Kā pārbaudīt darbības pastiprinātāju ar testeri. Operacionālo pastiprinātāju funkcionalitātes pārbaude

Viņi bieži man sāka uzdot jautājumus par analogo elektroniku. Vai sesija studentus uztvēra kā pašsaprotamu? ;) Labi, ir pēdējais laiks nelielai izglītojošai darbībai. Jo īpaši par darbības pastiprinātāju darbību. Kas tas ir, ar ko to ēd un kā to aprēķināt.

Kas tas ir
Operacionālais pastiprinātājs ir pastiprinātājs ar divām ieejām, neve... hmm... lielu signāla pastiprinājumu un vienu izeju. Tie. mums ir U out = K*U in un K ideālā gadījumā ir vienāds ar bezgalību. Praksē, protams, skaitļi ir pieticīgāki. Teiksim, 1 000 000, taču pat šādi skaitļi satriec jūsu prātu, mēģinot tos lietot tieši. Tāpēc, tāpat kā bērnudārzā, viena eglīte, divas, trīs, daudzas eglītes - mums šeit ir daudz pastiprinājuma;) Un viss.

Un ir divas ieejas. Un viens no tiem ir tiešs, bet otrs ir apgriezts.

Turklāt ieejām ir augsta pretestība. Tie. to ieejas pretestība ir bezgalība ideālā gadījumā un ĻOTI augsta reālajā gadījumā. Skaits tur sasniedz simtiem megaohu vai pat gigaohu. Tie. tas mēra spriegumu pie ieejas, bet tam ir minimāla ietekme uz to. Un mēs varam pieņemt, ka darbības pastiprinātājā neplūst strāva.

Izejas spriegumu šajā gadījumā aprēķina šādi:

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

Acīmredzot, ja spriegums tiešajā ieejā ir lielāks nekā apgrieztajā ieejā, tad izeja ir plus bezgalība. Citādi būs mīnus bezgalība.

Protams, reālā shēmā nebūs bezgalības plusu un mīnusu, un tie tiks aizstāti ar augstāko un zemāko iespējamo pastiprinātāja barošanas spriegumu. Un mēs iegūsim:

Salīdzinātājs
Ierīce, kas ļauj salīdzināt divus analogos signālus un pieņemt spriedumu – kurš signāls ir lielāks. Jau interesanti. Tam varat nākt klajā ar daudzām lietojumprogrammām. Starp citu, tas pats salīdzinājums ir iebūvēts lielākajā daļā mikrokontrolleru, un es parādīju, kā to izmantot, izmantojot AVR piemēru rakstos par izveidi. Salīdzinātājs ir arī lielisks, lai izveidotu.

Bet lieta neaprobežojas tikai ar vienu salīdzinājumu, jo, ja jūs ieviešat atsauksmes, tad no op-amp var izdarīt daudz.

Atsauksmes
Ja mēs ņemam signālu no izejas un nosūtām to tieši uz ieeju, tad radīsies atgriezeniskā saite.

Pozitīvas atsauksmes
Paņemsim un virzīsim signālu tieši no izejas uz tiešo ieeju.

Spriegums U1 ir lielāks par nulli - izeja ir -15 volti
Spriegums U1 ir mazāks par nulli - izeja ir +15 volti

Kas notiek, ja spriegums ir nulle? Teorētiski izvadei jābūt nullei. Bet patiesībā spriegums NEKAD nebūs nulle. Galu galā, pat ja labā lādiņš pa vienam elektronam atsver kreisā lādiņu, tad ar to jau ir pietiekami, lai potenciālu virzītu uz izeju ar bezgalīgu pastiprinājumu. Un pie izejas sāksies visa elle - signāls lec šurpu turpu nejaušu traucējumu ātrumā, kas tiek izraisīti komparatora ieejās.

Lai atrisinātu šo problēmu, tiek ieviesta histerēze. Tie. sava veida plaisa starp pārslēgšanos no viena stāvokļa uz otru. Lai to izdarītu, tiek ieviestas pozitīvas atsauksmes, piemēram:

Mēs pieņemam, ka šajā brīdī apgrieztajā ieejā ir +10 volti. Operētājsistēmas pastiprinātāja izeja ir mīnus 15 volti. Tiešajā ieejā vairs nav nulle, bet gan neliela daļa no dalītāja izejas sprieguma. Aptuveni -1,4 volti Tagad, līdz spriegums apgrieztajā ieejā nokrītas zem -1,4 voltiem, operētājsistēmas pastiprinātāja izeja nemainīs savu spriegumu. Un tiklīdz spriegums nokrītas zem -1,4, operētājsistēmas pastiprinātāja izeja strauji uzlēks līdz +15 un tiešajā ieejā jau būs nobīde +1,4 volti.

Un, lai mainītu spriegumu pie salīdzinājuma izejas, U1 signālam būs jāpalielina pat par 2,8 voltiem, lai sasniegtu augšējo līmeni +1,4.

Tur, kur nav jutīguma, parādās sava veida sprauga, starp 1,4 un -1,4 voltiem. Atstarpes platumu kontrolē R1 un R2 rezistoru attiecības. Sliekšņa spriegums tiek aprēķināts kā Uout/(R1+R2) * R1 Pieņemsim, ka no 1 līdz 100 būs +/-0,14 volti.

Bet tomēr op-amps biežāk tiek izmantoti negatīvās atgriezeniskās saites režīmā.

Negatīvās atsauksmes
Labi, formulēsim citā veidā:

Negatīvu atsauksmju gadījumā op-amp ir interesants īpašums. Tas vienmēr mēģinās noregulēt izejas spriegumu tā, lai spriegumi pie ieejām būtu vienādi, kā rezultātā starpība ir nulle.
Kamēr es to neizlasīju lieliskajā biedru Horovica un Hila grāmatā, es nevarēju iesaistīties OU darbā. Bet tas izrādījās vienkārši.

Atkārtotājs
Un mēs saņēmām atkārtotāju. Tie. pie ieejas U 1, pie apgrieztās ieejas U izeja = U 1. Nu, izrādās, ka U ārā = U 1.

Jautājums ir, kāpēc mums ir vajadzīga tāda laime? Varēja tieši pieslēgt vadu un nebija vajadzīgs op-amp!

Tas ir iespējams, bet ne vienmēr. Iedomāsimies šo situāciju: ir sensors, kas izgatavots rezistīvā dalītāja formā:

Zemāka pretestība maina tās vērtību, mainās izejas spriegumu sadalījums no dalītāja. Un mums no tā jānolasa rādījumi ar voltmetru. Bet voltmetram ir sava iekšējā pretestība, lai arī liela, taču tas mainīs sensora rādījumus. Turklāt, ja mēs nevēlamies voltmetru, bet vēlamies, lai spuldze mainītu spilgtumu? Šeit vairs nav iespējams pievienot spuldzi! Tāpēc mēs buferējam izvadi ar darbības pastiprinātāju. Tā ieejas pretestība ir milzīga un ietekme būs minimāla, un izeja var nodrošināt diezgan jūtamu strāvu (desmitiem miliampēru vai pat simtiem), kas ir pilnīgi pietiekami, lai darbinātu spuldzi.
Kopumā jūs varat atrast lietojumprogrammas atkārtotājam. Īpaši precīzās analogajās shēmās. Vai arī ja viena posma shēma var ietekmēt otra darbību, lai tās atdalītu.

Pastiprinātājs
Tagad izdarīsim viltību ar ausīm — ņemiet vērā mūsu atsauksmes un savienojiet to ar zemi, izmantojot sprieguma dalītāju:

Tagad puse no izejas sprieguma tiek piegādāta apgrieztajai ieejai. Bet pastiprinātājam joprojām ir jāizlīdzina spriegumi tā ieejās. Kas viņam būs jādara? Tieši tā - paaugstiniet spriegumu izejā divreiz augstāku nekā iepriekš, lai kompensētu iegūto dalītāju.

Tagad uz taisnes būs U 1. Apgrieztā U ārā /2 = U 1 vai U ārā = 2 * U 1.

Liksim dalītāju ar citu attiecību - situācija mainīsies tāpat. Lai jums nebūtu prātā jāgriež sprieguma dalītāja formula, es to iedošu uzreiz:

U ārā = U 1 * (1+R 1 / R 2)

Ir mnemoniska atcerēties to, kas ir sadalīts ļoti vienkārši:

Izrādās, ka ieejas signāls iet caur rezistoru ķēdi R 2, R 1 in U out. Šajā gadījumā pastiprinātāja tiešā ieeja ir iestatīta uz nulli. Atcerēsimies operētājsistēmas pastiprinātāja ieradumus – tas ar āķi vai ķeksi mēģinās nodrošināt, ka tā apgrieztajā ieejā tiek ģenerēts spriegums, kas vienāds ar tiešo ieeju. Tie. nulle. Vienīgais veids, kā to izdarīt, ir pazemināt izejas spriegumu zem nulles, lai 1. punktā parādītos nulle.

Tātad. Iedomāsimies, ka U out =0. Tas joprojām ir nulle. Un, piemēram, ieejas spriegums ir 10 volti attiecībā pret izeju U. R 1 un R 2 dalītājs to sadalīs uz pusēm. Tādējādi 1. punktā ir pieci volti.

Pieci volti nav nulle, un darbības pastiprinātājs samazina savu jaudu, līdz punkts 1 ir nulle. Lai to izdarītu, izvadei vajadzētu kļūt par (-10) voltiem. Šajā gadījumā attiecībā pret ieeju starpība būs 20 volti, un dalītājs 1. punktā mums nodrošinās tieši 0. Mums ir invertors.

Bet mēs varam izvēlēties arī citus rezistorus, lai mūsu dalītājs radītu dažādus koeficientus!
Kopumā šāda pastiprinātāja pastiprinājuma formula būs šāda:

U ārā = - U iekšā * R 1 / R 2

Nu, mnemoniska bilde, lai ātri iegaumētu xy no xy.

Pieņemsim, ka U 2 un U 1 katrs ir 10 volti. Tad 2. punktā būs 5 volti. Un izejai būs jākļūst tādai, lai 1. punktā būtu arī 5 volti. Tas ir, nulle. Tātad izrādās, ka 10 volti mīnus 10 volti ir vienādi ar nulli. tieši tā :)

Ja U 1 kļūst par 20 voltiem, izejai būs jāsamazinās līdz -10 voltiem.
Aprēķiniet pats - atšķirība starp U 1 un U izeju būs 30 volti. Strāva caur rezistoru R4 būs (U 1 -U out)/(R 3 +R 4) = 30/20000 = 0,0015 A, un sprieguma kritums uz rezistoru R4 būs R 4 *I 4 = 10000 * 0,0015 = 15 volti. Atņemiet 15 voltu kritumu no 20 ieejas krituma un iegūstiet 5 voltus.

Tādējādi mūsu op-amp atrisināja aritmētisko uzdevumu no 10 atņemts 20, kā rezultātā -10 volti.

Turklāt problēma satur koeficientus, ko nosaka rezistori. Vienkārši vienkāršības labad esmu izvēlējies tādas pašas vērtības rezistorus, un tāpēc visi koeficienti ir vienādi ar vienu. Bet patiesībā, ja mēs ņemam patvaļīgus rezistorus, tad izejas atkarība no ieejas būs šāda:

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

Koeficientu aprēķināšanas formulas atcerēšanās mnemoniskais paņēmiens ir šāds:
Pareizi pēc shēmas. Daļas skaitītājs atrodas augšpusē, tāpēc mēs saskaitām augšējos rezistorus strāvas plūsmas ķēdē un reizinām ar apakšējo. Saucējs atrodas apakšā, tāpēc mēs saskaitām apakšējos rezistorus un reizinām ar augšējo.

Šeit viss ir vienkārši. Jo punkts 1 tiek pastāvīgi samazināts līdz 0, tad varam pieņemt, ka tajā ieplūstošās strāvas vienmēr ir vienādas ar U/R, un strāvas, kas ieiet mezglā ar numuru 1, tiek summētas. Ieejas rezistora attiecība pret atgriezeniskās saites rezistoru nosaka ienākošās strāvas svaru.

Zaru var būt cik gribi, bet es uzzīmēju tikai divus.

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

Rezistori pie ieejas (R 1, R 2) nosaka strāvas daudzumu un līdz ar to arī ienākošā signāla kopējo svaru. Ja visus rezistorus padarīsiet vienādus, piemēram, manējos, tad svars būs vienāds, un katra vārda reizināšanas koeficients būs vienāds ar 1. Un U out = -1(U 1 +U 2)

Neinvertējošs summators
Šeit viss ir nedaudz sarežģītāk, bet tas ir līdzīgi.

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

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

Turklāt atgriezeniskās saites rezistoriem jābūt tādiem, lai tiktu ievērots vienādojums R 3 / R 4 = K 1 + K 2

Kopumā jūs varat veikt jebkuru matemātiku, izmantojot darbības pastiprinātājus, saskaitīt, reizināt, dalīt, aprēķināt atvasinājumus un integrāļus. Un gandrīz uzreiz. Analogie datori tiek izgatavoti, izmantojot op-amps. Es pat redzēju vienu tādu SUSU piektajā stāvā - pusistabas lielumā muļķi. Vairāki metāla skapji. Programma tiek drukāta, savienojot dažādus blokus ar vadiem :)

Operacionālo pastiprinātāju funkcionalitātes pārbaude

Pirmā pārbaudes metode pamatojoties uz op-amp izmantošanu kā sprieguma sekotāju. Apsvērsim to, izmantojot vienkāršākā op-amp ar iekšējo korekciju LM358N piemēru.

Ārējo tapu savienojums ir parādīts 1. attēlā, un 2. attēlā ir testēšanas diagramma. Lai uzstādītu op-amp, tiek izmantota DIP-8 ligzda, taču varat izmantot arī DIP-14/I6. Visas detaļas ir piestiprinātas pie ligzdas ar iespējami īsākiem vadiem. Tā kā vienā LM358N pakotnē ir divi darbības pastiprinātāji, vispirms pārbaudiet pirmo (kontakti 1, 2, 3). un tad otrais (5, 6, 7). Kondensators C3 ir uzstādīts tieši uz kontaktligzdas. Pēc tam salieciet testa ķēdi 2. attēlā un piegādājiet tai strāvu. Rezistoru R2 izmanto, ja izmantotajam barošanas blokam nav aizsargstrāvas regulēšanas.

Otrā pārbaudes metode ir balstīts uz operētājsistēmas pastiprinātāja pārslēgšanas ķēdi kā salīdzinājumu, t.i. divu spriegumu salīdzinājums (3. att.). Uz šīs shēmas uzstādīšanu attiecas tādas pašas prasības kā uz iepriekšējo. Izmantojot R1, tiek iestatīts vairāku voltu spriegums, kuru kontrolē augstas pretestības voltmetrs PV1. Apmēram tāds pats spriegums jāiestata ar rezistoru R2, ko arī kontrolē augstas pretestības PV2.

Noslēgumā mēs atzīmējam, ka otrā shēma ir universālāka, jo ļauj pārbaudīt darbības pastiprinātājus, kas nesatur iebūvētu korekciju ("pretuzbudinājumu"), neinstalējot pēdējo ar ārējiem elementiem.

Operacionālos pastiprinātājus (OA) plaši izmanto radioamatieri dažādu radioierīču konstrukcijās. Turklāt, ņemot vērā radioelementu pieaugošās izmaksas un to trūkumu, dažreiz ir nepieciešams izmantot mikroshēmas, kas jau ir izmantotas darbā. Lai pārliecinātos par šāda op-amp piemērotību, tas jāpārbauda, piemēram, izmantojot [L] aprakstīto zondi.
Tomēr šīs ierīces praktiskie testi ir parādījuši, ka, pārbaudot dažas darbības pastiprinātāju sērijas (piemēram, KR544UD1B, K153UD2), zonde vienmēr signalizē par šo mikroshēmu darbības traucējumiem neatkarīgi no to stāvokļa.
Izanalizējot ierīces darbību un op-amp darbības režīmus, varēju noskaidrot šādas zondes selektīvās “uzvedības” iemeslu un, to novēršot, būtiski paplašināt pārbaudāmo pastiprinātāju klāstu.
Modernizētās zondes shematiskā diagramma ir parādīta 1. att. Praksē tas daudz neatšķiras no tā priekšgājēja: tranzistora VT1 bāzes ķēdē ir iekļautas diodes VD2-VD4, un dažu rezistoru vērtības ir mainītas.

1. att. Shematiskā diagramma

Pārbaudāmais darbības pastiprinātājs ir pievienots savienotāja X1 ligzdām (kā piemērs ir parādīts operētājsistēmas pastiprinātāja K140UD2 savienojums). Šis ieslēgums veido relaksācijas ģeneratoru, kas rada taisnstūrveida impulsus (meander) ar frekvenci 1...2 Hz. Barošanas spriegums tiek piegādāts ģeneratoram no parametriskā stabilizatora R1VD1.
Ja op-amp izrādās piemērots, ģenerators sāks darboties, un HL1 gaismas diode mirgos laikā ar ģenerēto impulsu frekvenci.
Ja pārbaudāmais op-amp izrādās nederīgs, ģenerators nedarbosies, un gaismas diode atkarībā no pastiprinātāja nepareizas darbības iemesla degs nepārtraukti vai neiedegas vispār.
Kāds ir iemesls, ka, pārbaudot piemērotus KR544UD1B, K153UD2 sērijas darbības pastiprinātājus ar zondi [L], HL1 LED signalizēja par pastiprinātāju darbības traucējumiem?
Uzņemot oscilogrammu punktā “a”, ir skaidrs, ka ģenerēto impulsu minimālais spriegums (U2, 2. att., a) ir pārāk augsts absolūtā vērtībā, lai aizvērtu n-p-n struktūras tranzistoru (atkarībā no impulsu sērijas). op-amps, šis spriegums var sasniegt vērtību 2 V): U2 > U1, kur U1 ir sliekšņa spriegums, pie kura atveras tranzistora emitera pāreja. Tāpēc, neskatoties uz to, ka ģenerators darbojas (jo mikroshēma darbojas), tranzistors VT1 ir pastāvīgi atvērts, un HL1 gaismas diode ir ieslēgta, norādot, ka mikroshēma nav lietojama.

2. att

Lai samazinātu spriegumu punktā “a”, tranzistora VT1 bāzes ķēdē ir iekļautas diodes VD2-VD4. Tagad oscilogrammai šajā punktā ir tāda forma, kas parādīta 2.b attēlā: ģenerēto impulsu minimālais spriegums ir mazāks par tranzistora emitētāja savienojuma sliekšņa vērtību. Tranzistors atvērsies un aizvērsies, un gaismas diode mirgos ģenerēto impulsu frekvencē.
Zondē papildus diagrammā norādītajiem varat izmantot tranzistorus KT312A-KT312V, KT315A, KT315V-KT315I, KT503A-KT503E, diodes KD521A-KD521G, KD103A, KD521G, KD103A, KD103A, D -1 savienojuma paneli,1 zener diode. mikroshēmām, korpusa tips 21 03.16 .
Ierīces daļas ir novietotas uz iespiedshēmas plates (3. att.), kas izgatavotas no vienpusējas folijas stikla šķiedras lamināta ar biezumu 1...1,5 mm.
Pareizi samontētai zondei nav nepieciešama regulēšana.
Izmantojot zondi, varat pārbaudīt gandrīz visus praksē visbiežāk izmantotos darbības pastiprinātājus, izņemot tos, kuru izejas pretestība ir salīdzināma ar rezistora R7 pretestību vai pārsniedz to, piemēram, mikrojaudas darbības pastiprinātājus K140UD12, K153UD4.

3. att

LITERATŪRA
Kozlovs F., Prilepko A. "Kubs" op-amp testēšanai. - Radio. 1986, 11.nr., 1. lpp. 59.

Avots: Radio Nr.5, 1994, 29.lpp.

Šo diagrammu bieži skatās arī:

Radioamatieru praksē bieži vien ir nepieciešams izmantot op-amps, kas iegūti no veciem dizainiem vai iespiedshēmu platēm. Kā liecina prakse, nav lieki pārbaudīt radio tirgū iegādātās mikroshēmas.
Pirmā metode testēšana ir balstīta uz op-amp izmantošanu kā sprieguma sekotāju. Apsvērsim to, izmantojot vienkāršākā op-amp ar iekšējo korekciju LM358N piemēru.

Ārējo tapu savienojums ir parādīts attēlā. 1. un 2. att. - testēšanas shēma. Lai uzstādītu op-amp, tiek izmantota DIP-8 ligzda, taču varat izmantot arī DIP-14/I6. Visas detaļas ir piestiprinātas pie ligzdas ar iespējami īsākiem vadiem. Tā kā vienā LM358N pakotnē ir divi darbības pastiprinātāji, vispirms pārbaudiet pirmo (kontakti 1, 2, 3). un tad otrais (5, 6, 7). SZ kondensators ir uzstādīts tieši uz kontaktligzdas. Pēc tam salieciet testa ķēdi 2. attēlā un piegādājiet tai strāvu. Rezistoru R2 izmanto, ja izmantotajam barošanas blokam nav aizsargstrāvas regulēšanas.

Ja tā ir, tad R2 nav uzstādīts, bet barošanas avota aizsardzības strāva ir ieslēgta līdz īssavienojuma strāvas vērtībai. 10...20 mA. PV pastāvīgā sprieguma voltmetrs ar 20 V robežu ir pievienots operētājsistēmas pastiprinātāja izejai. Dažos gadījumos elementi R1, CI, C2 var nebūt uzstādīti. Pēc ieslēgšanas mēs pārvietojam SA1 no vienas pozīcijas uz otru un novērojam voltmetru. Ja op-amp darbojas pareizi, slēdža pozīcijā "1" voltmetram vajadzētu parādīt gandrīz barošanas spriegumu, bet pozīcijā "O" - tuvu nullei.
Otrā metode testēšana balstās uz operētājsistēmas pastiprinātāja pārslēgšanas ķēdi kā salīdzinājumam, t.i. divu spriegumu salīdzinājums (3. att.). Uz šīs shēmas uzstādīšanu attiecas tādas pašas prasības kā uz iepriekšējo. Izmantojot R1, tiek iestatīts vairāku voltu spriegums, kuru kontrolē augstas pretestības voltmetrs PV1. Apmēram tāds pats spriegums jāiestata ar rezistoru R2, ko arī kontrolē augstas pretestības PV2.

Spriegumu pie op-amp izejas kontrolē voltmetrs PV3, un strādājošam op-amp tas strauji mainīsies no praktiski padeves līdz gandrīz nullei, nedaudz pakustinot R1 dzinēju vienā vai otrā virzienā. Jūs varat izvēlēties jebkuru rezistoru R1, R2 vērtību diapazonā no 10 kOhm līdz 1 MOhm, taču tām jābūt vienādām. Protams, aplūkotajā ķēdē vispār nav nepieciešams izmantot trīs voltmetrus, tas var būt viens, kas savienots pārmaiņus trīs punktos.
Noslēgumā mēs atzīmējam, ka otrā shēma ir universālāka, jo ļauj pārbaudīt darbības pastiprinātājus, kas nesatur iebūvētu korekciju (“pretuzbudinājumu”), neinstalējot pēdējo ar ārējiem elementiem.

Vladislavs Artemenko, UT5UDJ, Kijeva

Varētu būt noderīgi izlasīt: