Інтегратор, диференціатор, суматор, компаратор на ОП.

На основі ОП широко використовуються схеми інвертувальних та неінвертувальних суматорів. На рис.87 показано схеми інвертувального (а) та неінвертувального суматорів (б).

Рисунок 87 – Схема інвертувального (а) та неінвертувального (б) суматорів

 

Розглянемо роботу інвертувального суматора. Враховуючи особливості роботи інвертуючого підсилювача, запишемо за першим законом Кірхгофа

і_вх1 + і_вх2 + і_зв.з =0.

Виразивши струми через напруги, отримаємо:

- u_вих /R₃ = u_вх1 /R₁ + u_вх2 /R₂.

Звідки

u_вих = - (u_вх1 R₃ /R₁ + u_вх2 R₃ /R₂).

Переважно, в схемах суматора опори вхідних резисторів приймають однаковими за величиною (R₁ = R₂ = R), тоді вихідна напруга

u_вих = - R₃ /R (u_вх1 + u_вх2).

Отже, вихідна напруга ОП буде визначатись сумою вхідних напруг із відповідним масштабним множником.

Якщо вхідні сигнали подавати на неінвертувальний вхід ОП (рис.87,б), то отримаємо схему неінвертувального суматора.

Враховуючи, що R_{вх оп} = ∞, отримаємо за першим законом Кірхгофа

і_вх1 + і_вх2 =0.

Або визначивши струми через вхідні напруги за другим законом Кірхгофа,

(u_вх1 – u_зв.з)/ R +(u_вх2 – u_зв.з)/ R= 0.

Звідки (u_вх1 + u_вх2)=2 u_зв.з . З врахуванням того, що

u_зв.з = β u_вих,

де β = R₁ / (R₁ + R₂), отримаємо

u_вих = (R₁ + R₂)(u_вх1 + u_вх2)/2 R₁.

Якщо неінвертувальний суматор має n входів, то вихідна напруга такого суматора, буде визначатись

u_вих = ((R₁ + R₂)/nR₁ )∙(u_вх1 + u_вх2+…+ u_{вх n} ).

Інтегратори – пристрої електроніки, що реалізують функцію інтегрування й виконуються на базі іынвертувального операційного підсилювача шляхом введенням в ланку від'ємного зворотного зв'язку конденсатора С (рис.88).

Рисунок 88 – Схема інтегратора на ОП

 

Враховуючи, що R_{вх оп} = ∞, то і_вх = - і_C. Записавши рівняння за другим законом Кірхгофа для вхідного і вихідного контурів

u_вх - u_вх.оп = R і_вх ,

u_вх.оп + u_С - u_вих = 0

і враховуючи, що для ОП u_вх.оп = 0, отримаємо

і_вх = u_вх /R, u_вих = u_С = 1/С∫і dt.

Отже, із врахуванням рівняння для ємності отримаємо, що вихідна напруга такої схеми є пропорційною до інтеграла від вхідної напруги

u_вих = -1/RС∫u_вх dt.

Якщо вхідна напруга – незмінна за величиною u_вх =U, то вихідна напруга буде пропорційна до тривалості часу інтегрування t(рис.89,а).

u_вих = (-1/RС)∙ U∙t.

Рисунок 89 – Часові діаграми інтегратора

 

Тривалість інтегрування визначається часом перехідного процесу, що виникає в ланці R-C при поданні u_вх , а швидкість інтегрування (нахил прямої) визначається сталою часу τ = RС.

Якщо u_вх є знакозмінною, то напруга на виході інтегратора буде трикутноподібною, що використовується лінійно-змінної напруги (рис.89,б).

Компаратори – це електронні пристрої, призначені для порівняння напруг, які використовуються в системах контролю та автоматичного керування й відносяться до елементів імпульсної техніки. Компаратор, виконаний на базі ОП (рис.90,а, порівнює вимірювану напругу u_вх, яка подається на один із входів (переважно на інвертувальний), із опорною напругою (наперед заданою) U_ОП  , яка подана на інший вхід. Опорна напруга є незміною в часі, додатної чи від′ємної полярності. Коли u_вх = U_ОП  вихідна напруга ОП змінює свій знак на протилежний (U+ _вих.max  на U^- _вих.max   чи навпаки).Тому компаратор має ще назву «нуль-орган», оскільки зміна полярності вихідної напргуи (перемикання) відбувається за умови, що u_вх - U_ОП = 0, де U_ОП – задана напруга.

Рисунок 90 – Схема компаратора (а) та його часові діаграми (б)

 

Якщо на інвертувальний вхід подається синусоїдний сигнал (u_вх), а на неінвертувальний – постійна напруга (U_ОП) додатної полярності (рис.90, б), то вхідна напруга ОП

u_{вх оп} = u_вх - U_ОП.

До моменту часу від 0 до t₁, u_{вх оп} < 0, тому u_вих = U⁺ _вих.max. В проміжку часу від t₁ до  t₂ u_{вх оп} > 0, тому u_вих = U^- _вих.max.

Компаратори для порівняння напруг однієї полярності випускають у вигляді мікросхеми, схемне зображення та передатну характеристику якого показано на рис.91.

Рисунок 91 – Схемне зображення (а) та вихідна характеристика (б)

 

 

ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ:

1 Законспектувати внутрішню будову операційного підсилювача К140УД7 та типову схему вмикання ОП.

2 Законспектувати схеми вказаних пристроїв, побудованих з використанням операційних підсилювачів та їх основні властивості

3 У чому полягає відмінність операційних підсилювачів від звичайних?

4 Які основні параметри операційного підсилювача?

5 Яка роль зворотного зв'язку в операційному підсилювачі?

6 Як впливає ЗЗ ОП на його передатну характеристику?

7 Назвіть схеми на базі ОП для реалізації математичних операцій.

8 Подайте особливості застосування операційних підсилювачів для перетворення аналогових сигналів.

9 Поясніть роботу інтегратора.

10 Чому і який елемент називають «нуль-органом»?

 

ВИКЛАДАЧ – Ковальова Т.І.

 

ЛЕКЦІЯ № 26 (2 год.)