А это что ещё за зверь невиданный, спросите вы. И накой он нам вообще сдался. Что с ним хорошего можно сделать. А вот это уже будет более правильный вопрос, так как сделать с ним можно много чего, причем очень простого для понимания. Для меня это было значительно проще чем понимать транзисторы, хотя со временем я и их освоил.
Итак, как же это чудо выглядит на картинке. А примерно вот так. Мы видим у него два входа (обозначены + и - ) и один выход (на самом деле я лукавлю, и не показываю остальные выводы операционника, коих ещё как минимум два - +Uпит и -Uпит, но сейчас они нам не нужны).
Для ясности дальнейшего изложения назовем вход, обозначенный значком "+" - неивертирующим, а вход со значком "-" - инвертирующим.
А теперь давайте посмотрим как это работает.
Если напряжение на входе "+", больше чем на "-", то на выходе установится напряжение +Uпит. Если ситуация обратная, то на выходе будет напряжение -Uпит. Хм, если у него на выходе всего два состояния, то зачем нужен такой усилитель? Правильно, без обратной связи он нам и не нужен, ибо она-то и позволяет придать операционному усилителю такие приятные свойства.
Что такое обратная связь, спросите вы? Непонятное какое-то слово.
Ну в общем это когда часть сигнала с выхода подается на вход, чтоб скорректировать самого себя. Непонятно? Ну тогда будем разбираться на примерах. А для начала выучим два правила работы с "идеальными" операционными усилителями. С реальными мы познакомимся чуть позже.
1. Выход операционного усилителя всегда стремится сделать так, чтоб напряжение между входами было равно 0.
2. Входы операционного усилителя ток не потребляют.
Ну что-то ты совсем нас запутал, скажите вы. Тогда начинам смотреть примеры.
На рисунке изображена схема классического инвертирующего усилителя. Почему инвертирующего. А вот сейчас прям и разберемся. Применяем правило №1 мы видим, что потенциал инвертирующего входа будет равен 0В (потенциал земли). А это значит, что через резистор R2 протечет ток равный Uвх(на схеме 1 В)/R2. Ну ладно, течет и течет, а дальше то что. А дальше начинается применение правила №2. Раз входы операционного усилителя не потребляют ток, значит так просто на землю он не стекает, а поскольку деваться ему собственно некуда, то он продолжает течь через резистор R1. Ну а раз так, то на резисторе R1 создается падение напряжения, равное IR1. То есть на выходе будет напряжение равное Uвх(R1/R2). Браво. Только давайте разбираться со знаком этого напряжения: поскольку у нас входное напряжение было больше чем потенциал земли, то потенциал инвертирующего входа должен быть выше чем потенциал выхода, то есть на выходе мы должны получить напряжение -Uвх(R1/R2). То есть мы усилили входное напряжение в R1/R2 раз, ну и сменили его полярность. Поэтому такой усилитель называется инвертирующим.
Теперь попробуем рассмотреть схему неинвертирующего усилителя. Она немного отличается от этой схемы. Опять начинаем применять те правила, которые мы уже выучили. Потенциал инвертирующего входа должен быть равен потенциалу неинвертирующего -> через резистор R2 протекает ток Uвх(опять 1В)/R2. Ну а поскольку входы ток не потребляют и не отдают, то придется этот ток брать с резистора R1, напряжение на котором будет IR1, а с учетом того, что инвертирующий вход имеет напряжение, равное напряжению на входе, то напряжение выхода будет равно Uвых=Uвх(1+R1/R2). То есть мы усилили напряжение, не изменяя его полярности. Отлично. Если эти вещи мы освоили, то можно переходить к следующей части нашего повествования. В заключение этой части хочется лишь назвать микросхемы операционных усилителей. Из отечественных это серия К140УДxx. Самый ходовой это видимо К140УД6, хотя я могу и ошибаться. Из зарубежных, их так много, что перечислять их я не считаю возможным, скажу лишь, что в основном на этом деле специализируется фирма Analog Devices.
Итак, ставим себе задачу - измерить ток в разрыве какой-нибудь цепи, причем сразу оговоримся, что речь идет о токах 1мкА и меньше, поскольку в этом случае обычный тестер нельзя будет использовать, у него не хватит разрешающей способности. У моего рабочего Mastech M890C минимальный предел это 2 мА, что означает, что меньше чем 10 мкА он просто не регистрирует. Поэтому надо что-то делать. Как будем действовать? Думать, вспоминать закон Ома и соображать. Так уж повелось, что все измерительные приборы, которыми мы пользуемся в последнее время весьма охотно измерят напряжение, а ток меряют только после какого-нибудь преобразования тока в напряжения. Может я плохо информирован, но о токовых АЦП я не слышал, а АЦП, которые измеряют напряжение стоят повсюду. Поэтому будем преобразовывать ток в напряжение.
Простейшим преобразователем тока в напряжение является обыкновенный резистор. Напряжение на нем по закону Ома равно произведению тока на сопротивление. Итого, если мы пропустим ток в 1 мкА через резистор в 1кОм, то напряжение на нем составит 1мкА*1кОм=1мВ. Мало, АЦП не зарегистрирует, нужно усиливать. Ну тогда можно применить одну из схем, которые мы изучили в предыдущей части нашего повествования. Например, схему неинвертирующего усилителя. Получилось у нас ровно то, что изображено на рисунке. Какие недостатки у этой схемы? Ну один просто очевиден - падение напряжения на таком измерителе будет зависеть от тока, протекающего в цепи, что может исказить реальное значение тока. Ну и высокое входное сопротивление прибора, а поскольку амперметр должен иметь низкое входное сопротивление, то что-то нам подсказывает, что эта схема не очень хорошо будет работать. Хотя оговоримся сразу же - для больших токов эта схема замечательно работает, особенно потому, что при больших токах существенными становятся процессы тепловыделения, а поэтому количество элементов, через которые протекает большой ток следует уменьшить.
Ну да ладно, лирическое отступление закончили, принялись сочинять схему, которая была бы свободна от этих недостатков. А что будет если взять схему инвертирующего усилителя (кто не помнит, то см. первую часть), выкинуть из неё входной резистор (кто не понял, это который R2), выкинуть источник входного напряжения, а вместо него подвести к инвертирующему входу измеряемый ток, что будет. Правильно, на выходе будет напряжение -IизмR1. Не забыли почему минус. Молодцы. Итак, что мы видим, мы преобразовали входной ток в напряжение на выходе, но между входами у нас 0В при любом входном токе, при котором выходное напряжение не достигает напряжения питания(ну не может больше операционный усилитель выдать на выходе, а поэтому ограничен диапазон токов, которые можно измерять). Тогда, опять таки если мы возьмем входной ток в 1мкА, а сопротивление R1 в 1МОм, то напряжение на выходе составит -1В. Хм, а это уже легко измеряется любым вольтметром, хоть тестером, хоть каким-нибудь В7-35, который я использую для разных своих дел. Вот как все замечательно. Осталось только разобрать один очень интересный вопрос, который называется Т-цепочка. Что это такое, давайте представим себе такую ситуацию - вы идете в магазин, а там нет резистора 1МОм, есть только 100 кОм и меньше.
Вот блин засада, нужно ставить второй операционник и усиливать сигнал по напряжению. В принципе вариант, но можно поступить хитрее. И использовать вот такую схему.
Спрашивается, какое напряжение будет на выходе? Ну если вы усвоили два правила работы с операционными усилителями и закон Ома(его то я надеюсь вы помните), то вам нетрудно будет понять, что напряжение на выходе составит -IвхR1(1+R2/R3). А это значит, что если мы хотим получить коэффициент преобразования порядка 107 В/А, то нам нужны сопротивления R1=100кОм, R2=99кОм, R3=1кОм. А уж такие сопротивления вы легко найдете в магазине, или в собственной коллекции. А для чего нужны такие большие коэффициенты преобразования - для измерения токов порядка 1 нА и меньше.
Источник: http://www.radiokot.ru
|
