Г. Юинг - Инструментальные методы химического анализа (1115206), страница 103
Текст из файла (страница 103)
Операционные усилители: а — общее обозначение; б — соединенный как игзвеРтиРУющий Усилнтелгь ПОЭТОМУ Еь„х= — (хь.ч./гьх)Е„, ПРН условии что внутренний коэффициент усиления А» 1. Треугольником обозначен соответствующий исто щпк питания; все потенциалы даются относительно Земли. (27-2) рах !О'); 2) высокий входной импеданс* (не менее 10а, часто до 1О"); 3) давать нулевоп выход при нулевом входе; 4) иметь минимальный дрейф (медленное измененис выхода прп постоянном входе).
Большинство ОУ имеет две входные клеммы, на одной из которых происходит обращение знака. Клеммы по соглашению помечают энакамн + и —, как на рпс. 27-10. Это не означает, что выводы должны соединяться только с напряжениями указанного знака, как было бы правильно для подобного обозначения на вольтметре.
Это означает только то, что вывод, обозначенный —, дает инверсию знака, а другой — нет. В случае если неинвертпрующий (+) вход в данной схеме не нужен, он должен быть соединен с точкой, в которой потенциал равен нулю, называемой точкой заземления, Основные соединения показаны на рис. 27-10,б. Большинство схем с использованием ОУ, требует отрицательной обратной связи *'", Соединение осуществляется через импеданс обратной связи 2„,, от выхода к инвертнрующему входу. Если сигнал, к которому чувствителен усилитель, представляет собой напряжение, то он должен поступать на вход черсз входной пмпеданс 2„.
Так как вход 1 усилителя проводит незначительный ток, то ток, протекающий через л,ю а именно (億— е)/У„должен быть равен току в контуре обратной связи, т. е. (е — евых)/2о,с Ток обратной связи должен поступать из выхода усилителя. Когда поступает входной сигнал, усилитель саморегулируется, так что ток обратной связи и входной ток в точности равны, илп (е„— е)/2„= (е — е„м,)/2„ что можно представить н виде е„,х — (е (2„!- У„х) — евино с)/2эх (27-3) Это соотношение можно упростить, если пршгять во внимание высокий внутренний коэффпцпст усиления усилителя (часто называемый усилением ризонкнутого контура).
Если усиление составляет 10', то тогда 10 В на выходе означает, что потенциал на входе усилителя составляет только 10 мкВ относительно Земли. Это напряжение очень близко к потенциалу Земли, и поэтому суммирующий вход*"'" обычно считают * Импеданс в э>гсксщгческои цепи определяется как отнощсппс погснцвала вдоль цепи пля ее элемента к протекающему току. В пенях постоянного тона импедаис идентичен сопротнвлснщо, но в цепях переменного гока онн часто различны. *4 Исключение составляет схема компаратора, обсуждаемая а этой главе ниже.
*гч Гяаьяа>лрюазач л.годгыг нлн салытрйюпп й точкой называют щтсгтп. Ругощпй ахоз ОУ. и. гому что гходпой ток и ток обратной связи в сумке лают ц>,зь. 562 Глана 27 двс. е, о, Ов и е,„,= — — 1/)хвхС (е„с//+ен о1 (27-6) Ошибки при работе с операционными усилителями. Наиболее ценное качество ОУ состоит в том, что они строго следуют приведенным выше элементарным математическим уравнениям. Существует, однако, несколько потенциальных источников ошибок.
ввы вк Ев„н При дифференцировании в схеме на рис. 27-12 )7 и С следует поменять местами, тогда Рис 27-14. ОУ, соединенный для получсния экспоиенциальной (антилогарифмической) функции, показан для положительных значений ев,. Для А»1 е, кк йехр ( — йевв), где й и й' — безразмерные константй. Рас. 27-12 Операционный усилитель, соедннснный как интегратор. Длн А>>! е„„= — 1/17»»С(евкк//. й е,„„= — )т„, С вЂ” '"" (27-7) Рис. 27-11. Операционный уснлвтсль, соединенный нак сумматор.
СВ означает суммируюшнй вход. Для А»1»в к= — )7 .в.(ен/7,+ев/Кв+ев///в). вирту!!льна (т. е. практически) зпзеднленнылт (при услонип что неппвсртирующий вход заземлен). Следовательно, в уравнении (27-3) членом, содержащим е, можно пренебречь: (27-4) Уравнение (27-4) является основным рабочим уравнением для подобного включения ОУ. На практике отношение Ув. с./Увх редко делают больше 100 или меньше 0,01. Если 2,,, и Увх— чиста активныс сопротивления, их можно заменить соответствующими /хв. К суммирующему входу могут быть присоединены одновременна несколько входов, как на рис.
27-11. В этом случае выход становится отрицательной суммой входов, каждый из которых умножеи на соответствующее соотношение. На любой из этих параллельных входов можно подать отрицательный сигнал (и осуществить вычитание). Для осуществления операции интегрирования элементам обратной связи должен быть кондснсатар (рис. 27-12). Так как входной ток и ток обратной связи должны быть равны, а ток, протекающий через конденсатор, представляет собой произвол.
иую потенциала по времени, та из этого следует, что е„//х „=- — С,(с/е„,/с//) (27-5) что эквивалентно уравнению Электронные схемы в аналитических првборах 563 Этот метод дифференцирования иа практике используется редко, так как случайные - енс шумы на входе вносят существенные погрешности. Логарифм переменной может быть получен путем использования экспоненциальной Рис. 27-13.
Оу, сосдиненный для по- характеристики рп-перехода В'"'нн" лотариф"нивской фун"цн". диод ориснтирован на положитель. при прямом включении На рис. 27-13 показана схема со- Для к!» !»,„„=-й 12»„— й', тдс й н единения. При выводе уран. 1У вЂ” бсзразмсрныс константы. пения нужно принять равными входной ток и ток в цепи обратной связи. Связь ток — напряжение для диода приближенно описывается уравнениями 1я/=/тх)/ или / =/г,ап(1)ой)т (27-8) из которых следует, что е,„И„= /сзап(1)ой е,„„или евых=-/тз 1ойевх — /тв (27-9) Эксперимент показывает, что для этой цели больше подходит кремниевый диод, чем германиевый, но еще лучше кремниевый транзистор с заземленной базой, который дает линейную логарифмическую зависимость по меньшей мере для четырех логарифмических десятичных разрядов.
Для того чтобы найти экспоненциальную (антилогарпфмическую) функцию, нужно поменять местами диод и сопротивление, как на рис. 27-!4. Умножение или деление переменных можно осуществить логарифмированием, сложением или вычитанием логарифмов, а затем нахождением антилогарнфма. Чтооы обеспечить получение точных результатов, все диоды или эквивалентные транзисторы должны находиться при одинаковой температуре (или температурные изменения должны компенсироваться). 564 1'лава 27 (27-10) Рпс. 27-16. Измерение потенциалов с помощью ОУ, схема повторителя иаприжеиии. Если АЪ1, ТО авнв=звв.
Рнс. 27-15. Измерение сопротивлений с помощью ОУ. Отношение двух сопротивлений (изображены как фото- рЕЗИСтОрЫ) Евыв= — ()СЗ)71,) Евв. 7(онечный коэффициент уса еения. Все приведенные ранее формулы выведены исходя из предположения, что усиление разомкнутого контура усилителя больше, чем полученное из отношения Е,,/Е,х, которое может быть названо усилением замкнутого контура. Детальный анализ показывает, что уравнение для работы простого инвертора (рис, 27-10,б) имеет вид где А — усиление разомкнутого контура, 6 — усиление замкнутого контура. Это позволяет оценить ошибку, возникающую, если значение А слишком мало, например если А =10' и 6=10'; при этом е ы,/е,х становится равным 1,01 10', т. е.
ошибка составит примерно 1 ом. Если необходима более высокая точность, следует либо поддерживать 6 ниже 1000 либо использовать лучший усилитель с А) 10'. Напряжение смеи(ения. В идеале усилитель должен давать на выходе нуль при нуле иа входе. Существует, однако, небольшая асимметрия во внутренней цепи, так что даже при двух заземленных входах на выходе часто появляется небольшое напряжение, которое можно скорректировать при помощи триммера. Даже после балансировки усилителя вследствие температурных колебаний наблюдается медленный дрейф этого смещения, Этот дрейф может быть причиной, ограничивающей применение усилителей для медленно изменяющихся сигналов.
Смещение особенно нежелательно, когда усилитель используется в качестве интегратора, так как эффект в этом случае накапливается. Ток смен(ения. Иногда ОУ отклоняется от идеального поведения, так как на его входы проходит значительный ток. Этот ток смещения можно компенсировать, по крайней мере частично, установив между неинвертирующим входом и землей сопротивление в несколько кнлоом. Падение напряжения на этом сопротивлении будет компенсировать падение напряжения, вызванное токами смещения на входном сопротивлении и сопротивлении обратной связи. Как и в случае напряжения смещения, эта ошибка наиболее существенна в интеграторах, Применение операционных усилителей в преобразователях Преобразователь представляет собой устройство для превращения одного вида энергии в другой.
В нашем изложении термин относится только к приборам, превращающим информацию о химической системе в электрические сигналы, Электронные схемы в аналитических приборах 565 Преобразователи можно для удобства классифицировать по роду электрической величины, в вкде которой представлен сигнал. Рассматриваемые преобразователи могут являться 1) переменным сопротивлением, 2) источником напряжения, 3) источником тока, Класс переменных сопротиеленай включает в себя фотопроводящие ячейки, термисторы, металлические термометры сопротивления и электролитические ячейки. В принципе любое из этях устройств может быть использовано как Я,„или с,, в цепи ОУ на рис.
27-!О,б. Если переменный е заменить постоянным потенциалом Е,„, тогда измерение евых позволит однозначно определить сопротивление преобразователя. Обратная величина (проводимость) может быть получена непосредственным размещением преобразователя во входной цепи. Если необходимо получить отношение двух сопротивлении, как, например, в некоторых двухлучевых фотометрах, то вместо двух импедансов в цепи ОУ можно использовать два одинаковых преобразователя (рис. 27-!б).
К преобразователям, являющимся источниками напряжения, относятся многие сочетания потенциометрических электродов, фотогальваннческне ячейки и термопары. В этом слу- ха с. чае предпочтительна схема по° в ° в 27-16). Непосредственная обратная связь выхода с суммирующим входом обеспечивает точное воспроизведение входного напряже- ния на выходе усилителя. Пря- тока. Если АП 1, то е,„, мое присоединение преобразова- = — й,, ввю 666 (.1зва 27 теля к входу ОУ не позволяет току протекать через него, поэтому умеренный ток, который может понадобиться для работы последующего оборудования, можно взять с выхода. Схема на рис. 27-10, б не подходит для потенциометричсских измерений, так как требует протекания тока от источника.
К преобразователям, являющимся источникамгг тока, относятся вакуумные (или газонаполненные) фотоэлементы и фотоумножители, пламенно-ионизационные ГХ-детекторы и электроды для вольтамперометрии н амперометрии. Эти источники тока могут быть соединены прямо с суммирующим входом ОУ, как на рис. 27-17. Для виртуального заземления этого входа через сопротивление обратной связи должен протекать ток равной величины, тем самым повышая потенциал е„„.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
