Компараторы

Если использовать операционный усилитель без отрицательной обратной связи (ООС), то однозначно можно говорить о том, что получится . Для того, чтобы разобраться как же он работает, можно проделать несколько простых, но наглядных опытов. Для этого понадобится немного: собственно операционный усилитель, блок питания с напряжением 9…25В, несколько резисторов, пара светодиодов и вольтметр ().

Из светодиодов и резисторов собирается простейший логический пробник, как показано на рисунке 1.

При подаче на вход пробника положительного напряжения (можно даже подать +U) светится красный светодиод, а если вход соединить с общим проводом, то зажжется зеленый. С помощью такого пробника состояние выхода испытываемого операционного усилителя становится наглядным и понятным.

В качестве подопытного «кролика» подойдет любой, не особо качественный и дорогой , например КР140УД608(708) в пластмассовых корпусах либо К140УД6(7) в круглых металлических.

Рисунок 1. Схема простого логического пробника

Следует при этом отметить, что несмотря на разные корпуса, цоколевка этих микросхем одинакова и соответствует показанной на схемах ниже. Чаще случается, что цоколевка пластмассовых и металлических корпусов не совпадает, хотя по сути дела это одинаковые микросхемы. Сейчас большая часть операционных усилителей, особенно импортных, выпускаются в пластмассовых корпусах, и все работает хорошо и прекрасно, и никакой путаницы с цоколевками. А раньше такие «пластмассовые» микросхемы у специалистов презрительно назывались «ширпотребовскими».

Рисунок 2. Схема на операционном усилителе

Для первых опытов соберем схему, показанную на рисунке 2. Здесь сделано не так уж много: к однополярному источнику питания подключен собственно операционный усилитель и показанный на рисунке 1 логический пробник. Напряжение питания +U однополярное величиной 9…30В. Величина напряжения в наших опытах особого значения не имеет.

Вот тут может возникнуть вполне законный вопрос: «Почему же пробник логический, ведь операционный усилитель аналоговый элемент?». Да, но в данном случае операционный усилитель работает не в режиме усиления, а в режиме компаратора, и на выходе имеет всего два уровня. Напряжение близкое к 0В, называется логическим нулем, а напряжение близкое к +U логической единицей. В случае двухполярного питания логическому нулю соответствует напряжение близкое к -U.

При подаче напряжения питания один из светодиодов обязательно должен засветиться. На вопрос какой, красный или зеленый ответить нельзя, поскольку все зависит от параметров конкретного операционного усилителя и от внешних условий, например от сетевых наводок. Если взять несколько однотипных ОУ, то результаты будут самые различные.

Напряжение на выходе операционного усилителя контролируется вольтметром: если светится красный светодиод, то вольтметр покажет напряжение близкое к +U, а в случае свечения зеленого светодиода напряжение будет почти нулевое.

Теперь можно попробовать подать на входы какие-нибудь напряжения и посмотреть по индикаторам и вольтметру как будет вести себя операционный усилитель. Проще всего подать напряжения коснувшись одним пальцем по очереди каждого входа операционного усилителя, а другим одного из выводов питания. При этом должно измениться свечение пробника и показания вольтметра. Но этих изменений может и не произойти.

Все дело в том, что некоторые операционные усилители рассчитаны на то, что напряжение на входах находится в определенных пределах: несколько выше, чем напряжение на выводе 4 и несколько ниже, чем напряжение питания на выводе 7. Это «несколько ниже, выше» составляет 1…2В. Чтобы продолжить опыты, выполнив указанное условие, придется собрать чуть более сложную схему, показанную на рисунке 3.

Рисунок 3.

Теперь напряжение на входы подается с помощью переменных резисторов R1, R2, движки которых следует перед началом измерений установить вблизи среднего положения. Вольтметр теперь переместился в другое место: он будет показывать разность напряжений между прямым и инверсным входами.

Лучше, если этот вольтметр будет цифровой: полярность напряжения может изменяться, на индикаторе цифрового прибора покажется знак «минус», а стрелочный прибор просто «зашкалит» в обратную сторону. (Можно применить стрелочный вольтметр со средней точкой шкалы.) К тому же входное сопротивление цифрового вольтметра намного выше, чем у стрелочного, следовательно результаты измерений получатся точнее. Состояние выхода будем определить по светодиодному индикатору.

Здесь уместно дать такой совет: лучше эти простые опыты проделать своими руками, а не просто прочитать и решить, что все просто и понятно. Это как прочитать самоучитель игры на гитаре, при этом гитару не взяв ни разу в руки. Итак, начнем.

Первое, что надо сделать это установить движки переменных резисторов примерно в среднее положение, при этом напряжение на входах операционного усилителя близко к половине напряжения питания. Чувствительность вольтметра следует сделать максимальной, но, возможно, не сразу, а постепенно, чтобы не спалить прибор.

Предположим, что на выходе операционного усилителя низкий уровень, светится зеленый светодиод. Если это не так, то такого состояния можно добиться, вращая переменный резистор R1 таким образом, чтобы движок перемещался вниз по схеме - можно практически до 0В.

Теперь с помощью переменного резистора R1 начнем прибавлять напряжение на прямом входе операционного усилителя (вывод 3), наблюдая за показаниями вольтметра. Как только вольтметр покажет положительное напряжение (напряжение на прямом входе (вывод 3) больше, чем на инверсном (вывод 2)) зажжется красный светодиод. Следовательно напряжение на выходе операционного усилителя высокое или, как условились ранее, логическая единица.

Небольшая справка

Точнее даже не логическая единица, а высокий уровень: логическая единица обозначает истинность сигнала, мол, событие произошло. Но эта истинность, эта логическая единица может быть выражена и низким уровнем. В качестве примера можно вспомнить интерфейс RS-232, в котором логической единице соответствует отрицательное напряжение, в то время как логический ноль имеет положительное напряжение. Хотя в других схемах логическая единица чаще всего выражается высоким уровнем.

Продолжим научный опыт. Начнем осторожно и медленно вращать резистор R1 в обратную сторону, следя за показаниями вольтметра. В определенный момент он покажет ноль, но красный светодиод еще будет светиться. Поймать положение в котором оба светодиода погашены вряд ли удастся.

При дальнейшем вращении резистора полярность показаний вольтметра также изменится на отрицательную. Это говорит о том, что напряжение на инверсном входе (2) по абсолютному значению выше, чем на прямом входе (3). Зажжется зеленый светодиод, что говорит о низком уровне на выходе операционного усилителя. После этого можно продолжать вращать резистор R1 в том же направлении, но изменений никаких не произойдет: зеленый светодиод не погаснет и даже нисколько не изменит яркость.

Такое явление имеет место когда операционный усилитель работает в режиме компаратора, т.е. без отрицательной обратной связи (иногда даже с ПОС). Если же ОУ работает в линейном режиме, охвачен отрицательной обратной связью (ООС), то при вращении движка резистора R1 напряжение на выходе меняется пропорционально углу поворота, читай разности напряжений на входах, а вовсе не ступенькой. В этом случае яркость светодиода можно изменять плавно.

Из всего сказанного можно сделать вывод: напряжение на выходе операционного усилителя зависит от разницы напряжений на входах. В случае, когда напряжение на прямом входе выше, чем на инверсном, выходное напряжение имеет высокий уровень. В противном случае (напряжение на инверсном выше, чем на прямом) на выходе уровень логического нуля.

В самом начале этого эксперимента было рекомендовано установить движки резисторов R1, R2 приблизительно в среднее положение. А что будет, если первоначально установить их на третью часть оборота или на две трети? Да собственно ничего не изменится, все будет работать также, как было описано выше. Из этого можно сделать вывод, что сигнал на выходе операционного усилителя не зависит от абсолютного значения напряжений на прямом и инверсном входах. А зависит только от разницы напряжений.

Из всего сказанного можно сделать еще один важный вывод: операционный усилитель без обратной связи представляет собой компаратор - сравнивающее устройство. В таком случае на один вход подается опорное или образцовое напряжение, а на другой напряжение, величину которого надо контролировать. На какой вход подавать опорное напряжение решается в процессе разработки схемы.

В качестве примера на рисунке 4 показана схема , на входе которого имеются сразу 2 внутренних компаратора DA1 и DA2.

Рисунок 4. Схема интегрального таймера NE555

Их назначение - управление внутренним . Логика управления достаточно проста: логическая единица с выхода компаратора DA2 устанавливает триггер в единицу, а логическая единица с выхода компаратора DA1 сбрасывает триггер.

На резисторах R1…R3 собран делитель, подающий опорные напряжения на входы компараторов. Все три резистора имеют одинаковые сопротивления (5Ком), формирующие напряжения 2/3 и 1/3 напряжения питания, которые поданы, соответственно, на инвертирующий вход DA1 и на неинвертирующий вход DA2.

В плане того, что было написано выше, получается, что логическая единица на выходе компаратора DA1 получится в том случае, если входное напряжение на прямом входе превысит опорное на инверсном (2/3Uпит.), триггер сбросится в ноль.

Для того, чтобы установить триггер в 1, требуется получить высокий уровень на выходе внутреннего компаратора DA2. Такое состояние будет достигнуто когда уровень напряжения на инверсном входе DA2 будет меньше 1/3Uпит. Именно такое опорное напряжения подано на прямой вход компаратора DA2.

Здесь не ставится цель описания интегрального таймера NE555, просто в качестве примера использования ОУ показаны входные компараторы, спрятанный внутри микросхемы. Для тех, кому интересно применение таймера 555, можно рекомендовать для прочтения статью .

Высокая точность измерений величины ВЧ-напряжений (до третьего-четвертого знака) в радиолюбительской практике, собственно, и не нужна. Больше важна качественная составляющая (наличие сигнала достаточно высокого уровня - чем больше, тем лучше). Обычно, при измерении ВЧ-сигнала на выходе гетеродина (генератора), такая величина не превышает 1,5 – 2 вольт, а сам контур в резонанс настраивают по максимальной величине ВЧ напряжения. При настройках в трактах ПЧ сигнал покаскадно повышающаяся от единиц до сотни милливольт.

Для таких измерений до сих пор часто предлагаются ламповые вольтметры (типа ВК 7-9, В 7-15 и др.) с диапазонами измерений 1 -3в. Высокое входное сопротивление и малая входная емкость в таких приборах является определяющим фактором, а погрешность составляет до 5-10% и определяется точностью применяемой стрелочной измерительной головки. Измерения таких же параметров можно проводить с помощью самодельных стрелочных приборов, схемы которых выполнены на полевых транзисторах. Например, в ВЧ милливольтметре Б.Степанова (2) входная емкость составляет всего 3 пФ, сопротивление на различных поддиапазонах (от 3 мВ до 1000 мВ) даже в худшем случае не превышает 100 кОм при погрешности +/- 10% (определяется применяемой головкой и погрешностью КИП для градуировки). При этом измеряемое ВЧ напряжение с верхней границей частотного диапазона 30 мГц без явной частотной погрешности, что вполне приемлемо в радиолюбительской практике.

Т.к. современные цифровые приборы для большинства радиолюбителей все еще дороги, в прошлом году в журнале «Радио» Б.Степанов (3) предложил применять ВЧ-пробник для дешевого цифрового мультиметра типа М-832 с подробным описанием его схемы и методики применения. Между тем, не затрачивая вообще средств, с успехом можно применять стрелочные ВЧ-милливольтметры, при этом освобождая основной цифровой мультиметр для параллельно проводимых измерений тока или сопротивления в разрабатываемой схеме…

По схемотехнике предлагаемый прибор очень прост, а минимум применяемых комплектующих найдутся «в ящике» практически каждого радиолюбителя. Собственно, в схеме ничего нового нет. Применение ОУ для таких целей подробно описано в радиолюбительской литературе 80-90 годов (1, 4). Использована широкораспространенная микросхема К544УД2А (или УД2Б, УД1А, Б) с полевыми транзисторами на входе (а значит и с высоким входным сопротивлением). Можно применять любые операционные усилители других серий с полевиками на входе и в типичном включении, например, К140УД8А. Технические характеристики милливольтметра-вольтметра соответствуют приведенным выше, поскольку основой прибора стала схема Б.Степанова (2).

В режиме вольтметра коэффициент усиления ОУ равен 1 (100% ООС) и напряжение измеряется микроамперметром до 100 мкА с добавочными сопротивлениями (R12 – R17). Они, собственно, и определяют поддиапазоны прибора в режиме вольтметра. При уменьшении ООС (переключателем S2 включаются резисторы R6 – R8) Кус. возрастает, соответственно повышается чувствительность операционного усилителя, что позволяет его использовать в режиме милливольтметра.

Особенностью предлагаемой разработки является возможность работы прибора в двух режимах – вольтметра постоянного тока с границами от 0,1 до 1000 в, и милливольтметра с верхними границами поддиапазонов 12,5, 25, 50 мВ. При этом в двух режимах используется один и тот же делитель (Х1, Х100), так что, к примеру, на поддиапазоне 25 мВ (0,025 в) с применением множителя Х100 можно измерять напряжение 2,5 в. Для переключения поддиапазонов прибора применен один многопозиционный двухплатный переключатель.

С применением выносного ВЧ-пробника на германиевом диоде ГД507А можно измерять ВЧ-напряжение в тех же поддиапазонах с частотой до 30 мГц.

Диоды VD1, VD2 защищают стрелочный измерительный прибор от перегрузкок при работе. Еще одной особенностью защиты микроамперметра при переходных процессах, возникающих при включении-выключении прибора, когда стрелка прибора зашкаливает и может даже погнуться, является применение релейного отключения микроамперметра и замыкание выхода ОУ на нагрузочный резистор (реле Р1, С7 и R11). При этом (при включении прибора) на зарядку С7 требуются доли секунды, поэтому реле срабатывает с задержкой и микроамперметр подключается к выходу ОУ на доли секунды позже. При выключении прибора С7 разряжается через лампу-индикатор очень быстро, реле обесточивается и разрывает цепь подключения микроамперметра раньше, чем полностью обесточатся цепи питания ОУ. Защита собственно ОУ осуществляется включением по входу R9 и С1. Конденсаторы С2, С3 являются блокировочными и предотвращают возбуждение ОУ. Балансировка прибора («установка 0») осуществляется переменным резистором R10 на поддиапазоне 0,1 в (можно и на более чувствительных поддиапазонах, но при включенном выносном пробнике возрастает влияние рук). Конденсаторы желательны типа К73-хх, но при их отсутствии можно взять и керамические 47 - 68н. В выносном щупе-пробнике применен конденсатор КСО на рабочее напряжение не менее 1000в.

Настройка милливольтметра-вольтметра проводится в такой последовательности. Сначала настраивают делитель напряжения. Режим работы – вольтметр. Подстроечный резистор R16 (поддиапазон 10в) устанавливают на максимальное сопротивление. На сопротивлении R9, контролируя образцовым цифровым вольтметром, устанавливают напряжение от стабилизированного источника питания 10 в (положении S1 - Х1, S3 – 10в). Затем в положении S1 - Х100 подстроечными резисторами R1 и R4 по образцовому вольтметру устанавливают 0,1в. При этом в положении S3 - 0,1в стрелка микроамперметра должна установиться на последнюю отметку шкалы прибора. Соотношение 100/1 (напряжение на резисторе R9 – Х1 - 10в к Х100 - 0,1в, когда положение стрелки настраиваемого прибора на последнем делении шкалы на поддиапазоне S3 – 0,1в) проверяют и корректируют несколько раз. При этом обязательное условие: при переключении S1 образцовое напряжение 10в менять нельзя.

Далее. В режиме измерения постоянного напряжения в положении переключателя делителя S1 - Х1 и переключателя поддиапазонов S3 - 10в переменным резистором R16 устанавливают стрелку микроамперметра на последнее деление. Результатом (при 10 в на входе) должны быть одинаковые показания прибора на поддиапазоне 0,1в - Х100 и поддиапазоне 10в - Х1.

Методика настройки вольтметра на поддиапазонах 0,3в, 1в, 3в и 10в прежняя. При этом положения движков резисторов R1, R4 в делителе менять нельзя.

Режим работы – милливольтметр. На входе 5 в. В положении S3 - 50 мВ делитель S1 - Х100 резистором R8 устанавливают стрелку на последнее деление шкалы. Проверяем показания вольтметра: на поддиапазоне 10в Х1 или 0,1в Х100 стрелкка должна быть на середине шкалы – 5в.

Методика настройки на поддиапазонах 12,5мВ, и 25мВ такая же, как и для поддиапазона 50мВ. На вход подается соответственно 1,25в и 2,5в при Х 100. Проверка показаний проводится в режиме вольтметра Х100 - 0,1в, Х1 - 3в, Х1 - 10в. Следует учесть, что когда стрелка микроамперметра находится в левом секторе шкалы прибора, погрешность при измерениях увеличивается.

Особенность такой методики калибровки прибора: не требуется наличие образцового источника питания 12 – 100 мВ и вольтметра с нижним пределом измерения меньше 0,1 в.

При калибровке прибора в режиме измерения ВЧ напряжений выносным пробником на поддиапазоны 12,5, 25, 50 мВ (при необходимости) можно построить корректирующие графики или таблицы.

Прибор собран навесным монтажом в металлическом корпусе. Его размеры зависят от размеров применяемой измерительной головки и трансформатора блока питания. У меня, например, работает двухполярный БП, собранный на трансформаторе от импортного магнитофона (первичная обмотка на 110в), Стабилизатор лучше всего собрать на МС 7812 и 7912 (или LM317), но можно и проще – параметрический, на двух стабилитронах. Конструкция выносного ВЧ пробника и особенности работы с ним подробно описана в (2, 3).

Используемая литература:

1. Б.Степанов. Измерение малых ВЧ напряжений. Ж. «Радио», № 7, 12 – 1980, с.55, с.28.
2. Б.Степанов. Высокочастотный милливольтметр. Ж. «Радио», № 8 – 1984, с.57.
3. Б.Степанов. ВЧ головка к цифровому вольтметру. Ж. «Радио», № 8, 2006,с.58.
4. М.Дорофеев. Вольтомметр на ОУ. Ж. «Радио», № 12, 1983, с.30.

Василий Кононенко (RA0CCN).

Понадобился точный милливольтметр переменного тока, отвлекаться на поиски подходящей схемы и подбирать детали уж очень не хотелось, и тогда взял и купил готовый набор «Милливольтметр переменного тока». Когда вник в инструкцию выяснилось, что у меня на руках только половина того что нужно. Оставил эту затею и купил на базаре древний, но в почти отличном состоянии осциллограф ЛО-70 и прекрасно всё сделал. А так как за последующее время изрядно надоело перекладывать этот пакетик с конструктором с места на место, решил всё же его собрать. Также присутствует любопытство по поводу того насколько хорош он будет.

В набор входит микросхема К544УД1Б которая представляет собой операционный дифференциальный усилитель с высоким входным сопротивлением и низким уровнем входных токов, с внутренней частотной коррекцией. Плюс печатная плата с двумя конденсаторами, с двумя парами резисторов и диодов. Также имеется инструкция по сборке. Всё скромно, но обид нет, стоит набор меньше чем одна микросхема из него в розничной продаже.

Милливольтметр, собранный по данной схеме позволяет измерять напряжение с пределами:

• 1 - до 100 мВ
• 2 - до 1 В
• 3 - до 5 В

В диапазоне 20 Гц - 100 кГц, входное сопротивление около 1 МОм, напряжение питания
от + 6 до 15 В.

Печатная плата милливольтметра переменного тока изображена со стороны печатных дорожек, для «отрисовки» в Sprint-Layout («зеркалить» не нужно), если понадобиться.

Сборка началась с изменений в компонентном составе: под микросхему поставил панельку (сохранней будет), керамический конденсатор поменял на плёночный, номинал естественно прежний. Один из диодов Д9Б при монтаже пришёл в негодность - запаял все Д9И, благо в инструкции последняя буква диода вообще не прописана. Номиналы всех устанавливаемых на плату компонентов были измерены, они соответствуют указанным в схеме (у электролита ).

В набор были включены три резистора номиналом R2 - 910 Ом, R3 - 9,1 кОм и R4 - 47 кОм однако при этом в руководстве по сборке есть оговорка что их номиналы необходимо подбирать в процессе настройки, так что сразу поставил подстроечные резисторы на 3,3 кОм, 22 кОм и 100 кОм. Их было нужно смонтировать на любой подходящий переключатель, взял имевшийся в наличии марки ПД17-1. Показался весьма удобным, миниатюрен, есть за что крепить на плате, имеет три фиксированных положения переключения.

В итоге все узлы из электронных компонентов поместил на монтажную плату , соединил их между собой и подсоединил к маломощному источнику переменного тока - трансформатору ТП-8-3, который подаст на схему напряжение 8,5 вольт.

А теперь заключительная операция - калибровка. В качестве генератора звуковой частоты использован виртуальный. Звуковая карта компьютера (даже самая посредственная) вполне прилично справляется с работой на частотах до 5 кГц. На вход милливольтметра подан от генератора звуковой частоты сигнал частотой 1000 Гц, действующее значение которого соответствует предельному напряжению выбранного поддиапазона.

Звук берётся с разъёма «наушники» (зелёного цвета). Если после подсоединения к схеме и включения виртуального звукового генератора звук «не пойдёт» и даже подключив наушники его, не будет слышно, то в меню «пуск» наведите курсор на «настройки» и выберите «панель управления», где выберите «диспетчер звуковых эффектов» и в нём нажмите на «Выход S/PDIF», где будет указано несколько вариантов. Наш тот, где есть слова «аналоговый выход». И звук «пойдёт».

Был выбран поддиапазон «до 100 мВ» и при помощи подстроечного резистора достигнуто отклонение стрелки на конечное деление шкалы микроамперметра (внимание на символ частоты, на шкале, обращать не нужно). То же самое было успешно проделано с другими поддиапазонами. Инструкция производителя в архиве. Несмотря на свою простоту, радиоконструктор оказался вполне работоспособным, и что особенно понравилось - адекватным в настройке. Одним словом набор хорош. Поместить всё в подходящий корпус (если нужно), установить разъёмы и прочее будет делом техники.

Обсудить статью МИЛЛИВОЛЬТМЕТР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? ;) Ладно, давно пора двинуть небольшой ликбезик. В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.

Что это
Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас U вых = K*U вх а К в идеале равно бесконечности. На практике, конечно, там числа поскромней. Скажем 1000000. Но даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую. Поэтому, как в детском саду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас тут много усиления;) И баста.

А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.

Более того, входы высокоомные. Т.е. их входное сопротивление равно бесконечности в идеальном случае и ОЧЕНЬ много в реальном. Счет там идет на сотни МегаОм, а то и на гигаомы. Т.е. оно замеряет напряжение на входе, но на него влияет минимально. И можно считать, что ток в ОУ не течет.

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

U out =(U 2 -U 1)*K

Очевидно, что если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.

Разумеется в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их замещать будет максимально высокое и максимально низкое напряжение питания усилителя. И у нас получится:

Компаратор
Устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Уже интересно. Применений ему можно придумать массу. Кстати, тот же компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях и про создание . Также компаратор замечательно используется для создания .

Но одним компаратором дело не ограничивается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно сделать очень многое.

Обратная связь
Если мы сигнал возьмем со выхода и отправим прямиком на вход, то возникнет обратная связь.

Положительная обратная связь
Возьмем и загоним в прямой вход сигнал сразу с выхода.

• Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
• Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт

А что будет если напряжение будет равно нулю? По идее на выходе должен быть ноль. Но в реальности напряжение НИКОГДА не будет равно нулю. Ведь даже если на один электрон заряд правого перевесит заряд левого, то уже этого достаточно, чтобы на бесконечном усилении вкатить потенциал на выход. И на выходе начнется форменный ад — скачки сигнала то туда, то сюда со скоростью случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.

Для решения этой проблемы вводят гистерезис. Т.е. своего рода зазор между переключениями из одного состояния в другое. Для этого вводят положительную обратную связь, вот так:

Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.

И для того, чтобы сменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 надо будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы добраться до верхней планки в +1.4.

Возникает своеобразный зазор где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина зазора регулируется соотношениями резисторов в R1 и R2. Пороговое напряжение высчитывается как Uout/(R1+R2) * R1 Скажем 1 к 100 даст уже +/-0.14 вольт.

Но все же ОУ чаще используют в режиме с отрицательной обратной связью.

Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:

В случае отрицательной обратной связи у ОУ появляется интересное свойство. Он всегда будет пытаться так подогнать свое выходное напряжение, чтобы напряжения на входах были равны, в результате давая нулевую разность.
Пока я в великой книге от товарищей Хоровица и Хилла это не прочитал никак не мог вьехать в работу ОУ. А оказалось все просто.

Повторитель
И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U 1 , на инверсном входе U out = U 1 . Ну и получается, что U out = U 1 .

Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую кинуть провод и не нужен будет никакой ОУ!

Можно, но далеко не всегда. Представим себе такую ситуацию, есть датчик выполненный в виде резистивного делителя:

Нижнее сопротивление меняет свое значение, меняется расклад напряжений выхода с делителя. А нам надо снять с него показания вольтметром. Но у вольтметра есть свое внутреннее сопротивление, пусть большое, но оно будет менять показания с датчика. Более того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда никак не подключить уже! Поэтому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне ощутимый ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего вполне хватит для работы лампочки.
В общем, применений для повторителя найти можно. Особенно в прецезионных аналоговых схемах. Или там где схемотехника одного каскада может влиять на работу другого, чтобы разделить их.

Усилитель
А теперь сделаем финт ушами — возьмем нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:

Теперь на инверсный вход подается половина выходного напряжения. А усилителю то по прежнему надо уравнять напряжения на своих входах. Что ему придется сделать? Правильно — поднять напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего, чтобы компенсировать возникший делитель.

Теперь будет U 1 на прямом. На инверсном U out /2 = U 1 или U out = 2*U 1 .

Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе. Чтобы тебе не вертеть в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:

U out = U 1 *(1+R 1 /R 2)

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

При этом получается, что входной сигнал идет по цепи резисторов R 2 , R 1 в U out . При этом прямой вход усилителя засажен на нуль. Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать так, чтобы на его инверсном входе образовалось напряжение равное прямому входу. Т.е. нуль. Единственный вариант это сделать — опустить выходное напряжение ниже нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.

Итак. Представим, что U out =0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно U out . Делитель из R 1 и R 2 поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.

Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили инвертор.

Но можно же и другие резисторы подобрать, чтобы наш делитель выдавал другие коэффициенты!
В общем, формула коэффициента усиления для такого усилка будет следующей:

U out = — U in * R 1 /R 2

Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

Допустим U 2 и U 1 будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход должен будет стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт. То есть нулем. Вот и получается, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все верно:)

Если U 1 станет 20 вольт, то выход должен будет опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U 1 и U out станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U 1 -U out)/(R 3 +R 4) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R 4 составит R 4 *I 4 = 10000*0.0015 = 15 вольт. Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получим 5 вольт.

Таким образом, наш ОУ прорешал арифметическую задачку из 10 вычел 20, получив -10 вольт.

Более того, в задачке есть коэффициенты, определяемые резисторами. Просто у меня, для простоты, резисторы выбраны одинакового номинала и поэтому все коэффициенты равны единице. А на самом деле, если взять произвольные резисторы, то зависимость выхода от входа будет такой:

U out = U 2 *K 2 — U 1 *K 1

K 2 = ((R 3 +R 4) * R 6) / (R 6 +R 5)*R 4
K 1 = R 3 /R 4

Мнемотехника для запоминания формулы расчета коэффициентов такова:
Прям по схеме. Числитель у дроби вверху поэтому складываем верхние резисторы в цепи протекания тока и множим на нижний. Знаменатель внизу, поэтому складываем нижние резисторы и множим на верхний.

Тут все просто. Т.к. точка 1 у нас постоянно приводится к 0, то можно считать, что втекающие в нее токи всегда равны U/R, а входящие в узел номер 1 токи суммируются. Соотношение входного резистора и резистора в обратной связи определяет вес входящего тока.

Ветвей может быть сколько угодно, я же нарисовал всего две.

U out = -1(R 3 *U 1 /R 1 + R 3 *U 2 /R 2)

Резисторы на входе (R 1 , R 2) определяют величину тока, а значит общий вес входящего сигнала. Если сделать все резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а коэффициент умножения каждого слагаемого будет равен 1. И U out = -1(U 1 +U 2)

Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.

Uout = U 1 *K 1 + U 2 *K 2

K 1 = R 5 /R 1
K 2 = R 5 /R 2

Причем резисторы в обратной связи должны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R 3 /R 4 = K 1 +K 2

В общем, на операционных усилителях можно творить любую математку, складывать, умножать, делить, считать производные и интегралы. Причем практически мгновенно. На ОУ делают аналоговые вычислительные машины. Одну такую я даже видел на пятом этаже ЮУрГУ — дура размером в пол комнаты. Несколько металлических шкафов. Программа набирается соединением разных блоков проводочками:)

ВЧ вольтметр с линейной шкалой
Роберт АКОПОВ (UN7RX), г. Жезказган Карагандинской обл., Казахстан

Одним из необходимых приборов в арсенале радиолюбителя-коротковолновика, безусловно, является высокочастотный вольтметр. В отличие от НЧ мультиметра или, например, компактного ЖК осциллографа, такой прибор в продаже встречается редко, да и стоимость нового фирменного довольно высока. Посему, когда назрела необходимость в таком приборе, он был построен, причем со стрелочным миллиамперметром в качестве индикатора, который, в отличие от цифрового, позволяет легко и наглядно оценивать изменения показаний количественно, а не путем сравнения результатов. Это особенно важно при налаживании устройств, где амплитуда измеряемого сигнала постоянно меняется. В то же время точность измерения прибора при использовании определенной схемотехники получается вполне приемлемой.

На схеме в журнале опечатка: R9 должен быть сопротивлением 4,7 МОм

ВЧ вольтметры можно разделить на три группы. Первые построены на базе широкополосного усилителя с включением диодного выпрямителя в цепь отрицательной ОС . Усилитель обеспечивает работу выпрямительного элемента на линейном участке ВАХ. В приборах второй группы применяют простейший детектор с высокоомным усилителем постоянного тока (УПТ). Шкала такого ВЧ вольтметра на нижних пределах измерений нелинейна, что требует применения специальных градуировочных таблиц либо индивидуальной калибровки прибора . Попытка в какой-то мере линеаризировать шкалу и сдвинуть порог чувствительности вниз путем пропускания небольшого тока через диод проблему не решает. До начала линейного участка ВАХ эти вольтметры являются, по сути, индикаторами . Тем не менее такие приборы, как в виде законченных конструкций, так и приставок к цифровым мультиметрам, весьма популярны, о чем свидетельствуют многочисленные публикации в журналах и сети Интернет.
Третья группа приборов использует линеаризацию шкалы, когда линеаризирующий элемент включен в цепь ОС УПТ для обеспечения необходимого изменения усиления в зависимости от амплитуды входного сигнала. Подобные решения нередко используют в узлах профессиональной аппаратуры, например, в широкополосных высоколинейных измерительных усилителях с АРУ, либо узлах АРУ широкополосных ВЧ генераторов. Именно на таком принципе построен описываемый прибор, схема которого с незначительными изменениями заимствована из .
При всей очевидной простоте ВЧ вольтметр имеет очень неплохие параметры и, естественно, линейную шкалу, избавляющую от проблем с градуировкой.
Диапазон измеряемого напряжения — от 10 мВ до 20 В. Рабочая частотная полоса — 100 Гц…75 МГц. Входное сопротивление — не менее 1 МОм при входной емкости не более нескольких пикофарад, которая определяется конструкцией детекторной головки. Погрешность измерений — не хуже 5 %.
Линеаризирующий узел выполнен на микросхеме DA1. Диод VD2 в цепи отрицательной ОС способствует повышению усиления этой ступени УПТ при малых значениях входного напряжения. Снижение выходного напряжения детектора компенсируется, в результате показания прибора приобретают линейную зависимость. Конденсаторы С4, С5 предотвращают самовозбуждение УПТ и уменьшают возможные наводки. Переменный резистор R10 служит для установки стрелки измерительного прибора РА1 на нулевую отметку шкалы перед проведением измерений. При этом вход детекторной головки должен быть замкнут. питания прибора особенностей не имеет. Он выполнен на двух стабилизаторах и обеспечивает двуполярное напряжение 2×12 В для питания операционных усилителей (сетевой трансформатор на схеме условно не показан, но входит в состав набора для сборки).

Все детали прибора, за исключением деталей измерительного щупа, смонтированы на двух печатных платах из односторонне фольгированного стеклотекстолита. Ниже приведена фотография платы УПТ, платы а питания и измерительного щупа.

Миллиамперметр РА1 — М42100, с током полного отклонения стрелки 1 мА. Переключатель SA1 — ПГЗ-8ПЗН. Переменный резистор R10 — СП2-2, все подстроечные резисторы — импортные многооборотные, например 3296W. Резисторы нестандартных номиналов R2, R5 и R11 могут быть составлены из двух, включенных последовательно. Операционные усилители можно заменить другими, с высоким входным сопротивлением и желательно с внутренней коррекцией (чтобы не усложнять схему). Все постоянные конденсаторы — керамические. Конденсатор СЗ смонтирован непосредственно на входном разъеме XW1.
Диод Д311А в ВЧ выпрямителе выбран из соображения оптимальности максимально допустимого ВЧ напряжения и эффективности выпрямления на верхней измеряемой частотной границе.
Несколько слов о конструкции измерительного щупа прибора. Корпус щупа изготовлен из стеклотекстолита в виде трубки, поверх которой надет экран из медной фольги.

Внутри корпуса размещена плата из фольгированного стеклотекстолита, на которой смонтированы детали щупа. Кольцо из полоски луженой фольги примерно посредине корпуса предназначено для обеспечения контакта с общим проводом съемного делителя, который можно навинтить вместо наконечника щупа.
Налаживание прибора начинают с балансировки ОУ DA2. Для этого переключатель SA1 устанавливают в положение «5 В», замыкают вход измерительного щупа и подстроечным резистором R13 устанавливают стрелку прибора РА1 на нулевую отметку шкалы. Затем переключают прибор в положение «10 мВ», на его вход подают такое же напряжение, и резистором R16 устанавливают стрелку прибора РА1 на последнее деление шкалы. Далее на вход вольтметра подают напряжение 5 мВ, стрелка прибора должна быть примерно на середине шкалы. Линейности показаний добиваются подборкой резистора R3. Ещё лучшей линейности можно добиться подборкой резистора R12, однако следует иметь в виду, что это повлияет на коэффициент усиления УПТ. Далее калибруют прибор на всех поддиапазонах соответствующими подстроечными резисторами. В качестве а образцового напряжения при градуировке вольтметра автор использовал генератор Agilent 8648A (с подключенным к его выходу эквивалентом нагрузки сопротивлением 50 Ом), имеющий цифровой измеритель уровня выходного сигнала.
Всю статью из журнала Радио №2, 2011 можно загрузить отсюда
ЛИТЕРАТУРА:
1. Прокофьев И., Милливольтметр-Q-метр. — Радио, 1982, №7, с. 31.
2. Степанов Б., ВЧ головка к цифровому мультиметру. — Радио, 2006, № 8, с. 58, 59.
3. Степанов Б., ВЧ вольтметр на диоде Шоттки. — Радио, 2008, № 1, с. 61, 62.
4. Пугач А., Высокочастотный милливольтметр с линейной шкалой. — Радио, 1992, № 7, с. 39.

Стоимость печатных плат (щупа, основной платы и платы БП) с маской и маркировкой: 80 грн.