Работа схем на ОУ от однополярного напряжения питания.
Обычно операционный усилитель (ОУ) питается от двуполярного источника, при этом плюс и минус питания поступают на выводы питания ОУ, а средняя точка (ноль, GND, земля) служит для гальванического соединения с ней входов по постоянному току. С другой стороны, такую схему можно рассматривать, как однополярную схему питания с источником напряжения смещения, равного половине питающего напряжения, и подаваемого на входы ОУ. Такой подход к делу позволяет использовать ОУ в схема с однополярным питанием.
На рисунке 1 показана схема, в которой ОУ питается от однополярного источника питания 9V, а на его инверсный вход поступает смещение,
равное половине напряжения питания, с делителя на резисторах R2 и R3, а на прямой - с потенциометра R1.
В этой схеме, так и в последующих, V1, V2, V3 обозначают показания на вольтметре или вольтмерах, измеряющие постоянное напряжение. Это
могут быть стандартные мультиметры, причем не обязательно чтобы их было три, - вполне достаточно одного, подключаемого поочередно в
разные части схемы.
Регулируя V1, можно обратить внимание, как изменяется V3 на выходе. Происходит это скачкообразно. Когда напряжение на V1 большеV2 - V3
максимально, а когда V1 меньше V2 - V3 минимально. Есть еще весьма нестабильная часть: когда V1 равно V2, тогда V3 равно около половины
напряжения питания. Но стоит немного отклониться от этого хрупкого равновесия, то V3 либо резко падает, либо резко растет.
В схеме на рис.2 можно регулировать напряжение на входах ОУ раздельно с помощью разных переменных резисторов. Поэкспериментировав
с напряжениями V1 и V2 можно заметить, что V3 зависит не столько от фактических величин V1 и V2, а от их разницы. Если V1 > V2, то V3 будет
большим. Но если V2 > V1 - V3 будет малым.
Эта схема демонстрирует работу компаратора.
Фактически компаратор - это ОУ в режиме максимального усиления, не ограниченного цепями отрицательной обратной связи (ООС). А усиливает
ОУ, по напряжению, разность потенциалов между входами. ООС осуществляется подачей напряжения с выхода ОУ на его инверсный вход.
Следующая схема (рис.3) работает со 100% ООС, при которой выход ОУ непосредственно соединен с его инверсным входом. В таком случае
ОУ не дает усиления по напряжению и V2 = V1, но дает усиление по силе тока. Эта схема - повторитель.
Итак, есть два варианта: когда инверсный вход не связан с выходом ОУ - при этом коэффициент усиления по напряжению (Ку) максимальный, и
инверсный вход непосредственно соединен с выходом - Ку равен единице. Чтобы построить на основе ОУ усилитель напряжения, нужен Ку где-то
между максимальным и единичным.
На рисунке 4 показана схема с резисторами R2 и R3 в цепи ООС. Но, в отличие от типовой схемы с двухполярным питанием, резистор R2 соединен не с «нулем», а с «минусом» питания. Тем не менее усилитель работает. Это можно проверить по изменению V1 и V2, хотя и зависимость Ку от входного напряжения (V1) получается нелинейной (Ку снижается при V1 ниже половины напряжения питания).
Чтобы получить равномерный коэффициент усиления нужно сделать схему по рисунку 5.
Здесь резисторы R2 и R3 образуют делитель, подавая на инверсный вход ОУ смещение, равное половине напряжения питания. А резистор R4,
подключенный к выходу ОУ, изменяет это смещение, подавая в эту точку напряжение с выхода ОУ.
Если поменять местами прямой и инверсный входы (рис.6) усилитель превратится в триггер Шмитта. Регулируя V1 и наблюдая за V2 можно
заметить, что теперь, в отличие от компаратора, есть два порога V1. При одном пороге напряжение V2 становится минимальным, а при другом
пороге - V2 максимальное. При этом изменение напряжения V1 в диапазоне между этими порогами ни к каким изменениям V2 не приводят.
На рисунке 7 показана схема УНЧ на основе ОУ, питающегося от однополярного источника питания.
Сигнал НЧ поступает на инверсный вход ОУ через конденсатор С1. Резисторы R3 и R4 образуют цепь ООС, которая устанавливает коэффициент
усиления.
Величина Ку, как и в схеме с двуполярным питанием, зависит от соотношения резисторов R3 и R4. Но, чтобы ОУ мог работать в схеме с
однополярным питанием, на его прямой вход подается смещение, равное половине напряжения питания, полученное с помощью резисторов R1 и
R2.
Усилитель нагружен высокоомными наушниками НТ1 («Тон» или аналогичными). Их можно подключить к выходу и подать на УНЧ сигнал или
просто прикоснуться пальцем к выводу С1, при этом в наушниках будет слышен усиленный сигнал НЧ или фон переменного тока.
Рис. 8 - это схема неинвертирующего усилителя на ОУ с однополярным питанием.
Здесь сигнал подается на прямой вход ОУ, то есть прямо на точку соединения резисторов R1 и R2, создающих смещение на прямом входе ОУ. А
цепь ООС «заземлена» по переменному току через конденсатор С2.
Рис.9 - рабочая схема УНЧ на ОУ с миниатюрным динамиком на выходе.
Выход УНЧ усилен с помощью каскада на транзисторе VT1. На его базу подается сигнал с выхода ОУ, а в его коллекторной цепи включен динамик.
С эмиттера снимается напряжения для подачи ООС на инверсный вход ОУ.
Чувствительность УНЧ зависит от соотношения сопротивлений резисторов R1 и R2. На вход УНЧ можно подать сигнал, например, с выхода МП-3
плеера, и прослушивать его на динамик В1. Динамик подойдет практически любой, сопротивление которого не ниже 8 Ом или не выше 30 Ом.
Во всех схемах в качестве источника питания можно использовать батарею типа «Крона» или любой лабораторный источник питания с выходным
напряжением 8-12V.
Операционный усилитель LM741 можно заменить практически любым, например, К140УД6.
Иванов И.
РК 2015/02
| << Предыдущая | Cледующая >> |