Как проверить операционный усилитель тестером. Проверка работоспособности операционных усилителей

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:)

Проверка работоспособности операционных усилителей

Первый метод тестирования основан на использовании ОУ как повторителя напряжения. Рассмотрим его на примере простейшего ОУ с внутренней коррекцией LM358N.

Подключение внешних выводов показано на рис.1, а на рис.2 - схема тестирования. Для установки ОУ используется панелька DIP-8, но можно использовать и DIP-14/I6. Все детали подлаивают к панельке по возможности короткими выводами. Поскольку в одном корпусе LM358N содержится два ОУ, вначале проверяют первый (выводы 1, 2, 3). а затем второй (5, 6, 7). Конденсатор C3 монтируют непосредственно на панельке. Далее собирают тест-схему рис.2, подают на нее питание. Резистор R2 используется в случае, если в применяемом БП отсутствует регулировка тока защиты.

Второй метод тестирования базируется на основе схемы включения ОУ как компаратора, т.е. сравнения двух напряжений (рис.3). К монтажу этой схемы предъявляются те же требования, что и предыдущей. С помощью R1 устанавливают напряжение в несколько волы, которое контролируют высокоомным вольтметром PV1. Примерно такое же напряжение необходимо установить и резистором R2, контролируемое также высокоомным PV2.

Напряжение на выходе ОУ контролируют вольтметром PV3, причем для исправного ОУ оно будет скачкообразно изменяться от практически питающего до почти нуля при небольшом перемещении движка R1 в ту или другую сторону. Номиналы резисторов R1, R2 можно выбирать любые в диапазоне от 10 кОм до 1 МОм, но они должны быть одинаковыми. Разумеется, совсем необязательно применять в рассмотренной схеме три вольтметра, это может быть один, подключаемый попеременно в три точки.

В заключение отметим, что вторая схема более универсальна, т.к. позволяет испытывать ОУ, не содержащие встроенной коррекции ("противовозбудной"), без установки последней внешними элементами.

Операционные усилители (ОУ) широко используются радиолюбителями в конструкциях различных радиотехнических устройств. Причем в условиях растущей дороговизны на радиоэлементы и их дефицита приходится порою применять микросхемы, которые уже использовались ранее в работе. Чтобы быть уверенным в пригодности такого ОУ, его следует проверить, например, с помощью пробника, описанного в [Л].
Однако практические испытания этого устройства показали, что при проверке некоторых серий ОУ (таких, как КР544УД1Б, К153УД2) пробник всегда сигнализирует о неисправности этих микросхем независимо от их состояния.
Проанализировав работу устройства и режимы работы ОУ, мне удалось выяснить причину такого избирательного "поведения" пробника и, устранив ее, значительно расширить номенклатуру проверяемых усилителей.
Принципиальная схема модернизированного пробника показана на рис.1. Практически он мало чем отличается от предшественника: в цепь базы транзистора VT1 включены диоды VD2-VD4, изменены значения номиналов некоторых резисторов.

Рис.1 Принципиальная схема

Тестируемый ОУ подключают к гнездам разъема X1 (в качестве примера показано подключение ОУ К140УД2). Такое включение образует релаксационный генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы (меандр) с частотой 1...2 Гц. Напряжение питания поступает на генератор с параметрического стабилизатора R1VD1.
Если ОУ окажется годным, генератор начнет работать, а светодиод HL1 - вспыхивать в такт с частотой генерируемых импульсов.
В случае, если проверяемый ОУ окажется негодным, генератор работать не будет, а светодиод, в зависимости от причины неисправности усилителя, будет либо гореть непрерывно, либо вовсе не вспыхнет.
В чем же причина того, что при испытании годных ОУ серий КР544УД1Б, К153УД2 пробником [Л] светодиод HL1 сигнализировал о неисправности усилителей?
При снятии осциллограммы в точке "а" видно, что минимальное напряжение (U2, рис.2,а) генерируемых импульсов слишком велико но абсолютному значению, чтобы закрыть транзистор структуры n-p-n (в зависимости от серии ОУ это напряжение может достигать значения 2 В): U2 > U1, где U1 - пороговое значение напряжения, при котором эмиттерный переход транзистора открывается. Поэтому, несмотря на то, что генератор работает (т.к. микросхема исправна), транзистор VT1 постоянно открыт, а светодиод HL1 горит, указывая на негодность микросхемы.

Рис.2

Чтобы уменьшить напряжение в точке "а", в цепь базы транзистора VT1 включены диоды VD2-VD4. Теперь осциллограмма в этой точке имеет вид, представленный на рис.2,б: минимальное напряжение генерируемых импульсов меньше порогового значения эмиттерного перехода транзистора. Транзистор будет открываться и закрываться, а светодиод вспыхивать с частотой генерируемых импульсов.
В пробнике можно применить, кроме указанных на схеме, транзисторы КТ312А-КТ312В, КТ315А, КТ315В-КТ315И, КТ503А-КТ503Е, диоды КД521А-КД521Г, КД103А, КД103Б, стабилитрон Д814 Г. Разъем X1 - монтажная панель для микросхем, тип корпуса которых 2103.16.
Детали устройства размещают на печатной плате (рис.3), выполненной из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1...1.5 мм.
Правильно собранный пробник не нуждается в наладке.
С помощью пробника можно проверить практически все наиболее используемые в практике ОУ, кроме тех, выходное сопротивление которых сравнимо или превышает сопротивление резистора R7, например, микромощные ОУ К140УД12, К153УД4.

Рис.3

ЛИТЕРАТУРА
Козлов Ф., Прилепко А. "Кубик" для проверки ОУ. - Радио. 1986, № 11, с. 59.

Источник: Радио №5, 1994 г., стр.29.

C этой схемой также часто просматривают:

В радиолюбительской практике нередко приходится применять ОУ, извлеченные из старых конструкций или печатных плат. Как показывает практика, совсем нелишней оказывается проверка и микросхем, приобретенных на радиорынке.
Первый метод тестирования основан на использовании ОУ как повторителя напряжения. Рассмотрим его на примере простейшего ОУ с внутренней коррекцией LM358N.

Подключение внешних выводов показано на рис. 1 а на рис.2 - схема тестирования. Для установки ОУ используется панелька DIP-8, но можно использовать и DIP-14/I6. Все детали подлаивают к панельке по возможности короткими выводами. Поскольку в одном корпусе LM358N содержится два ОУ, вначале проверяют первый (выводы 1, 2, 3). а затем второй (5, 6, 7). Конденсатор СЗ монтируют непосредственно на панельке. Далее собирают тест-схему рис.2, подают на нее питание. Резистор R2 используется в случае, если в применяемом БП отсутствует регулировка тока защиты.

Если же она есть, то R2 не устанавливают, но ток защиты БП включают на значение тока к.з. 10...20 мА. К выходу ОУ подключают вольтметр постоянного напряжения PV с пределом 20 В. В ряде случаев элементы R1, CI, C2 можно не устанавливать. После включения переводим SA1 из одного положения в другое и наблюдаем за вольтметром. Если ОУ исправен, то в положении «1» переключателя вольтметр должен показывать почти напряжение питания, а в положении «О» - близкое к нулю.
Второй метод тестирования базируется на основе схемы включения ОУ как компаратора, т.е. сравнения двух напряжений (рис.3). К монтажу этой схемы предъявляются те же требования, что и предыдущей. С помощью R1 устанавливают напряжение в несколько волы, которое контролируют высокоомным вольтметром PV1. Примерно такое же напряжение необходимо установить и резистором R2, контролируемое также высокоомным PV2.

Владислав Артеменко, UT5UDJ, г Киев

Возможно, будет полезно почитать: