) операционного усилителя.

5.2. Вольтметр переменного тока с высоким входным сопротивлением

На рис. 5.2 показана схема, представляющая собой вольтметр переменного тока с высоким входным сопротивлением. Переменное напряжение Евх и сопротивление Rbx определяют мгновенное значение тока, протекающего через Rbx и контур обратной связи. Четыре диода, показанные на схеме, образуют двухполупериодный мостовой выпрямитель, в диагональ которого включен измерительный прибор. Эти диоды включены таким образом, что ток через амперметр проходит только в одном направлении - от зажима { + ) к зажиму (-). Таким образом, ток через измерительный прибор / зм является выпрямленным повторением переменного тока, проходящего через Rbx. Стрелка измерительного прибора постоянного тока реагирует на среднее значение выпрямленного тока. При синусоидальном £вх через измерительный прибор будет протекать ток

4зм=0,636 %0 9-£

?вх

(5.3)

где Евх.пнк - пиковое, а Еэфф - эффективное (действующее) значение Евх-

При.чер 5.3. На рис. 5.2 /изм соответствует отклонению стрелки мршроам-перметра постоянного тока со шкалой 100 мкА. Требуется рассчитать схему так, чтобы стрелка микроамперметра отклонялась на всю шкалу при £вх= = 1 В (эфф.), т. е. определить /?вх, при котором шкалу микроамперметра можно было бы откалибровать на полное отклонение в 1 В.

Решение. Преобразовав (5.3), получаем

-£эфф

Следует подчеркнуть тот факт, что сопротивление диодов не влияет НЭ /цзм- Единственные параметры схемы, которые определяют /изм,- это Rbx и Евх- Дзнную схему иногда называют преобразователем переменного напряжения в постоянный ток. Читатель уже мог заметить, что высокоомный вольтметр переменного тока с 1-вольтовой шкалой будет работать как вольтметр постоянного тока с высоким входным сопротивлением и шкалой 1 В, если мы изменим сопротивление Rbx в примере 5.3 на 10 кОм. Следовательно, все, что необходимо для превращения вольтметра неременного тока в вольтметр постоянного тока, - это включить последовательно с 9-килоомным резистором резистор в 1 кОм.

5.3. Преобразователи напряжение - ток: плавающие

нагрузки

5.3.1. Управление током нагрузки от источника напряжения).

Из разд. 5.1 и 5.2 мы уяснили себе не только то, как работает вольтметр, но и то, что ток в контуре обратной связи зависит от входного напряжения и от Rbx- В ряде случаев необходимо, чтобы через нагрузку протекал неизменный ток, хотя сопротивление нагрузки и напряжение на ней могут изменяться. Если нагрузку не требуется заземлять, то мы можем просто включить ее в контур обратной связи операщ1онного усилителя и регулировать входной ток и ток нагрузки так, как было описано в разд. 5.1.

5.3.2. Схема для проверки стабилитронов. Предположим, что мы должны определить напряжение стабилизации ряда стабилитронов при токе точно 5 мА. Если мы включим стабилитрон в цепь обратной связи, как показано на рис. 5.3, а, то схема вольтметра, представленная на рис. 5.1, превратится в схему для проверки стабилитронов. В этом случае £вх и ;?вх задают неизменный ток нагрузки

> Имеется в виду, что ток в нагрузке пропорционален входному напряжению схемы и не зависит от сопротивления нагрузки. - Прим. ред.

Глава 5

Рис 5.3. Схемы, в которых входное напряжение задает ток в нагрузке, включенной в цепи обратной связи, а -схема для проверки стабилитронов потребляет от источника ток пренебрежимо

малой величины (ток в нагрузке создает ОУ); б - ток нагрузки в схеме проверки диодов

равен току входной цепи.

(т. е. ТОК через стабилитрон). £вх вынуждает (7вых становиться все более отрицательным до тех пор, пока не наступит пробой стабилитрона и напряжение на нем не будет ограничено на уровне t/ст. Квх преобразует £вх в ток, и, так как /?вх и Ел имеют неизменные значения, ток нагрузки будет неизменным независимо от значения напряжения пробоя стабилитрона. Поскольку стабилитрон питается неизменным током, такую схему называют источником, неизменного тока. Однако по существу - это схема преобразователя напряжение- ток. Напряжение пробоя стабилитрона можно определить по f/вых и Евх как [/ст=С/вых-£вх.

Пример 5.4. Пусть в схеме рис. 5.3, а С/вых=10,3 В, Евх=5 В и Rbx= 1 кОм. Определить а) ток через стабилитрон и б) напряжение пробоя стабилитрона.

Решение, а) Из (3.1) I=EbJRbx. или 7=5 В/1 кОм=5 мА. б) Из рис. 5.3, о, переписав выражение для (/вых, находим

С/ст = С/вых - £ех= 10,3В -5В = 5,ЗВ.

5.3.3. Схема для проверки диодов. Предположим, что мы имеем партию диодов и нам необходимо подобрать пары, согласованные по падению напряжения при определенном значении тока через диод. Включим диод в цепь обратной связи, как по,казано на рис. 5.3, б. Напряжение £вх и сопротивление Rbx определят значение /. Вход (-) потребляет пренебрежимо малый ток, вследствие чего весь ток / проходит через диод. До тех пор пока Евх и Rbx будут постоянны, ток через диод также будет неизменным и равным: I-EbxIRbx. Напряжение бвых будет равно падению напряжения на диоде по тем же причинам, по которым С/вых равнялось С/до.сВ инвертирующем усилителе (см. разд. 3.1).

пример 5.5. Пусть на рис. 5.3,6 £вх=1 В, /?вх=1 кОм и Свых= Определить а) ток через диод и б) падение напряжения на нем.

Решение, а) 1=Евх!Рвх=Л В/И kOm=i1 мА. б) С/д=(/вых=0,6 В.

:0,6 В.

У схемы на рис. 5.3,6 есть один недостаток: требуемый ток через диод должен обеспечивать источник вх. Обе схемы, показанные на рис. 5.3, могут отдавать ток не выше 10 мА, поскольку выходной ток ОУ ограничен. Более высокие токи нагрузки следует получать от источника питания, как показано в разд. 5.4.

5.4. Схема проверки светодиодов

Показанная на рис. 5.4 схема преобразует вх в ток нагрузки, равный 20 мА, работая как описано в разд. 5.1-5.3. Так как с выхода ОУ 741 можно получать ток, не превышающий 5-10 мА, мы не можем использовать для получения более высоких значений тока нагрузки схемы, представленные на рис. 5.1-5.3. Однако, если мы включим в схему дополнительный транзистор, как показано на рис. 5.4, ток в нагрузку будет поступать с зажима источника питания. При этом от ОУ требуется только формировать ток транзистора, который в типичном случае в 100 раз меньше тока нагрузки (в предположении, что коэффициент усиления транзистора по току р=100). Так как ОУ может выдавать в базу транзистора ток до 5 мА, данная схема способна отдавать в нагрузку ток до 5 мАХ 100=0,5 А.

В спецификации на светодиод типа MLED 50 указано, что он имеет яркость 150 нт при прямом токе через диод 20 мА. Напряжение £вх и сопротивление Rbx с указанными на схеме значениями