Глава 12 использовала ОУ без обратной связи — на два состояния. Здесь то же самое усиление приручается отрицательной обратной связью — вместо "да/нет" получаем плавный, пропорциональный аналоговый сигнал.
Если завести часть выходного сигнала обратно на инвертирующий вход через резистор, огромное открытое усиление ОУ (глава 12) перестаёт "выталкивать" выход к границам питания — вместо этого схема стабилизируется в точке, где выход в точности пропорционален входу, с коэффициентом усиления, который задают уже не параметры самой микросхемы, а всего два внешних резистора.
Vout = Vin × (1 + Rf / Rg), где Vin подан на неинвертирующий вход "+", Rf — резистор обратной связи (между выходом и входом "−"), Rg — резистор от входа "−" на землю. При Rf = 0 (или разомкнутом Rg) коэффициент усиления равен 1 — такая схема называется повторителем напряжения (буфером): выход в точности повторяет вход, но с низким выходным сопротивлением и без нагрузки на источник сигнала — полезно уже само по себе, ещё до всякого усиления.
Например, делитель LDR/Rs даёт размах напряжения примерно от 0.5В (темно) до 2В (светло) — неудобно узкий диапазон, если дальше этот сигнал нужно подать на индикатор или АЦП с полным размахом 0–5В. Усиление в 5 раз растягивает этот диапазон почти на всю шкалу:
Из формулы Vout = Vin × (1 + Rf/Rg): для усиления ×5 нужно 1 + Rf/Rg = 5, то есть Rf/Rg = 4. Практический выбор: Rg = 10 кОм, Rf = 40 кОм (или ближайший стандартный номинал 39 кОм) — оба резистора недороги и легко находятся среди донорских деталей (глава 03) или в любом стартовом наборе.
При питании ОУ от одного источника (0В и +VCC, без отдельного отрицательного напряжения) выход физически не может опуститься ниже примерно 0В — и у многих недорогих ОУ (включая LM358) реальный минимум под нагрузкой не дотягивает даже до самого нуля, а верхний предел размаха тоже обычно на вольт-полтора не дотягивает до VCC (это не "rail-to-rail" микросхема). Прежде чем закладывать высокое усиление, стоит прикинуть, не "упрётся" ли расчётный размах выхода в эти реальные пределы конкретной микросхемы — иначе часть диапазона датчика просто обрежется на выходе, даже если формула расчёта усиления верна.
Замена LDR на терморезистор (NTC-термистор — сопротивление падает с ростом температуры, похожий принцип на светозависимый резистор из главы 05, только реагирует на тепло, а не на свет) превращает эту же самую схему в аналоговый датчик температуры — без единой другой правки топологии, только смена одного компонента в делителе и, возможно, перерасчёт Rs под конкретный термистор.
Блок «Операционные усилители» закрыт — компаратор с гистерезисом и линейный усилитель закрывают почти весь диапазон типовых аналоговых задач хобби-электроники. Следующий блок переходит в цифровую логику без микроконтроллера — начиная с самых простых логических элементов И/ИЛИ/НЕ на микросхемах серии 74xx.
Книга бесплатна для чтения. Автор — Тариел Бежанидзе, компьютерный мастер в Батуми · tariel.ge · все бесплатные книги. Копировать текст целиком на другие сайты — только со ссылкой на источник.