Операционный усилитель. Примеры схем с описанием работы ч. 2

▌Преобразователь тока в напряжение

Некоторые виды датчиков имеют токовый выход, т.е. их сигнал в виде тока, в зависимости от измеряемой величины. А нам этот ток надо оцифровать, например, через АЦП. Как это сделать? Простейшее решение это пропустить ток через резистор и снять падение напряжения:

Вот так. Но у данного метода есть боольшой недостаток высокое входное сопротивление. Т.е. нам, чтобы получить напряжение надо наш ток умножить на сопротивление, ну по закону Ома U=I*R. А если ток маленький? Скажем, дает датчик 01мА? А нам снять для АЦП нам надо хотя бы несколько вольт. Первое что приходит в голову это просто поставить резистор побольше, скажем на 5кОм. Получим, в максимуме, 5 вольт на выходе. Ага По идее, и то если источник тока, которым является наш некий датчик, будет обладать достаточно высоким внутренним сопротивлением, чтобы развить на выходе такое напряжение, чтобы через эти 5кОм продавить 1мА. А это далеко не всегда так. Датчик может быть хиленьким и дохленьким и от нашего нагрузочного сопротивления просто сдуется и не даст своего тока.

В таком случае надо датчик нагрузить на КЗ и снимать непосредственно ток уходящий в это КЗ. Но чтобы КЗ как бы и не было, чтобы было откуда брать падение Ну, в общем, вы поняли к чему я клоню ,)

Конечно! Теперь все отлично, входной ток течет через виртуальное КЗ прямо в землю, ничего ему не мешает. Пусть там хоть пикоамперы будут. И этот же самый ток у нас течет по обратной связи. Т.к. другому там взяться некуда. В ОУ ничего не втекает и не вытекает. А раз так, то мы можем смело ставить туда любое сопротивление, хоть гигаомное. Тем самым умножив наш входной ток на огромное сопротивление и получив осязаемое напряжение, которое уже легко измерить тем же АЦП.

И напряжение на выходе ОУ будет таким, чтобы компенсировать это падение на резисторе ОС, поддерживая заданный уровень тока. Т.е. выходное напряжение будет:

Uвых = -Iвх * Rос

Из неудобства только инверсия напряжения, но это не проблема, прогнать через инвертирующий ОУ с коэффициентом 1 и порядок.

▌Дифференциатор
В прошлой статье был рассмотрен интегратор, а это его антипод. Простейший пример дифференциатора делается тоже на RC цепочке и схема похожа на интегратор, только на этот раз элементы меняются местами.

Работает до элементарщины просто. При изменении напряжения на входе у нас конденсатор или дозаряжается или разряжается, в зависимости от того куда меняется входное напряжение. Возникает ток и он высаживается в виде падения напряжения на резисторе. Которое и будет примерно производной по времени от входной величины. Почему примерно?

А потому, что у нас конденсатор заряжается/разряжается через резистор, который существенно растягивает этот процесс, согласно своей постоянной времени T=RC. Что портит картину. К примеру, есть у нас меандр, гоним мы его на этот дифференциатор:

Что такое дифференциал? Правильно, скорость изменения функции. Так что дифференциатора мы ждем, что там где сигнал меняется резко, а на меандре он меняется мгновенно, мы должны иметь бесконечно большие пики, т.к. скорость изменения бесконечно большая. Тогда как на стабильном сигнале он должен быть равен нулю. Т.к. скорость изменения фукнции нулевая, производная константы ноль. На деле же резистор все портит. Мы можем его, конечно, бесконечно уменьшать, но тогда мы с водой и ребенка выплеснем выходное напряжение устремится к нулю вместе с ним. Что делать вы уже знаете отвязать одно от другого через виртуальное КЗ, которое устроить с помощью ОУ.

Усе, кондер колбасится через виртуальное КЗ прямо в землю, ничего его больше не тормозит, а резистор ООС мы можем накрутить какой угодно, помножив наш входной ток на него и получив нужное напряжение.

Uвых = RC dUвх/dt

Да, с инверсией полярности сигнала также придется смириться.

Чем дифференциатор может пригодиться? Ну Часто его используют в схемах управления, когда надо на резкое изменение воздействия дать такой же резкий пинок в ответ.

Например когда, кожаные ублюдки из Бостон Динамикс с ноги пинают несчастную робособаку, то не слететь с копыт ей помогает именно дифференциальная часть контура управления, которая мгновенно начинает компенсировать ударное воздействие и чем сильней удар тем резче ответочка. В этих вот всеми любимых, но мало кем понимаемых, ПИД регуляторах Д это он и есть.

Еще дифференциатором удобно конвертить сигналы из одного в другой. Например, из пилы дифференциатором можно сделать меандр (а интегратором наоборот).

Еще дифуры можно решать в аналоговом компьютере. Если будет интерес и будет не лень, то приведу какой-нибудь пример решения дифференциального уравнения на АВМ.

Хотел еще накинуть какой-нибудь пример на ОУ, но чет поздно уже. Спать хоца. Так что to be continued. Ail be back.