ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ОПРЕРАЦИОННЫМ УСИЛИТЕЛЕМ ПРИ ОДНОПОЛЯРНОМ ПИТАНИИ

Иванов И.
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 напряжение, равное половине напряжения питания, с делителя на резисторах R2 и R3. На этой схеме и последующих как V1, V2, V3 обозначены вольтметры, измеряющие постоянное напряжение. Это могут быть стандартные мультиметры, причем не обязательно чтобы их было три, - вполне достаточно одного, подключаемого поочередно в разные части схемы для контроля напряжения.
И так, на инверсный вход ОУ поступает половина напряжения питания с делителя на R2 и R3, а на прямой - с потенциометра R1. Регулируя напряжение на прямом входе (V1) можно обратить внимание как изменяется напряжение на выходе (V3). Происходит это скачкообразно. Когда V1 больше V2 напряжение V3 максимально, а когда V1 меньше V2 напряжение V3 минимально. Есть еще весьма нестабильная часть, когда V1 равно V2, тогда V3 около половины напряжения питания. Но стоит немного отклониться от этого хрупкого равновесия и V3 либо резко падает, либо резко растет.

На рисунке 2 показана схема, в которой можно регулировать напряжение на входах ОУ раздельно с помощью разных переменных резисторов. Поэкспериментировав с напряжениями V1 и V2 можно заметить, что напряжение V3 зависит не столько от фактических величин V1 и V2, а от их разницы. Если V1 больше V2 напряжение V3 будет большим. Но если V1 больше V1 напряжение V3 будет малым.
Схема на рисунке 2 демонстрирует работу компаратора.
Фактически компаратор - это ОУ в режиме максимального усиления, не ограниченного цепями отрицательной обратной связи. А усиливает ОУ, по напряжению, разность потенциалов между входами.
Отрицательная обратная связь (ООС) осуществляется подачей напряжения с выхода ОУ на его инверсный вход.

На рисунке 3 показана схема со 100% ООС, при которой выход ОУ непосредственно соединен с его инверсным входом. В таком случае ОУ не дает усиления, и напряжение V1 будет равно напряжению V2. Эта схема - повторитель. Она не дает усиления по напряжению, но дает усиление по силе тока.
И так, есть два варианта, - инверсный вход не связан с выходом ОУ и при этом коэффициент усиления по напряжению максимальный. И инверсный вход непосредственно соединен с выходом, при этом коэффициент усиления равен единице. Чтобы построить на основе ОУ усилитель напряжения обычно требуется коэффициент усиления 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 напряжений V1 и V2, хотя и зависимость коэффициента усиления от входного напряжения (V1) получается нелинейной (коэффициент усиления снижается при напряжении V1 ниже половины напряжения питания).
Чтобы получить равномерный коэффициент усиления нужно сделать схему по рисунку 5.

Здесь резисторы R2 и R3 образуют делитель напряжения питания на два, таким образом подавая на инверсный вход ОУ напряжение смещения, равное половине напряжения питания. А резистор R4, подключенный к выходу ОУ изменяет это напряжение, подавая в эту точку напряжение с выхода ОУ.

Если поменять местами прямой и инверсный вход (рис.6) усилитель превратится в триггер Шмитта. Регулируя напряжение V1 и наблюдая за V2 можно заметить, что теперь, в отличие от компаратора, есть два порога V1. При одном пороге V1 напряжение V2 становится минимальным, а при другом пороге V1 напряжение V2 становится максимальным. При этом изменение напряжения V1 в диапазоне между этими порогами ни к каким изменениям V2 не приводят.

На рисунке 7 показана схема усилителя НЧ на основе ОУ, питающегося от одно-полярного источника питания.
Переменное напряжение НЧ поступает на инверсный вход ОУ через конденсатор С1. Резисторы R3 и R4 образуют цепь ООС, которая устанавливает коэффициент усиления. Величина коэффициента усиления, 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 постоянное напряжение смещения, равное половине напряжения питания, полученное с помощью резисторов R1 и R2.
На схеме рис. 7 усилитель нагружен высокоомными наушниками НТ1 («Тон» или аналогичными). Их можно подключить к выходу и подать на вход сигнал НЧ или просто прикоснуться пальцем к выводу С1, при этом в наушниках будет слышен усиленный сигнал НЧ или фон переменного тока.
Усилитель по схеме на рис. 7 является инвертирующим, потому что входной сигнал поступает на его инверсный вход. В результате фазы сигнала на входе и выходе противоположны.

На рисунке 8 показана 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 напряжение смещения, равное половине напряжения питания, на прямом входе ОУ. А цепь ООС «заземлена» по переменному току через конденсатор С2.
Рабочая схема УНЧ с миниатюрным динамиком на выходе показана на рисунке 9.

Выход УНЧ усилен с помощью каскада на транзисторе VT1. На его базу подается напряжение с выхода ОУ, в его коллекторной цепи включен динамик, а с его 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.
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.
РК 02-2015

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Счетчик тИЦ и PR