24. Ограничение выходного сигнала операционного усилителя.

Нелинейные эффекты:

Насыщение — ограничение диапазона возможных значений выходного напряжения. Обычно выходное напряжение не может выйти за пределы напряжения питания. Насыщение имеет место в случае, когда выходное напряжение «должно быть» больше максимального или меньше минимального выходного напряжения. ОУ не может выйти за пределы, и выступающие части выходного сигнала «срезаются» (то есть ограничиваются).

Искажение входного П-образного сигнала при ограниченной скорости нарастания выходного сигнала ОУ.

Ограниченная скорость нарастания.

Выходное напряжение ОУ не может измениться мгновенно. Скорость изменения выходного напряжения измеряется в вольтах за микросекунду, типичные значения 1?100 В/мкс. Параметр обусловлен временем, необходимым для перезаряда внутренних ёмкостей.

Ограничения тока и напряжения

Ограниченное выходное напряжение. У любого ОУ потенциал на выходе не может быть выше, чем потенциал положительной шины питания и не может быть ниже, чем потенциал отрицательной шины питания. Другими словами, выходное напряжение не может выйти за пределы питающего напряжения. Например, для ОУ выходное напряжение находится в пределах от VS? +0,5 В до VS+ -2 В при сопротивлении нагрузки 10 кОм. Ширина этих «мертвых зон» выходного напряжения, которых выход ОУ не может достичь, зависит от ряда условий (сопротивление нагрузки, направление выходного тока и др.). Существуют ОУ, у которых мертвые зоны минимальны, например, по 50 мВ до шин питания при нагрузке 10 кОм, эта особенность ОУ называется «rail-to-rail» (от шины до шины).

Ограниченный выходной ток.

Большинство ОУ широкого применения имеют встроенную защиту от превышения выходного тока — типичное значение максимального тока 25 мА. Защита предотвращает перегрев и выход ОУ из строя.

Ограниченная выходная мощность.

Большинство ОУ предназначено для применений, не требовательных к мощности: сопротивление нагрузки не должно быть менее 2 кОм.

Компараторы

Компаратор (аналоговых сигналов) — электронная схема, принимающая на свои входы два аналоговых сигнала и выдающая логический «0» или «1», в зависимости от того, какой из сигналов больше.

Простейший компаратор представляет собой дифференциальный усилитель. Компаратор отличается от линейного операционного усилителя (ОУ) устройством и входного, и выходного каскадов:

Входной каскад компаратора должен выдерживать широкий диапазон входных напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входами, вплоть до размаха питающих напряжений, и быстро восстанавливаться при изменении знака этого напряжения. В ОУ, охваченном обратной связью, это требование некритично, так как дифференциальное входное напряжение измеряется милливольтами и микровольтами.

Выходной каскад компаратора выполняется соместимым по уровням и токам с конкретным типом логических схем (ТТЛ, ЭСЛ и т.п.). Возможны выходные каскады на одиночном транзисторе с открытым коллектором (совместимость с ТТЛ и КМОП логикой).

Компараторы, построенные на двух дифференциальных усилителях, можно условно разделить на двухвходовые и трехвходовые. Двухвходовые компараторы применяются в тех случаях, когда сигнал изменяется достаточно быстро (не вызывает дребезга), и на выходе генерируют один из потенциалов, которыми запитаны операционные усилители (как правило - +5В или 0). Трехвходовые компараторы имеют более широкую область применения и обладают двумя опорными потенциалами, за счет чего их вольт-амперная характеристика может представлять собой прямоугольную петлю гистерезиса.

Uвых имеет роль логического сигнала фиксирующего знак разности между Uвх и Uср

Пример: серия ТТЛ

Логическая 1 -> + 5В

Логически 0 -> 0В

VД1; КС 153; Uстаб = 5,3 В

Итак, компаратор сравнивает Uвх и Uср , и использует как промежуточное устройство между аналоговыми и цифровыми частями системы.

Uвых играет роль логического сигнала, фиксирующего знак разности между Uвх и Uср.

Uстаб выбирается выбором стабилитрона VД1 так, чтобы оно соответствовало 1 в цифровой части системы.

В распространенных микросхемах ТТЛ (транзистор – транзистор - логика) логическая 1

+ 5 В (+-) delta ; логический 0 -> + 0 В (+-) delta.

Здесь подойдет стабилитрон VД1 КС 153. это был пример.

Нуль - орган, т.к.меняет состояние выхода при 0 суммы входных сигналов

Кстати, по напряжению в ТС можно определить исправность ОУ.

Если осциллограф скажет, что потенциал Фтс <> Фземли , то, скорее всего, операционный усилок сдох.