Skip to content
АЦУ · Тема 9 · Мощност и операционни усилватели

ОУ, който смята

Сложим ли в обратната връзка на ОУ кондензатор или диод вместо резистор, той започва да смята – натрупва, усеща промяната, събира, логаритмува. Без обратна връзка – сравнява. А двама ОУ в кръг правят генератор на триъгълник и правоъгълник, който се чува.

≈ 4 мин четене∿ 6 живи уредаСамопроверка: 4 въпроса

Интегратор – кофа, която се пълни ​

Кондензатор в обратната връзка вместо резистор. Входният ток u/R пълни кондензатора и изходът расте равномерно, докато входът е постоянен. ОУ интегрира – натрупва входа във времето. Правоъгълникът става триъгълник с наклон U/(RC). Тук C = 100 nF и R = 10 kΩ: наклонът е 1 V/ms.

Интегратор
∿uвхвходR 10 kΩC 100 nF1 MΩ (срещу дрейфа)−+изход
0246810−10010t – време, msu, V
вход изход
Фигура 1.

При R = 10 kΩ триъгълникът има размах 1 V. Намали R до 1 kΩ – 10 пъти по-стръмно, размахът става 10 V. Триъгълникът тръгва от нулата и още не е центриран: резисторът 1 MΩ го „дърпа“ към средата бавно (τ = 0,1 s).

Диференциатор – аларма за движение ​

Обратното: кондензаторът е на входа, резисторът – в обратната връзка. През кондензатора тече ток само докато напрежението се мени, затова изходът показва колко бързо се мени входът. Триъгълникът (постоянен наклон) става правоъгълник, а правоъгълникът – игли на фронтовете. Тук R = 10 kΩ, C = 100 nF.

Диференциатор
∿uвхвход100 ΩC 100 nFR 10 kΩ−+изход
0123456−10010t – време, msu, V
вход изход
Фигура 2.

Триъгълникът сменя наклона си ±2000 V/s – изходът скача между ∓RC·2000 (±2 V при 10 kΩ). При правоъгълник на всеки фронт излиза игла до насищането, а между фронтовете – нищо. Малкият резистор пред C (100 Ω) не дава на иглата да е безкрайна и пази схемата от самовъзбуждане.

Суматор – смесителният пулт ​

Няколко входа през свои резистори към инвертиращия вход. Виртуалната маса (тема 8) ги разделя – токовете просто се събират в обратната връзка. Тук гласът е с усилване 1 (Rос/R1), а музиката – 0,5 (Rос/R2).

Смесителен пулт
∿гласR1 10 kΩ∿музикаR2 20 kΩRос 10 kΩ−+смес
Входът: звукът, както е записан
020040060080010001200−101t – време, msx
входът x(n)
Изходът: звукът смесено
020040060080010001200−101t – време, msy
изходът y(n)
Фигура 3.

На входа е избраният звук, а на втория вход – началото на „За Елиза“. Изходът е обърнат (минусът на суматора), но ухото не чува разлика. Дай гласа на 0 – остава само музиката; музиката на 0 – само гласът.

Логаритматор ​

Диод в обратната връзка. Токът през диода расте експоненциално с напрежението, значи напрежението расте логаритмично с тока. Входното напрежение от 1 mV до 10 V (10 000 пъти!) става изход само от около −0,42 до −0,66 V – по ~60 mV на всеки 10 пъти. Така се сгъстява огромен динамичен обхват. Обратната схема (антилогаритматор) пък умножава, като събира логаритми (тема 12).

Логаритматор
Изходът срещу входа
1 mV10 mV100 mV1 V10 V−0,6−0,5−0,4uвх (логаритмична скала)uизх, V
uизх
Фигура 4.

По логаритмична ос на входа изходът е права линия: −60 mV на декада (VT·ln 10).

Компаратор и тригер на Шмит ​

Компараторът е ОУ без обратна връзка (тема 8): изходът казва само „над“ или „под“. На шумен вход около прага обаче той трака – превключва много пъти. Тригерът на Шмит има два прага: малко от изхода се връща на „+“ (положителна ОВ). Щом изходът превключи, прагът отскача на другата страна, и шумът вече не стига да го върне. Това е хистерезисът.

Тук връщаме 0,1 от изхода: праговете са ±1,3 V, а за 40 ms (два периода на бавния синус) изходът превключи 3 пъти.

Тракането изчезва
∿шумен входвход−+R2 10 kΩR1 90 kΩ (ПОВ)изход
010203040−10010t – време, msu, V
шумен вход изход горен праг долен праг
Фигура 5.

Без ПОВ около всяко пресичане на нулата изходът трепери няколко пъти. С k = 0,1 праговете са ±1,3 V, по-широки от шума, и изходът превключва само по веднъж на полупериод (първото превключване е самото включване).

Функционален генератор ​

Интеграторът и тригерът на Шмит, вързани в кръг. Правоъгълникът от тригера се интегрира в триъгълник. Щом триъгълникът стигне прага на тригера (±13·R1/R2 V), тригерът се обръща и триъгълникът тръгва обратно. Никой не го пуска – схемата генерира сама. С R = 10 kΩ и R2/R1 = 2 по формулата f = 500 Hz, а симулацията мери 469 Hz.

Генератор на триъгълник и правоъгълник
R 10 kΩC 100 nF−+триъгълникR1 10 kΩR2 20 kΩ−+правоъгълник
45678910−10010t – време, msu, V
триъгълник правоъгълник
Фигура 6.

Триъгълникът звучи меко (малко хармоници), правоъгълникът – остро (много нечетни хармоници, тема 1). Мереното е с ~5 % под формулата: 741 превключва за ~50 μs (SR = 0,5 V/μs) и това удължава всеки полупериод. При по-високи честоти разликата расте.

Още приложения ​

СхемаКакКакво прави
двустранен ограничителнасрещни (ценерови) диоди в ОВизходът не минава ±Uz
усилвател клас Dкомпаратор сравнява сигнала с триъгълник → ШИМ → ключове → LC филтърКПД > 90 % (тема 7)
функционален генераторинтегратор + тригер на Шмиттриъгълник + правоъгълник

Самопроверка ​

1. Какво прави интеграторът с правоъгълник? А диференциаторът?

Интеграторът – триъгълник (натрупва); диференциаторът – игли на фронтовете (реагира само на промяната).

2. Суматор с Rос = 10 kΩ, R1 = 10 kΩ, R2 = 20 kΩ, u1 = 1 V, u2 = 0,5 V. Колко е изходът?

−10k(1/10k + 0,5/20k) = −1,25 V.

3. Защо тригерът на Шмит не „трака“ при шумен вход?

Има два прага (хистерезис): след превключване прагът отскача и шумът не е достатъчен да го върне.

4. R = 10 kΩ, C = 100 nF, R2/R1 = 2. Колко е честотата на функционалния генератор?

f = R2/(4·R1·R·C) = 2/(4 · 10⁴ · 10⁻⁷) = 500 Hz.