Принцип работы оу: Операционные усилители — принцип действия и параметры.

Содержание

РАБОТА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ LM358

Под термином «операционный усилитель» подразумевается микросхема дифференциальный усилитель постоянного тока, с высоким коэффициентом усиления и высоким входным сопротивлением, адаптированная для работы с внешней цепью отрицательной обратной связи.

Операционный усилитель (ОУ) имеет сложную внутреннюю структуру, в которую не будем углубляться сосредоточившись на практическом применении. Графический символ операционного усилителя относится не к его внешнему виду (тем более что он может быть доступен в различных корпусах), а к принципу работы:

Графический символ операционного усилителя. We (In) — вход, Wy (Out) — выход

Символ этот очень упрощен. Если бы мы хотели разместить на нем все необходимые детали обвязки и коррекции, пришлось бы нарисовать еще контакты. Но чаще всего этого достаточно.

Принцип действия ОУ

Подаем на усилитель через входы, обозначенные здесь символом We (+) так называемый неинвертирующий вход и / или We (-) так называемый инвертирующий вход некоторый сигнал.

У него может быть даже очень небольшое напряжение. Разница входного напряжения называется дифференциальным напряжением.

Этот усилитель является своего рода компаратором — он будет сравнивать оба сигнала друг с другом и вести себя по-разному в зависимости от того, какой сигнал будет сильнее:

We (+) > We (-) => Wy ~ Uпит — Uwo

Если подадим более высокое напряжение на неинвертирующий вход We (+), чем на инвертирующий вход We (-), выход будет близок к напряжению Uпит, подаваемому на усилитель, за вычетом падения напряжения на усилителе Uwo.

We (+) < We (-) => Wy ~ 0 В

Если подадим более низкое напряжение на вход неинвертирующего We (+), чем на вход инвертирующего We (-) контакта, выход будет близок к нулю.

We (+) = We (-) => Wy ~ 0 В

Если подадим один и тот же сигнал на оба входа (называемый в данном случае недифференциальным сигналом), выходное напряжение будет близко к нулю.

Операционный усилитель, с которым будем проводить тесты, имеет обозначение LM358 (это наверное самая распространённая микросхема ОУ). Согласно информации из документации, это двойной усилитель напряжения (то есть два усилителя в одном корпусе), поэтому он имеет восемь контактов:

Слева операционный усилитель LM358; Справа схема его контактов

Вывод 8 (напряжение питания) и вывод 4 (масса) являются общими для обоих усилителей. Остальные ножки раздельные:

  1. первый усилитель состоит из ножек: 3 (We (+)), 2 (We (-)), 1 (выход).
  2. второй усилитель состоит из ножек: 5 (We (+)), 6 (We (-)), 7 (выход)

Если присмотритесь, то заметите небольшое углубление на одной стороне корпуса. На схеме в примечании вместо углубления рядом с цифрой 1 есть черная точка. Это стандартный способ маркировки передней части микросхемы. Ножки всегда нумеруются последовательно, начиная с выемки (или точки) против часовой стрелки.

Операционный усилитель LM358 с маркировкой ключа

Проверим как это выглядит на практике — соберем макетную плату. Напряжение питания 6 В. Для желто-зеленого светодиода выбран резистор 220 Ом. Потенциометр P1 на 10 кОм.

Внимание! Перед подключением блока питания к схеме на плате убедитесь, что операционный усилитель подключен правильно, иначе можете его повредить.

Вариант 1. Резистор R1 и светодиод D1 (желтый) подключены между плюсом блока питания и выходом операционного усилителя; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) также подключен к плюсу питания.

Схема из источника питания B1, операционного усилителя LM358, резистора R1, потенциометра P1 и диода D1

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) выше напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому на выходе усилителя (вывод 1) получаем напряжение близкое к напряжению питания, минус падение напряжения на усилителе. Разность потенциалов между источником питания B1 и выходом операционного усилителя будет слишком низкой для питания светодиода, поэтому он останется выключенным.

Вариант 2. Резистор R1 и светодиод R1 (в моем случае желтый) подключены между «плюсом» блока питания и выходом операционного усилителя; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) подключен к земле.

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) ниже напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому выход усилителя (вывод 1) будет близок к 0 В. Разности потенциалов между источником питания B1 и выходом операционного усилителя будет достаточно для питания светодиода, поэтому он будет светиться.

Вариант 3. Резистор R1 и светодиод D1 (теперь зеленый) подключены между выходом операционного усилителя и землей; неинвертирующий вход We (+) (третий выходной контакт усилителя) подключен к «плюсу» источника питания.

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) выше напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому на выходе усилителя (вывод 1) получаем напряжение, близкое к напряжению питания минус падение напряжения на усилителе. Разности потенциалов между выходом операционного усилителя и землей будет достаточно для питания светодиода, поэтому он будет светиться.

Вариант 4. Резистор R1 и светодиод D1 (зеленый) подключены между выходом операционного усилителя и массой; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) подключен к земле.

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) ниже напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому выход усилителя (вывод 1) будет близок к 0 В. Никакая разность потенциалов между выходом операционного усилителя и землей не предотвратит включение светодиода, поэтому он останется выключенным.

Собраны результаты опытов в таблице ниже:

Результаты проведенного эксперимента — влияние подключения We (+) — третьей ножки усилителя и свечения светодиода

Верна ли приведенная выше схема для всех операционных усилителей? Нет. Возьмем, к примеру, еще один, очень похожий операционный усилитель LM393.

Он может проводить электричество только от точки в цепи с более высоким потенциалом (аналогично линиям 1 и 2 в таблице). Он не проводит ток от выхода усилителя к точке в цепи с более низким потенциалом напряжения, например к земле (позиции 3 и 4 в таблице). Другими словами, если бы мы использовали усилитель LM393 для эксперимента который только что проводили, зеленый светодиод не светился бы независимо от входных сигналов. Почему это происходит? Здесь более подробно рассмотрим внутреннюю структуру обоих усилителей:

Схема внутреннего устройства операционных усилителей: а) LM358; б) LM393

Схема слева (a) показывает внутреннюю структуру усилителя LM358, а схема справа (b) — LM393. Обе схемы сложны, поэтому не будем вдаваться в подробности. Сосредоточимся только на транзисторах, размещенных перед выходом (помечены как OUT или OUTPUT). В LM358 прямо перед выходом есть два транзистора, которые проводят электричество в разных направлениях (пометили их красным кружком). LM393 имеет только один транзистор непосредственно перед выходом (также в красном кружке), который предотвращает прохождение тока от усилителя через выход к земле (или к части схемы с более низким потенциалом).

Операционный усилитель адаптирован для работы с внешней цепью отрицательной обратной связи. Дело в том, что часть выходного сигнала может подаваться обратно на вход или наоборот со входа на выход усилителя. Может быть несколько конфигураций с использованием операционного усилителя и усилителя обратной связи (например, суммирующий, вычитающий, интегрирующий и дифференцирующий усилитель), но тут рассмотрим только две из самых простых и наиболее популярных из них — неинвертирующий и инвертирующий.

Неинвертирующий усилитель

Графический символ неинвертирующего усилителя

Напряжение, подаваемое на вход We (+) выше, чем подаваемое на We (-), поэтому выходной сигнал большой, потому что он близок к напряжению питания Uпит, за вычетом падения напряжения на усилителе Uwo (We (+) > We (-) => Wy ~ Uпит — Uwo).

Часть выходного сигнала возвращается через резистор на вход We (-), таким образом этот сигнал становится больше, чем напряжение на We (+), и напряжение на выходе становится близким к 0 В (We (+) < We (-)) => Wy ~ 0 В). Вследствие падения напряжения на выходе (и отсутствия на нем усиления сигнала на We (-)) напряжение на We (+) снова будет больше We (-).

На практике быстро устанавливается состояние равновесия при котором выходной сигнал будет постоянным. Его размер легко рассчитать по формуле:

Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]

Предположим, что на вход We (+) поступает напряжение 0,5 В, а на выходе хотим получить в 5 раз больше, то есть 2,5 В. Подставим данные в формулу:

Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]

2,5 В = 0,5 В x [(R1 + R2) / R1]

[(R1 + R2) / R1] = 2,5 В / 0,5 В

[(R1 + R2) / R1] = 5

Отношение суммы сопротивлений резисторов R2 и R1 к R1 должно дать нам 5. Итак, предположим, что сопротивление R2 = 10 кОм и R1 = 2,2 кОм (соотношение их сопротивлений составляет 5,54).

Соберем всё на макетной плате по следующей схеме:

Прежде всего необходимо убедиться, что на вход We (+) подается соответствующее напряжение. Для этого подключите вольтметр между землей и третьей ножкой усилителя, а затем поверните ручку потенциометра до тех пор, пока мультиметр не покажет результат 0,5 В (или как можно более близкий).

Теперь измерьте напряжение на выходе усилителя, то есть между первым контактом и массой. Теоретически должны получить результат близкий к 2,5 В. Между тем, показание вольтметра составляет целых 2,88 В.

Откуда эта разница? Помните, мы не использовали резисторы с коэффициентом 5,54, а не 5. Давайте снова подставим данные (на этот раз реальные) в формулу:

Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]

Uwy = 0,51 В x [(2,16 кОм + 10 кОм) / 2,16 кОм

Uwy = 0,51 В x 5,63

Uwy = 2,87 В

Теоретически и практически получили почти такой же результат — 2,87 В.

Инвертирующий усилитель

Графический символ инвертирующего усилителя

Принцип действия будет объяснен на основе схемы:

Некоторым нововведением на схеме выше являются два источника питания (B1, B2), каждый из которых будет иметь напряжение 3 В. Но в нашем распоряжении только одна аккумуляторная батарейка. Это не будет проблемой — подключим вывод из центра за второй батареей. Таким образом получаем два источника питания по 3 В каждый.

Кроме того для сборки указанной схемы на макетной плате используйте: P1 — потенциометр, R1 — резистор 2,2 кОм, R2 — резистор 10 кОм (резисторы будут иметь такие же номиналы, как и в предыдущем эксперименте), D1 — зеленый светодиод, D2 — красный светодиод.

Подключим узел между источниками напряжения к земле — теоретически это будет нулевая точка. Это сделано только для расчетов.

Теперь проверим что будет, если ползунок потенциометра повернуть как можно дальше к земле. Красный светодиод будет тускло светиться. Почему? Когда регулятор потенциометра P1 заземлен, сигнал, поступающий на усилитель со входа We (+), больше, чем We (-). Посчитаем какое напряжение ожидаем получить на выходе в этом случае.

Uwy = — (R2 / R1) x Uwe (-)

Uwe (-) в этой ситуации связан с точкой, которая по отношению к нашей нулевой точке (теоретической массе) имеет напряжение -3 В, и это значение подставляем в формулу:

Uwy = — (10 кОм / 2,2 кОм) x -3 В

Uwy = — 4,54 x -3 В

Uwy = 13,62 В

На выходе ожидаем 13,62 В — почему? Ведь питаем схему только от 4-х аккумуляторов с общим напряжением 6 В! Можно ли на выходе получить 13,62 В? Конечно нет. Полученный нами теоретический результат лишь доказывает, что усилитель полностью насыщен. В этой ситуации на выходе мы можем получить только предельное напряжение питания, за вычетом падения напряжения на самом усилителе. На практике получился результат: 1,57 В.

Теперь осторожно повернём ручку потенциометра. В какой-то момент красный светодиод погаснет, а зеленый загорится. Чем дальше потенциометр находится от земли, тем большее напряжение будет поступать на вход We (-), пока оно не станет больше чем напряжение на входе We (+). Согласно сказанному, если сигнал на входе We (-) больше сигнала на входе We (+), на выходе получим напряжение близкое к 0 В. Но помните, что резистор R2 соединяет вход We (-) с выходом, тем самым становясь каналом для тока, который каким-то образом обходит усилитель и подключается к току на выходе. Какого напряжения тогда ждем на выходе?

Uwy = — (R2 / R1) x Uwe (-)

Uwe (-) в этой ситуации связан с точкой, которая имеет напряжение +3 В по отношению к нулевой точке (теоретическая масса), и это значение, которое подставим для формулы:

Uwy = — (10 кОм / 2,2 кОм) x + 3 В

Uwy = — 4,54 x 3 В

Uwy = — 13,62 В

Получили тот же результат что и раньше, но со знаком минус.

Почему не получили одинаковые значения, но с противоположными знаками? Причина может заключаться в том, что усилитель работает на предельных значениях, поэтому результат может быть неверным. По этой причине будем выполнять другие измерения в диапазоне, в котором усилитель работает линейно.

Для этого установим ручку потенциометра немного вправо и немного левее от центра.

Вариант 1. На усилитель подадим напряжение + 0,2 В (естественно относительно теоретической нулевой точки). Для этого поднесите красный щуп вольтметра к средней ножке потенциометра, а черный — к третьей ножке усилителя. Осторожно поверните ручку потенциометра, пока мультиметр не покажет 0,2 В (в этом эксперименте светодиоды можно удалить, чтобы они не мешали измерениям).

Теперь измерьте напряжение на выходе — черный щуп к третьему и красный щуп к первому выводу усилителя. Как и положено настоящему инвертирующему усилителю, после подачи небольшого положительного напряжения получаем на выходе гораздо более высокое напряжение, но со знаком минус!

Вариант 2. Подадим на усилитель напряжение — 0,21 В (опять же по отношению к теоретической нулевой точке). Для этого поднесите красный щуп вольтметра к средней ножке потенциометра, а черный — к третьей ножке усилителя. Осторожно поверните ручку потенциометра, пока мультиметр не покажет — 0,21 В.

Измерьте выходное напряжение так же, как и раньше (черный щуп к третьему, красный щуп к первому контакту усилителя). Результат станет таким же, но на этот раз со знаком плюс.

Для обобщения информации о неинвертирующем и инвертирующем усилителе будут использованы два графика:

Неинвертирующий усилитель — небольшой сигнал на входе (положительный) даст большой сигнал на выходе (тоже положительный)

Инвертирующий усилитель — небольшой сигнал на входе (положительный) даст большой сигнал на выходе (отрицательный), а небольшой сигнал на входе (отрицательный) даст большой сигнал на выходе (положительный).

Конечно это простейшие схемы включения ОУ, и есть ещё немало всяких нюансов, но если вы хорошо поймёте хотя бы это, то уже встанете на более высокую ступень радиолюбительства!

   Форум

   Форум по обсуждению материала РАБОТА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ LM358



МИКРОФОНЫ MEMS

Микрофоны MEMS — новое качество в записи звука. Подробное описание технологии.



SMD ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

Приводятся основные сведения о планарных предохранителях, включая их технические характеристики и применение.



Принцип работы операционных усилителей (инвертирующий ОУ, неинвертирующий ОУ, логарифмический усилитель, интегратор)

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО НГТУ

Новосибирский Государственный Технический Университет

Кафедра Автоматики

Лабораторная работа № 4

Операционные усилители

5 вариант

Студенты: Суворов Д.                                      Преподаватель: Жуков А.Б.

Сапрыкин О.

Бадмажапов Б.

Группа: АА-86

Дата: 04.05.10

Новосибирск 2010

Цель работы: Познакомиться с принципом работы операционных усилителей, в частности инвертирующим ОУ, неинвертирующим ОУ, логарифмическим усилителем, интегратором.

I. Инвертирующий ОУ

Рис. 1 Схема для снятия характеристик  ИОУ

Параметр

Идеальный ОУ

Реальный ОУ

Коэффициент усиления (А)

1,00E+06

30000

Входное сопротивление (RI)

1,00E+10

400000

Выходное сопротивление (RO)

1

50

Макс. Выходное напряжение (VSW)

20

12

Напряжение смещения нуля (VOS)

0

0.01

Входные токи (IBS)

0

5,00E-07

Разность входных токов (IOS)

0

2,00E-07

Скорость нарастания вых напряжения(SR)

1,00E+10

5,00E+07

ОУ: К140УД11, R1=15 kOm, R2=75 kOm, R3=13 kOm

Рис. 2 Осциллограмма входного и выходного напряжений при U=5мВ, f=1кГц (10мВ/дел)

Разность фаз 180°

Kyрасчет .= -(R2/R1) = -(75/15) = -5;              Kyэкспер. = Uвых./Uвх. = 25,04mV/-5.00mV = -5,01.

Рис. 3 Осциллограмма входного и выходного напряжений при подключении клеммы «минус» ОУ к каналу В осциллографа (А: 5мВ/дел В: 10мкВ/дел)

Uо вых. эксп. = -62,3 мВ                 Uо вых. теор. = Uсм*Kyрасчет . = 0,01*(-5) = -50 мВ.

Рис. 4 Осциллограмма выходного напряжений при подаче на вход схемы двухполярного  пилообразного напряжения (U=5В, f=1Гц) (5В/дел)

Таблица 1.2 Uвых. = f(Uвх.)

Uвых(В)

12

6,3

3,26

1,46

0

-3,06

-5,17

-6,68

-7,58

-8,18

-10,58

-12

Uвх(В)

-2,78

-1,26

-0,65

-0,29

0

0,61

1,04

1,34

1,52

1,64

2,12

2,78

Рис. 5 Uвых. = f(Uвх.)

Uвх = 12 В – искажение формы выходного сигнала

Таблица 1.3 K = f(ln f) при Uвх. = 5mV

F

1

100

1000

100000

200000

400000

600000

800000

Ln(f)

0

4,60517

6,907755

11,51293

12,20607

12,89922

13,30468

13,59237

Uвых

17,67

17,67

17,67

17,67

17,61

17,42

17,11

16,71

K

4,991525

4,991525

4,991525

4,991525

4,974576

4,920904

4,833333

4,720339

1000000

2000000

3000000

5000000

10000000

13,81551

14,50866

14,91412

15,42495

16,1181

16,23

13,66

11,14

7,75

4,19

4,584746

3,858757

3,146893

2,189266

1,183616

Рис. 6 K = f(ln f)

II. Неинвертирующий ОУ

Рис. 7 Схема для снятия характеристик  неинвертирующего ОУ

Рис. 8 Осциллограмма входного и выходного напряжений при U=5мВ, f=1кГц

Разность фаз 0

Kyрасчет .= 1 + (R2/R1) = 1 + (75/15) = 6;                  Kyэкспер. = Uвых./Uвх. = 29,4mV/4,9mV = 6,005.

Рис. 9 Осциллограмма входного и выходного напряжений при подключении клеммы «минус» ОУ к каналу В осциллографа

Таблица 2.1 K = f(ln f) при Uвх. = 5mV

F

1

100

1000

100000

200000

400000

600000

800000

Lnf

0

4,60517

6,907755

11,51293

12,20607

12,89922

13,30468

13,59237

Uвых

21,2

21,21

21,21

21,19

21,14

20,93

20,59

20,16

K

5,988701

5,991525

5,991525

5,985876

5,971751

5,912429

5,816384

5,694915

1000000

2000000

3000000

5000000

10000000

13,81551

14,50866

14,91412

15,42495

16,1181

19,63

16,42

13,4

9,32

5,04

5,545198

4,638418

3,785311

2,632768

1,423729

Рис. 10 K = f(ln f)

Рис. 11 Осциллограмма выходного напряжений при подаче на вход схемы двухполярного  пилообразного напряжения (U=3В, f=1Гц)

Таблица 2.2 Uвых. = f(Uвх.)

Uвых

11,84

11,82

10,8

6,16

2,9

0

-2,9

-6,52

-9,05

-12,2

-12,21

Uвх

2,93

2,4

1,8

1,03

0,48

0

-0,49

-1,09

-1,51

-2,24

-2,98

Рис. 12 Uвых. = f(Uвх.)

III. Логарифмический усилитель

Рис. 13 Схема для снятия характеристик  логарифмического усилителя

Рис. 14 Осциллограмма входного и выходного напряжений при подаче на вход схемы однополярного пилообразного сигнала

Таблица 3.1 Uвых. = f(Uвх.)

Uвх (В)

5,66

4,94

4,3

2,51

1,22

0,92

0,47

0,15

0

-0,03

-0,07

Uвых (В)

-0,27

-0,26

-0,24

-0,22

-0,18

-0,16

-0,13

-0,07

0

0,15

12

Рис. 15 Uвых. = f(Uвх.)

IV. Интегратор

Рис. 16 Схема для снятия характеристик интегратора

Таблица 4.1 (U=5В, f=1кГц)

R1, кОм

10

С, нФ

10

С, нФ

20

50

R1, кОм

20

50

Uвых max, В

6,314

2,633

Uвых max, В

6,192

2,507

(Vu вых)max, В/с

25

10

(Vu вых)max, В/с

25

10

Рис. 17 Осциллограмма при R1 = 10кОм, С = 20нФ

Рис. 18 Осциллограмма при R1 = 10кОм, С = 50нФ

Рис. 19 Осциллограмма при R1 = 20кОм, С = 10нФ

Рис. 20 Осциллограмма при R1 = 50кОм, С = 10нФ

Вывод: Для инвертирующих и не инвертирующих ОУ:

Убедились, что расчетный и экспериментальный коэффициенты усиления совпадают, рассмотрели входные и выходные осциллограммы, рассмотрели АЧХ.

Рассмотрели осциллограммы Uвх, Uвых для логарифмического усилителя.

Рассмотрели 4 осциллограммы для интегратора при различных значениях R, C (попарно совпадают)

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Принцип работы оптических усилителей

В настоящее время широко применяется наиболее перспективный тип оптического усилителя (ОУ) на активном оптическом волокне — одномодовом волокне, сердцевина которого легирована редкоземельным элементом эрбием (Еr). Эти волоконно-оптические усилители позволяют осуществлять усиление оптических сигналов, передаваемых в III-м окне прозрачности, т.е. в рабочем диапазоне длин волн 1530-1560 нм.
Классификация и определение типов ОУ: ОУ1,ОУ2 и ОУ3 изложены в разделе 2. Блок-схемы ОУ1 и ОУ2 приведены на рис. П4.1 и П4.2 соответственно.

 

Рис.П4.1

 

Рис. П4.2

Работают ОУ следующим образом.

Входной оптический сигнал на длине волны λс=1550нм проходит через оптический изолятор (ОИ), который пропускает свет только в одном направлении, и поступает в оптический мультиплексор (ОМ), на второй вход которого подается также световое излучение накачки с длиной волны λн=1480 (в ОУ1) и 980 нм (в ОУ2). Оба сигнала совмещаются и поступают в легированное эрбием активное оптическое волокно (АОВ), в котором входной сигнал усиливается за счет вынужденного (или индуцированного) усиления фотонов. Затем усиленный входной сигнал через оптический изолятор и полосовой оптический фильтр (ОФ) поступает на выход. Эффект усиления достигается за счет того, что лазер накачки возбуждает электронную подсистему примесных атомов эрбия в АОВ. В результате электроны с основного энергетического состояния (уровень А) переходят в возбужденное состояние (уровень В).

Возбужденные состояния имеют большое время релаксации, чтобы спонтанно (самопроизвольно) перейти в основное состояние. Скорее происходит релаксация электронов с уровня В на промежуточный уровень С (см. рис.П4.3). Когда «заселенность» уровня С становится достаточно высокой, так что образуется инверсная заселенность уровней А и С, то такая система способна индуцировано (вынужденно) усиливать слабый входной оптический сигнал. Другими словами, при наличии слабого входного сигнала происходит вынужденный (индуцированный) переход атомов примесей из возбужденного состояния в основное с излучением света на той же длине волны и с той же фазой, как и у вызвавшего это входного сигнала. Таким образом, при распространении входного оптического сигнала на длине волны λс =1550 нм вдоль АОВ и при одновременной его накачке световым излучением с длиной волны λн происходит поглощение одного фотона с энергией hc/ λн, а другой фотон с энергией hc/λc — излучается.

 

Рис.114.3

Характерным для ОУ является также широкополосный собственный шум, который связан со спонтанным излучением возбужденных атомов примесей.

Оптический фильтр (ОФ), применяемый на выходе ОУ2 (см. рис.П4.2) предназначен для отфильтрования шума вне полосы частот (спектра длин волн) усиливаемого сигнала.

Характерным для схемы ОУ, является использование лазера накачки на длине волны λн=1480нм, что приводит к уменьшению шумов и увеличению ресурса лазера накачки, но коэффициент усиления в этом случае меньше. Поэтому в схемах ОУ) для увеличения коэффициента усиления часто используют более длинный отрезок АОВ (до нескольких десятков метров) и, соответственно, два лазера накачки (с двух сторон АОВ), как показано на рис. П4.1.

Для схемы ОУ2 , ориентированного на усиление более слабых оптических сигналов, чем в случае ОУ|, характерным является то, что используется лазер накачки с λн =980нм.

Это приводит к увеличению коэффициента усиления, но при большем уровне входного сигнала, как, например, на входе ОУ1 уровень шумов возрастает, а ресурс лазера накачки уменьшается. Поэтому в схеме ОУ2. как правило, не применяется второй лазер накачки, и обязательно используется полосовой оптический фильтр (см. рис. 4.9).

Что касается схемы ОУ3, то она, по существу, является схемой последовательного соединения «ОУ1 + ОУ2». Таким образом, оптический сигнал в линии сначала предварительно усиливается по схеме ОУ2, а затем еще раз по схеме ОУ). Как правило в схеме ОУ3 между ОУ1 и ОУ2 включают пассивный компенсатор дисперсии на ОВ для увеличения протяженности участка линии передачи по дисперсии.

Достоинством ОУ является то, что они могут быть использованы как в одноканальных ВОСП, так и в ВОСП-СР.

ОУ могут сегодня успешно использоваться при реконструкции и восстановления ВОЛП.

В основном на действующих ВОЛП используются ОВ типа SMF (пo Рекомендации МСЭ-Т G.652) и АЛТ синхронных мультиплексоров уровня не выше СТМ-16 (2,5 Гб/с) без ОУ с длиной участка регенерации до 100-150 км. Таким образом, на многих участках ВОЛП используются необслуживаемые регенерационные пункты (НРП) со специальными мерами по их автономному электропитанию и защите от несанкционированного доступа.

Основной из проблем, возникающих в процессе эксплуатации ВОЛП, является проблема «существования» НРП. Эта проблема решается с минимальными дополнительными капитальными затратами, если установить в линейном тракте ВОЛП на соседних прилежащих друг к другу сетевых узлах связи ОУ1 и ОУ2 (см. раздел 2), т.е. применение ОУ позволяет значительно увеличить длину участка регенерации ВОЛП при той же скорости передачи в существующих ВОЛП, что позволит в ряде случаев «исключить» НРП.

Кроме того, в ходе эксплуатации существующих ВОЛП возникает необходимость увеличить объем трафика, что может быть обеспечено заменой оборудования (в сетевых узлах) на более высокоскоростное (например, АЛТ уровня СТМ-16 на АЛТ уровня СТМ-64). Причем, при повышении скорости сигнала до 10 Гбит/с (СТМ-64), передаваемого по ОВ типа SMF, для сохранения той же длины участка регенерации по скорости передачи необходимо вводить в тракт ВОЛП пассивные компенсаторы дисперсии, что приведет к уменьшению длины участка регенерации по затуханию. Поэтому, чтобы сделать это с минимальными дополнительными капитальными затратами и сохранением той же длины участка регенерации, в большинстве случаев для этого достаточно применить те же ОУ1 и ОУ2.

По заданию ОАО «Ростелекома» в ЦНИИС была разработана в 1997-99 г.г. концепция восстановления цифровых линий связи в чрезвычайных ситуациях (ЧС), в соответствии с которой, в частности, региональные центры технической эксплуатации ОАО «Ростелекома» должны быть обеспечены соответствующими мобильными средствами восстановления (МСВ) НРП ВОЛП ЧС с использованием ОУ. В соответствующих технических предложениях (шифр: «МСВ-НРП ВОЛП-ЧС») показана необходимость и высокая эффективность использования ОУ — как отдельных приборов.

Предусматривается дальнейшая работа с ОАО «Ростелеком» в этом направлении, связанная с приобретением и опытной эксплуатацией образцов ОУ в составе МСВ.

Ожидается, что в будущем, эти положения концепции будут нормированы в масштабах всей отрасли.

10 Схемы на операционных усилителях

Тема: Схемы на операционных усилителях.

Вопрос 1. Общая характеристика ОУ.

Операционные усилители (ОУ) являются разновидностью усилителей постоянного тока, имеют большой коэффициент усиления по напряжению кu==5×103 — 5×106 и высокое входное сопротивление Rвх=20 кОм — 10 МОм. Современные ОУ выполняются многокаскадными и включают в себя ряд дополнительных устройств (защиту, термокомпенсацию и др.) Массовое применение ОУ обусловлено их универсальностью: устройства на их базе могут осуществлять усиление, выполнять математические операции, сравнивать электрические величины, генерировать сигналы различной формы.

ОУ имеет два входа и один выход. При подаче сигнала на инвертирующий вход Uвх.и. приращение выходного сигнала Uвых находится в противофазе (противоположное по знаку) с приращением Uвх, а при подаче на неинвертирующий вход — совпадают по фазе (одинаковы по знаку). В зависимости от конкретного устройства на базе ОУ используют как инвертирующий, так и неинвертирующий входы.

На рис.8.2 приведена принципиальная схема ОУ К544УД1А. Высокое входное сопротивление ОУ обеспечивается согласованной парой полевых транзисторов VT1, VT5 входного дифференциального каскада, включающего в себя кроме названных транзисторы VT2, VT4 и резисторы R1, R3. Работа этого каскада обеспечивается стабилизатором тока, включающим транзисторы VT6, VT7 и резисторы R4, R5. Температурная компенсация осуществляется звеном, выполненным на транзисторах VT10, VT14 и резисторах R8, R10. ОУ имеет защиту от коротких замыканий по выходу (VT16, VT18, R12). Выходным каскадом является составной эмиттерный повторитель (VT12, VT17, VT15, R11), имеющий низкое  выходное сопротивление и обеспечивающий нагрузочную способность. Выходной каскад имеет свой стабилизатор тока (VT11, VT13, R9). В согласующее звено между входными и выходными цепями входят элементы: R6, R7, VT8, VT9, VD1, C1.

Важнейшими характеристиками ОУ являются амплитудные (передаточные) Uвых=f(Uвх) (рис.8.3) и амплитудно-частотные (АЧХ) кU(f). Последние имеют вид АЧХ усилителя постоянного тока за исключением специальных частотнозависимых устройств (избирательный усилитель и др.). Передаточные характеристики имеют линейный участок, для которого кU==const, и нелинейный — кU¢<кU. При реализации конкретных устройств используют линейные и нелинейные участки. Рассмотрим примеры построения устройств на базе ОУ.

Вопрос 2. Инвертирующий и неинвертирующий усилители на ОУ.

Инвертирующий усилитель (рис.8.4) изменяет знак выходного сигнала относительно входного. На инвертирующий вход через резистор R1 подается Uвх и вводится параллельная отрицательная обратная связь по напряжению с помощью резистора Rо.с.. Коэффициент усиления

Рекомендуемые материалы

кU.и=.

Для уменьшения погрешностей от изменения входных токов делают симметричные входы, выбирая R2=R1êêRо.с.

Неинвертирующий усилитель (рис.8.5) не изменяет знак выходного сигнала относительно входного и

кU.н=.

Вопрос 3. Вычитатель-усилитель и сумматоры.

Вычитатель-усилитель (рис.8.6) предназначен для усиления разностных сигналов. Если R1=R2 и Rо.с=R, то Uвых=(Uвх2-Uвх1).

Сумматоры. Схемы инвертирующего и неинвертирующего сумматоров приведены на рис.8.7, 8.8. Для инвертирующего сумматора выходное напряжение определяется по формуле

.

При равенстве входных сопротивлений R1=R2=R

Uвых=-(Uвх.1+Uвх.2+…+Uвх.n) — для инвертирующего сумматора;

 — для неинвертирующего сумматора.

В схеме сумматоров переменным параметром является сопротивление обратной связи Rо.с, которое и определяет коэффициент усиления. Формулы


приведены для постоянных величин (числовой сумматор) Uвх.1, Uвх.2 и т.д. В работе исследуется также инвертирующий геометрический сумматор, для которого складываются мгновенные значения Uвх.1 и Uвх.2.

Вопрос 4. Интегратор и дифференциатор.

Интегратор, схема которого показана на рис.8.9, реализует операцию

,

где t=R1Cо.с — постоянная времени.

Дифференциатор (рис.8.10) выполняет операцию

Uвых=-Rо.сC=-t.


Для интегратора и дифференциатора на инвертирующий вход подаются прямоугольные импульсы с выхода симметричного мультивибратора. На рис.8.11,а приведен электрический аналог и на рис.8.11,б временные диаграммы, поясняющие принцип дифференцирования и интегрирования в электрических и электронных цепях.

Вопрос 5. Избирательный усилитель.

На рис.8.13 показан избирательный усилитель с частотно-зависимым двойным Т-образным мостом на базе резисторов R1, R2, R3 и конденсаторов C1, C2, C3, подключенным по схеме отрицательной обратной связи, для которого w0=. Мост выполняется симметричным, т.е. R1=R2=R, C1=C2=C и R3=. Если C3=C1+C2=2C, тогда w0=.

Вопрос 6. Генераторы на ОУ.

Мультивибратором называется генератор периодически повторяющихся импульсов прямоугольной формы. Мультивибратор (рис.8.14) является автогенератором и работает без подачи входного сигнала. Рассматриваемый генератор является симметричным и для него длительность импульса и паузы равны tи=tn=Rо.сC×ln(1+), при R1=R2tи=tп=Rо.сC×ln3, период повторения импульсов Тп=(tи+tп)=2tи, скважность Q=. Изменяя t=Rо.сC и величины R1, R2, можно регулировать длительность, частоту и амплитуду импульсов.

Генератор гармонических колебаний с мостом Вина на базе ОУ (рис.8.15) является самовозбуждающимся устройством. Мост Вина, состоящий из элементов R1, R2, C1, C2, образует звено частотно-зависимой положительной обратной связи, для которого f0= — частота генерации частотно-зависимой цепи. При R1=R2=R и C1=C2=C (условие обязательное) f0=. Соотношение параметров Rо.с и R0 определяет коэффициент усиления ku.

Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) предназначен для получения напряжения, которое в течение некоторого времени нарастает или спадает по линейному или близкому к линейному закону и используется в каскадах сравнения, схемах временной задержки импульсов, для получения временных разверток в электронно-лучевых трубках и т.д. Реализация ГЛИНа на ОУ и временные диаграммы входного и выходного напряжений даны на рис.8.16. Принцип работы основан на применении зарядного или разрядного устройства, интегрирующего конденсатора C и электронного ключа на транзисторе VT. При закрытом состоянии ключа происходит заряд конденсатора C от Езар. через R3 с постоянной времени tзар=R3C, что определяет длительность прямого (рабочего) хода. Замыкание ключа приводит к быстрой разрядке конденсатора и время обратного хода определяется сопротивлением насыщенного транзистора. Выходное напряжение повторяет форму напряжения на конденсаторе C и имеет вид “пилы”.

Вопрос 7. Пороговые устройства.

Пороговые устройства предназначены для сравнения двух входных величин. В рассматриваемых схемах сравниваются постоянное Uоп и переменное Uвх напряжения. На рис.8.17,а приведен двухвходовый компаратор, у которого сравнивающиеся сигналы поступают на оба входа усилителя. Поэтому состояние выхода компаратора (полярность выходного напряжения) определяется большим по уровню напряжением одного их входов, что отражает идеализированная (без учета гистерезиса) передаточная характеристика (рис.8.17,б). При равенстве входных напряжений выходное напряжение равно нулю. При DUвх=UопUвх>0 наряжение на выходе ОУ будет равно Uвых=Uвых.m, если же DUвх=UопUвх<0, то Uвых= —Uвых.m.

Уровень входного напряжения компаратора ограничивается допустимым синфазным входным напряжением. Принцип работы устройства поясняется временными диаграммами для Uвх и Uвых (рис.8.17,в). Обратные связи для этого компаратора не предусмотрены ни по одному их входов.

Для ускорения процесса переключения используют ускоряющие цепи на основе введения положительных обратных связей (ПОС). Такой компаратор с ПОС называется также триггером Шмитта (рис.8.18,а). Здесь применяется ПОС через цепочку R1,R2, а входной сигнал подается на инвертирующий вход. На рис.8.18,б построена передаточная характеристика этого компаратора, для которой

Uпр¢=Uоп

Uпр²=Uоп


Uг=Uпр¢Uпр²=,

Uг — ширина петли, определяющая соотношением сопротивлений делителя R1 и R2.

Контрольные вопросы

1. К какому классу усилителей относится ОУ?

2. Чем объясняется широкое использование ОУ?

3. Поясните структурную компоновку ОУ.

4. Что такое обратные связи в усилителях и как они используются при построении конкретных устройств на базе ОУ?

5. Какие основные характеристики ОУ и какой они имеют вид?

6. Где используют линейный и нелинейный режим усиления?

7. Поясните принцип построения инвертирующего и неинвертирующего усилителя на базе ОУ.

8. Как определяется их коэффициент усиления?

9. Поясните принцип построения вычитателя, сумматора, дифференциатора, интегратора. Запишите формулы выполняемых операций.

10. Что такое “избирательный усилитель”? Особенности АЧХ. Что такое и как определяется полоса пропускания?

Особенности организации обучения и развития младших школьников и подростков — лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

11. Основные принципы построения самовозбуждающихся устройств на базе ОУ.

12. Что такое частотно-зависимые цепи и в каких устройствах они используются?

13. Принцип построения и использование ГЛИНа.

14. Что такое “пороговые устройства”?

15. Какое принципиальное отличие при построении компаратора и триггера Шмитта на ОУ?

16. Поясните, что такое “гистерезис” в электронных цепях?

как работает, на операционном усилителе, микросхема

Слово «компаратор» произошло от латинского «comparare» и в буквальном русском переводе означает «сравнивать». Он производится в разнообразных модификациях, которые востребованы современной электронной промышленностью. Самые простые конструкции для сравнения контролируемых данных обладают 2-мя входами аналогового типа и одним цифровым. Базу его функционирования обеспечивает дифференциальный каскад, имеющий мощные усилительные характеристики. Компаратор напряжения довольно востребованное устройство и используется в областях, связанных с измерениями либо которые используют превращение сигнала из аналогового в цифровой.

Что такое компаратор напряжения

Принцип функционирования компаратора напряжения (КН) можно сравнить с весами рычажного типа. Когда на одну чашу весов укладывается эталонная гиря, а на другую — измеряемый продукт. В то время, когда вес продукта будет одинаковым с массой контрольного веса, чаша с эталонным весом поднимается выше, после чего процесс взвешивания заканчивается.

Применение компараторов

В КН вместо гирь функционирует основное напряжение, а продукт заменяет входящий сигнал. Когда образуется логическая «1» на выходе компаратора, начинается процесс сопоставления значений напряжения. Для проверки такого прибора не потребуется выполнения трудозатратной схемы. Достаточно подключить выходной вольтметр, а на вводы — регулируемое напряжение. При смене входных параметров на вольтметре будет видима функциональность КН, параметры настройки задаются схемой.

Принцип работы компаратора

Самым простым прибором считается компаратор, который сопоставляет напряжение, поступающее на один из входов, с базовым показателем, присутствующим на ином входе. Примитивный компаратор напряжения на операционном усилителе (ОУ) — без обратной связи.

Принцип работы

КН выполнен в виде электронной схемы с 2-мя входящими напряжениями и может устанавливать большее значение. Просто выполнить модели КН из ОУ, так как полярность выходящей электроцепи операционного усилителя исходит от полярности разности показателей напряжения на 2-х входах.

Представим, что существует фотоэлемент, который производит 0.5 В под воздействием солнечного света, и необходимо применять данный фотоэлемент в роли измерителя для установления периода дневного освещения. В таких случаях лучший вариант — применять КН, чтобы сопоставить напряжение от фотоэлемента с контролируемым показателем 0.5 В.

В цепи КН, первоначальное опорное напряжение поступает на инвертирующем вводе (U -), после напряжение, которое будут сравнивать с опорным, поступает на неинвертирующий ввод. Выходное значение исключительно зависит от входного размера по отношению к опорному напряжению.

Схема компаратора

Схема компаратора:

  • Менее эталонного — отрицательный;
  • равноправный опорному — «0»;
  • более эталонного значения — положительный.

ОУ компаратора сравнивает один уровень аналогового напряжения с другим уровнем аналогового напряжения или каким-либо опорным напряжением, и выдает выходной сигнал на основе этого сравнения напряжения. Другими словами, компаратор напряжения ОУ сопоставляет данные 2-х входов и определяет наибольший, простота и эффективность этой схемы проверена на практике и реализована в многих бытовых приборах.

Положительная обратная связь

Компараторы напряжения либо используют положительную обратную связь, либо вообще не используют ее в режиме разомкнутого контура. Затем выходной сигнал КН подается полностью на его положительную шину питания + Ucc или на отрицательную шину питания —Ucc, при приложении переменного входного сигнала, который проходит некоторое предварительно установленное пороговое значение.

КН (-) обратной связью

Параметры прибора

На самом деле, прибор можно расценивать как простейший вольтметр. КН, подобно цифровому прибору, обладает рядом эксплуатационных качеств, подразделяемые на 2 разновидности: статические и динамические.

Параметры прибора

Первые обладают следующими характеристиками:

  • Максимальная чувствительность по отношению к пороговым размерам сигнала, которые КН устанавливает на входе и заменяет потенциал выхода устройства на логический «0» либо «1».
  • Размер смещения устанавливается передаточным фактором прибора в отношении установленного образцового положения.
  • Входной ток — предельное значение, способное протекать с использованием любого вывода, при этом, не нанеся повреждение прибору.
  • Выходной ток — размер тока, во время перехода измерителя в положение «1».
  • Разность токов — результат, определяемый при вычитании токовых данных.
  • Гистерезис — разница в уровнях входящего сигнала, которая приводит к изменению стабильного выходного состояния.
  • Коэффициент понижения сигнала рассчитывается по отношению к дифференциальному сигналу, которые приводят к смене варианта функционирования измерителя.
  • Наименьшая и наибольшая номинальная температура — интервал, в котором технологические характеристики прибора не будут изменяться.
Гистерезис компаратора

Обратите внимание! Все основные параметры КН изображаются в форме параметров переходного типа. Это диаграмма, где по оси Х обозначается время, а Y — напряжение в вольтах.

Как обозначается компаратор на схемах

На схемах компаратора и в электротехнических схемах графическое обозначение измерителя выполняется в форме треугольника, имеющего три выхода. Они обозначаются символами «+» и «-», соответствующих неинвертирующим/инвертирующим показателям, также представляется выходной маркирующий знак «Uout».

Обозначение на схемах

Когда (+) на входе микрочипа, степень сигнала станет больше, чем конкретно на инверсном ( — ), то на выводе будет образовываться устойчивое значение. Исходя из схемотехнической базы компаратора, это число имеет возможность принимать вариант логического «0» либо «1». В цифровых электронных устройствах за «12» принимается сигнал, степень напряжения которого имеет 5В, а за «0» установлено его отсутствие. Другими словами, положение выхода измерителя устанавливается как высокое либо низкое. Хотя обычно на практике за логический «0» принимают разность потенциалов до 2.7 В.

Где применяется компаратор напряжения

Часто КН применяют в градиентном реле — схема, которая реагирует на скорость изменения сигнала, например, фотореле. Такое устройство может использоваться в тех ситуациях, когда освещение меняется довольно стремительно. Например, в охранных установках либо датчиках контроля выпущенных изделий на конвейерах, где прибор станет реагировать на прерывание светового потока.

Еще одна часто используемая схема — датчик измерения температуры и изменения «аналогового» сигнала в «электронный». Оба измерителя преобразовывают амплитуду входящего сигнала в ширину выходящего импульса. Такое превращение довольно часто применяется в разнообразных цифровых схемах. Преимущественно, в измерительных устройствах, блоках питания импульсного типа, электронных усилителях.

Конструкция компаратора

КН нашли обширную область применения в радиоэлектронике разнообразной направленности. В магазинах радиотоваров можно увидеть огромное количество разнообразных микросхем. Но особенно часто применяемыми микросхемами у пользователей считаются:

  • LM No 339;
  • LM No 311;
  • MAX No 934;
  • К554СА3.

Они легкодоступны в торговой сети и имеют довольно бюджетную цену. Такие КН выделяются обширным спектром входных параметров. К выходу КН способна присоединяться разнообразная токовая нагрузка, как правило, не превосходящая 50.0 мА. Это могут быть микрореле, варистор, световой диод, оптрон либо абсолютно разные исполнительные модули, однако с предельными по току компонентами.

Фотореле контроля

Подобное реле выпускается методом навесного монтажа. Его применяют в охранных контролирующих системах либо для контролирования степени света. Входящее напряжение попадает на делитель R1 и фотодиод VD3. Их объединенная точка сочетания использует ограничивающие диоды VD1/ VD2, подключенные к входам DA1. В итоге входящая разность потенциалов КН будет отсутствовать, а следовательно, и восприимчивость измерителя станет максимальной.

Фотореле

Чтобы выходящий сигнал смог инвертироваться, потребуется обеспечить входную разницу в 1 мВ. По той причине, что к входу подсоединены С1 и сопротивление R1, размер U на нем станет увеличиваться с незначительной задержкой, равноправной периоду заряда С1.

Зарядный блок

Такой блок питания принимается функционировать непосредственно после сборки. Его базовые опции сводятся к установлению рабочего зарядного тока и порогов, по которым срабатывает КН. При подключении прибора зажигается световой диод, позиционирующий подачу напряжения. На протяжении процесса зарядки обязан непрерывно гореть алый световой диод, который погаснет после того, как аккумуляторная батарея будет полностью заряжена

Зарядный блок

Подводимое напряжение от питающего блока настраивается R2, а зарядный ток устанавливается с применением R4. Наладка выполняется с применением сопротивления на 160 Ом, подключающегося в параллель к контактам, которые держат батарейку. Транзистор VT1 размещается на радиаторе, взамен его можно применять КТ814Б. Подобную схему надо будет комплектовать на плате с размером не более 50×50 мм.

Кварцевый генератор

Этот генератор ортогональных импульсов выполняется с использованием российского компаратора K544C3, функционирующего на тактовой гармонике 32.768 Гц. Схема станет рабочей в спектре входящего напряжения 7-11В с частотой установленной кварцем ZQ1. Тем не менее, для эксплуатации такого девайса сверх 50.0 кГц потребуется понизить значение R5-R6.

Генератор

При замыкании другого вывода с 0-проводом КН становится подсоединённым по варианту с незакрытым коллектором, а R7 становится нагрузкой. Подстраивание частотности производится совместно, с применением C1. С применением R4 выполняется автозапуск генератора. Меняя значение R2, изменяется импульсная характеристика.

Дополнительная информация! Выбирая конденсаторы С1 или С2, генератор сможет применяться в виде бесконтактного жидкостного датчика. В роли детектора для этой цели потребуется применять микроконтроллер с ПО. Однако возможно использовать и ещё дополнительно компаратор, который станет фиксировать деформации напряжения.

Отсюда следует, что компаратор способен предназначать действия по уровням значений на собственных вводах. Когда они отличаются, то, исходя от дельты U, выход прибора меняет качественное положение. Именно такие их качества используют создатели, разрабатывая самые разные электроприборы с операционным усилителем.

Опр. Опера. Ус.

Основные параметры ОУ

Интегральный ОУ имеет следующие основные параметры:

   1. Коэффициент усиления напряжения KyU˜ отношение изменения выходного напряжения к вызвавшему его изменению входного напряжения. В общем случае коэффициент напряжения ОУ, не охваченного обратной связью, равен произведению KyU всех его каскадов. В настоящее время Ky некоторых усилителей по постоянному току превышает 3.106. Однако значение его уменьшается с ростом частоты входного сигнала, при этом суммарная АЧХ имеет столько изломов, сколько усилительных каскадов в ОУ. Каждый каскад на высоких частотах вносит фазовый сдвиг, который влияет на устойчивую работу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью (ООС). Устойчивой работы усилительных каскадов ОУ добиваются введением частотной коррекции внешних нагрузочных RC˜ цепей. Для стабилизации двухкаскадного усилителя обычно требуется одна цепь, трехкаскадного ˜ две. Многие ОУ последних выпусков не требуют внешних цепей коррекции, так как в их схему уже введены необходимые элементы.

   2. Частота единичного усиления fI˜ значение частоты входного сигнала, при котором значение коэффициента усиления напряжения ОУ падает до единицы. Этот параметр определяет максимально реализуемую полосу усиления ОУ. Выходное напряжение на этой частоте ниже, чем для постоянного тока в 30 раз.

   3. Максимальное выходное напряжение UВЫХ макс ˜ максимальное значение выходного напряжения, при котором искажения не превышают заданного значения. В отечественной практике этот измеряется относительно нулевого потенциала как в положительную, так и в отрицательную сторону ↑↓U ВЫХ макс . В зарубежных каталогах приводят значение максимального диапазона выходных напряжений, который равен 2UВЫХ . Выходное напряжение измеряется при определенном сопротивлении нагрузки. При уменьшении сопротивления нагрузки величина UВЫХ макс уменьшается.

   4. Скорость нарастания выходного напряжения VUвых ˜ отношение изменения UВЫХ от 10 до 90% от своего номинального значения ко времени, за которое произошло это изменение. Параметр характеризует скорость отклика ОУ на ступенчатое изменение сигнала на входе; при измерении ОУ охвачен ООС с общим коэффициентом усиления от 1 до 10.

   5. Напряжение смещения UСМ ˜ значение напряжения, которое необходимо подать на вход ОУ, чтобы на выходе напряжение было равно 0. Операционный усилитель реализуется в виде микросхемы со значительным числом транзисторов, характеристики которых имеют разброс по параметрам, что приводит к появлению постоянного напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе. Параметр UСМ помогает разработчикам рассчитывать схемы устройств, подбирать номиналы компенсационных резисторов.

   6. Входные токи IВХ ˜ токи, протекающие через входные контакты ОУ. Эти токи обусловлены базовыми токами входных биполярных транзисторов и токами утечки затворов для ОУ с полевыми транзисторами на входе. Входные токи, проходя через внутреннее сопротивление источника сигнала, создают падение напряжений, которые могут вызывать появление напряжения на выходе в отсутствие сигнала на входе.

   7. Разность входных токов ↑↓IВХ. Входные токи могут отличаться друг от друга на 10 … 20%. Зная разность входных токов, можно легко подобрать номинал балансировочного резистора. Все параметры ОУ изменяют свое значение ˜ дрейфуют с изменением температуры. Особенно важными дрейфами являются:

   8. Дрейф напряжения смещения ↑↓UСМ.
9. Дрейф разности входных токов ↑↓IВХ.

   10. Максимальное входное напряжение UВХ ˜ напряжение, прикладываемое между входными выводами ОУ, превышение которого ведет к выходу параметров за установленные границы или к разрушению прибора. В таблицах приводятся значения ↑↓UВХ, в зарубежной литературе абсолютные значения диапазона.

   11. Максимальное синфазное входное напряжение. UВХ СФ ˜ наибольшее значение напряжения прикладываемого одновременно к обоим входным выводам ОУ относительно нулевого потенциала, превышение которого нарушает работоспособность прибора. В отечественной документации приводят модуль величины U ВХ СФ, а в зарубежной диапазон.

   12. Коэффициент ослабления синфазного сигнала КОССФ ˜ отношение коэффициента усиления напряжения, приложенного между входами ОУ, к коэффициенту усиления общего для обоих входов напряжения.

   13. Выходной ток IВЫХ ˜ максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется работоспособность прибора. Это значение определяет минимальное сопротивление нагрузки. Очень важно при расчете комплексного сопротивления нагрузки учитывать, что при переходных процессах включения (выключения) ОУ значение емкостной или индуктивной составляющей сопротивления нагрузки резко изменяются и при неправильном подборе нагрузки схема может выйти из строя.

   Часто вместо значения IВЫХ в документации приводят минимальное значение сопротивления нагрузки RH. Большая часть ОУ, разработанных в последнее время, имеют каскад, ограничивающий величину выходного тока при внезапном замыкании выходного контакта на шину источника питания или нулевой потенциал. Предельный выходной ток при этом ˜ ток короткого замыкания IКЗ равен 25 мА.

   Конструкторы и технологи микросхем ОУ постоянно ищут способы улучшения основных параметров приборов: увеличение KyU, fI, VUвых и др. Применяя схемотехнические решения и вводя новые технологические приемы, стараются снизить значение «паразитных» параметров UСМ, IВХ, ↑↓IВХ и их дрейфов, а также мощность, потребляемую прибором. Как правило достичь максимальных значений для всех параметров невозможно. Достижение максимального значения одного параметра часто осуществляется за счет ухудшения другого. Так, увеличение коэффициента усиления по напряжению влечет за собой снижение частотных свойств, и наоборот.

Использование трансимпедансных усилителей для широкодиапазонных фотодиодов

Уступчивые требования к усилителю требуют пристального взгляда

Фотодиоды используются в широком спектре применений для преобразования света в ток или напряжение. Они варьируются от солнечных элементов до оптических сетей передачи данных, от прецизионных инструментов до хроматографии до медицинских изображений. Все эти приложения совместно используют схему для буферизации и масштабирования вывода фотодиода. Для приложений, требующих высокую скорость и высокий динамический диапазон, часто используются схемы усилителя (TIA) транзистора, как показано на рисунке 1 . На этом рисунке емкость обратной связи показана как паразитная. Для многих применений это намеренно помещенный конденсатор для обеспечения стабильности.

Рисунок 1: Усилитель трансимпеданса.

Эта схема имеет фотодиод в «фотопроводящем режиме» с напряжением смещения, приложенным к катоду. Виртуальное соединение между двумя входами ОУ удерживает анод на земле, тем самым применяя постоянное обратное смещение напряжения на фотодиоде. Фотодиод можно рассматривать как источник тока (пропорциональный интенсивности света), конденсатор, большой резистор и так называемый темный ток — все подключены параллельно.

Чем больше напряжение смещения на фотодиоде, тем меньше емкость устройства. Хотя это хорошо для скорости, на практике это ограничивает способность фотодиода выдерживать большие обратные напряжения.

Работа цепи

Ток, генерируемый фотодиодом (IPD), усиливается схемой TIA и преобразуется в выходное напряжение через резистор усиления транзистора (также называемый резистором обратной связи или R F ). В идеале весь этот ток протекает через R F (т. Е. I FB = I PD ), но на практике усилитель «крадет» часть этого тока в виде входного тока смещения. Этот ток смещения приводит к возникновению напряжения ошибки на выходе и ограничивает динамический диапазон. Чем больше резистор усиления, тем больше этот эффект. Важно выбрать усилитель с достаточно низким током смещения (а также входное смещение и смещение напряжения) для достижения требуемого динамического диапазона и общей точности.

Еще одно соображение — влияние изменения входного тока ОУ по температуре. ОУ с биполярными входными каскадами имеют довольно постоянный входной ток. Но этот ток настолько высок даже при комнатной температуре (nA или даже μA), что небуферизованные биполярные усилители не подходят для многих применений с высоким коэффициентом усиления. По этой причине операционные усилители с входным каскадом FET являются предпочтительными, поскольку они имеют существенно более низкий входной ток — часто в одноразрядном диапазоне пикоампер или даже ниже при комнатной температуре.

Но входные диоды защиты от электростатического разряда протекают по мере их нагревания, что приводит к тому, что входной ток растет экспоненциально с температурой. Необычно для операционного усилителя с током смещения pA при комнатной температуре иметь входной ток nA при 125 ° C. ОУ-оператор, который решает эту проблему путем начальной загрузки диодов ESD, описан ниже в этой статье. Другой альтернативой является использование дискретного полевого транзистора для буферизации фотодиода на входе усилителя, но для этого требуется дополнительный компонент и соответствующее пространство платы и имеет относительно высокую входную емкость.

Рисунок 2: Входная емкость включает в себя емкость датчика, платы и емкость усилителя.

Поскольку динамический диапазон — это отношение максимального выходного сигнала к шуму, важно также выбрать ОУ с достаточно низким уровнем шума. Звук шума и напряжения ОУ усиливается как материя, в разной степени в зависимости от значения R F и C IN . Входная емкость, CIN (см. Рис.2 ), представляет собой комбинацию емкости фотодиода, входной емкости усилителя и емкостей разбрызгивания платы. В схемах усилителя с транзисторными токами текущий шум умножается на R F, в результате чего шум возникает как ошибка выходного напряжения. Кроме того, шум напряжения усилителя умножается на коэффициент усиления шума. Таким образом, для более высоких значений R F ток шума (in) становится более доминирующим, а для схем с высоким C IN доминирует шум напряжения (e n ). Поиск ОУ с низким уровнем шума и низким уровнем шума может быть сложной задачей.

Входная емкость также ограничивает пропускную способность. Один из способов подумать об этом заключается в рассмотрении импеданса входного конденсатора в качестве резистора усиления (R G ) в обычной инвертирующей конфигурации ОУ. Чем больше конденсатор, тем меньше импеданс и чем больше эффективное усиление, операционный усилитель «видит» (1 + R F / R G ), часто называемый усилением шума. Поскольку ширина полосы усилителя обратно пропорциональна усилению из-за постоянного характера продукта с полосой пропускания, это означает, что большая входная емкость ограничивает полосу пропускания схемы.

Это также можно рассматривать с точки зрения стабильности. Емкость на входе ОУ может создать полюс в частотной области или задержку во временной области. Этот полюс может быть скомпенсирован для обеспечения стабильной схемы путем добавления конденсатора обратной связи (C F ). Чем больше эта емкость, тем более ограничена пропускная способность схемы. Таким образом, важно выбрать усилитель с малой входной емкостью и аккуратно выложить плату, чтобы избежать паразитной входной емкости и емкости обратной связи. См. Стр. 14 и 15 в техническом описании LTC6268 для некоторых практических идей по уменьшению емкости с обратной связью, которая на практике достигает более 4-кратного увеличения пропускной способности схемы.

Доступные усилители

Существует ряд чрезвычайно низких входных усилителей смещения — некоторые с смещением до 40 fA при комнатной температуре. Одним из замечательных примеров является наш новый LTA6268 фемтоэмперный усилитель тока — усилитель имеет низкое смещение наряду с производительностью, требуемой высокоскоростными схемами фотодиодов с высоким динамическим диапазоном, описанными в этой статье. Он обеспечивает чрезвычайно низкий входной ток, загружая встроенные диоды защиты от электростатического заряда. Создавая буферизованную реплика входного напряжения и подавая его на раздельные диоды с электростатическим разрядом, диодные напряжения и ток сохраняются крайне низкими во время нормальной работы. Результатом является гарантированный максимальный входной ток смещения 0, 9 pA при 85 ° C и 4 pA при 125 ° C. Ток смещения при комнатной температуре обычно составляет всего 3 мА. Типичная производительность входного тока показана на рисунке 3 . В то время как этот ток все еще увеличивается по температуре, он на несколько порядков ниже, чем у других усилителей.

Рисунок 3: Ток входного смещения LTC6268 остается низким по температуре.

LTC6268 имеет полосу усиления 500 МГц, позволяя одноступенчатым схемам, как показано в техническом паспорте устройства, с коэффициентом усиления 20 кОм с полосой пропускания 65 МГц или усилением трансимпеданса 499 кОм с полосой пропускания 11, 2 МГц. При использовании только входной емкости с общим входом 0, 45 пФ, усилитель вносит лишь небольшую часть общей емкости схемы, сохраняя высокую пропускную способность. Входные шумы напряжения и тока устройства составляют 4, 3 нВ / √ Гц на частоте 1 МГц и 5, 5 мкА / √ Гц при 100 кГц, соответственно. Его широкая полоса пропускания, низкое искажение и высокая скорость нарастания скорости делают его пригодным для приложений с высокой скоростью оцифровки.

Несмотря на то, что на рынке доступны сотни, если не тысячи, операционных усилителей, поиск подходящего трансимпедансного усилителя для высокоскоростных высокодиапазонных фотодиодных схем может быть очень сложной задачей. Каждый из них требует своей уникальной комбинации характеристик производительности, включая чрезвычайно низкий входной ток смещения и дрейф температуры входного тока, высокую скорость (например, производительность полосы пропускания и скорость нарастания), правильный баланс низкого напряжения и токового шума и низкую входную емкость.

By BY BRIAN BLACK, менеджер по маркетингу продуктов и GLEN BRISEBOIS, старший инженер-программист, Linear Technology, www.linear.com

Принцип работы – обзор

5.2.2 Емкостные преобразователи

Принцип работы емкостного преобразователя представляет собой изменение номинальной емкости ( C ) конденсатора или двух или более соединенных между собой конденсаторов из-за неэлектрической величины. , в данном случае водоизмещение. Конденсатор состоит из набора двух проводящих пластин, разделенных диэлектриком. В общем случае можно изменять емкость, изменяя расстояние между пластинами конденсатора, величину диэлектрика или общую площадь его пластин (рис.15). Емкость конденсатора с параллельными пластинами выражается как

Рис. 5.15. Конденсатор с параллельными плоскими пластинами с переменным расстоянием между пластинами (А), с переменной общей площадью (В) и с переменным диэлектриком (С). Дифференциальный конденсатор с плоскими пластинами (D).

(5.24) c = ε0εrax

, где

ε 0 0 0

ε R — это диэлектрическая константа изоляционного слоя между конденсаторными пластинами

A — поверхность пластины

x — расстояние между пластинами.

Таким образом, можно варьировать любой из параметров уравнения. (5.24) и использовать изменение емкости для расчета измерения смещения:

(5.25)ΔC=f(εr,A,x)

Конденсатор с плоскими пластинами с изменением расстояния между пластинами является самым простым и наиболее распространенным используется как датчик смещения. Получение уравнения (5.24) с учетом расстояния между пластинами ( х ), получаем выражение для чувствительности преобразователя этого типа:

(5.26)S=ΔCΔx=−εAx2

где

ε=ε0×εr

Чувствительность преобразователя лучше к конденсаторам с небольшим расстоянием между пластинами и большими площадями.

На рис. 5.15 показаны некоторые возможности изменения параметров конденсатора с плоскими пластинами для измерения линейного перемещения. В дополнение к расстоянию между пластинами также можно измерять линейные смещения, изменяющие диэлектрическую проницаемость и, следовательно, E , и общую площадь между пластинами (Cobbold, 1974; Dally et al., 1993; Геддес и Бейкер, 1968; Вебстер, 2010).

Преобразователь артериального давления может быть оснащен емкостным датчиком смещения: конденсатор с параллельными пластинами, в котором одна металлическая пластина закреплена, а другая пластина представляет собой тонкую гибкую диафрагму. Диафрагма деформируется при изменении артериального давления за счет изменения расстояния между пластинами конденсатора и, следовательно, емкости. Переменная емкость обычно используется в электронной схеме с усилителем с высоким коэффициентом усиления и питается синусоидальным напряжением с частотой в десятки кГц.Полученное выходное напряжение прямо пропорционально разносу пластин конденсатора. Это расстояние изменяется в диапазоне более низких частот (пульса), чем частота возбуждения контура, и определяется демодуляцией и фильтрацией. Другим примером биомедицинского применения емкостного преобразователя смещения является измерение смещения стенки сердца или кровеносного сосуда с аналогичной электронной схемой, но с экранированным плоскопараллельным конденсатором, в котором подвижной пластиной является проводящая поверхность биологической ткани. или мишень).Экранирование неподвижной пластины (или головки датчика) увеличивает линейность отклика (Dally et al., 1993). Коммерческие версии могут измерять расстояния от десятков микрометров до нескольких сантиметров и имеют плоскую полосу пропускания от постоянного тока до 500 Гц.

Если используются дифференциальные конденсаторы, то показанной измерительной схемой является мост Уитстона (рис. 5.16), обычно с одним постоянным конденсатором, двумя переменными конденсаторами преобразователя и одним регулируемым конденсатором, используемым для балансировки моста (Кобболд, 1974 г.) .

Рисунок 5.16. Мостовая схема Уитстона, используемая для измерения смещения с помощью емкостного преобразователя.

Уравнения, описывающие работу емкостного преобразователя на рис. 5.16A, показаны ниже. На балансе C 1 = C 2 = C 3 = C 4 и D 2 = D 3 = D , что то есть расстояние между пластинами двух дифференциальных конденсаторов одинаково.Оба конденсатора, С 2 и С 3 , имеют одинаковую площадь А , а смещение подвижной пластины х . Когда центральная пластина движется вверх, дифференциальные емкости составляют дробная разность емкостей, линейно зависящая от изменения расстояния между пластинами в каждом конденсаторе:

(5.29)C2−C3=[εA][1/(d−x)−1/(d+x)]

(5.30)C2−C3=[εA][2x/(d2−x2)]

И

(5.31)C2+C3=[εA][1/(d−x)+1/(d+x)]

(5.32)C2+C3=[εA][2d/(d2−x2)]

Уравнение деления (5.31) по уравнению (5.32) дает

(5.33)(C2−C3)(C2+C3)=2x2d=xd

Легко заметить пропорциональность и линейность между относительным изменением емкости и смещением x . Выходное напряжение для смещения x рассчитывается как

(5.34)Vвых(jω)=VC4(jω)−VC3(jω)

Падение напряжения в Кл 4 равно

(5.35)VC4(jω)=(Vin(jω)/jωC4)[(1 /jωC1)+(1/jωC4)]

или

(5.36)VC4(jω)=[C4(C1+C4)]Vin(jω)

Аналогично падение напряжения в C 3 равно

(5.37)VC3(jω)=[C3(C2+C3)]Vin(jω)

Тогда

(5.38)Vout(jω)={[C4(C1+C4)]−[C3(C2+ C3)]}Vin(jω)

В остатке C 4 приравнивается к C 1 .Тогда:

(5.39)Vout(jω)={12−[C3(C2+C3)]}Vin(jω)

или

(5.40)Vout(jω)=(C2−C3)2(C2+ C3)Vin(jω)

Замена уравнения (5.33) в уравнении (5.40):

(5.41)Vout(jω)=x2dVin(jω)

Уравнение (5.41) показывает, что выход дифференциального емкостного преобразователя не зависит от площади конденсаторов A и диэлектрической проницаемости ε .

Другая возможность получения емкостного преобразователя линейного перемещения заключается в использовании конденсатора с цилиндрическими пластинами вместо плоских пластин (рис. 5.17). Существует несколько возможностей реализации преобразователя линейных перемещений с дифференциальным конденсатором, показанным на рис. 5.17В: перемещение диэлектрика, общей пластины или каждой из внешних пластин двух конденсаторов (Cobbold, 1974; Dally et al., 1993; Geddes). и Бейкер, 1968; Вебстер, 2010).

Рисунок 5.17. Конденсатор с цилиндрическими пластинами, используемый в преобразователе линейного перемещения: одиночный блок (A) и дифференциальный конденсатор (B). Любую из пластин или диэлектрик можно прикрепить к движущемуся объекту для измерения его перемещения.

Вращательное смещение также может быть измерено с помощью емкостных преобразователей с плоскими или цилиндрическими пластинами. Обычно вращающийся объект прикрепляют к движущейся пластине таким образом, чтобы изменить общую площадь пластин конденсатора, а изменение емкости используется для расчета смещения объекта.

Принцип работы — обзор

3.4 Тестирование и модификация

Анализ и тестирование важны в современном инженерном проектировании, потому что принципы эксплуатации дают только приблизительное руководство и знаменуют собой первый шаг в долгом пути проб и ошибок к созданию предсказуемого конечного продукта .Как Дюпре [2001, с. 171] отмечает двигатели внутреннего сгорания, в первом приближении принцип действия таков:

смесь воздуха и бензина взрывается в цилиндре, толкая поршень вниз по цилиндру; цилиндр соединен с валом, который вращается движущимся поршнем. К этому валу подсоединено несколько подобных цилиндров, и последовательность взрывов поддерживает непрерывное вращение вала… Но если на основании этого объяснения кто-то выстроит на полу кухни несколько банок из-под кофе, частично наполненных бензином, застрянут вантузы унитаза. в банках, привязав концы плунжеров к метле, а затем просунув зажженные спички через отверстия в стенках банок из-под кофе, они, конечно, не построили бы двигатель внутреннего сгорания.

Таким образом, первоначальные проекты являются только потенциальными решениями и постоянными [1980; 2000] утверждал, что посредничество в режимах тестирования, основанных на широко используемых технологиях тестирования, изменило проектирование и способность разработчиков создавать сложные технологии. Значительная часть современного инженерного проектирования включает в себя разработку критериев и спецификаций, которые помогают более подробно определить, как технологическая система будет выполнять желаемую функцию. Производство спецификаций включает в себя перевод очень «общих, качественных целей для устройства в конкретные, количественные цели, сформулированные в конкретных технических терминах» [Винченти, 1990, с.211]. Как правило, это сложный процесс, включающий создание диаграмм, моделей, макетов и предварительных расчетов. Эти артефакты позволяют обмениваться знаниями между различными субъектами, участвующими в дизайне, и разрешать (или не разрешать) конфликты в рамках неотъемлемых компромиссов между различными вариантами дизайна. Таким образом, модель или макет выступает в качестве «пограничного объекта» [Henderson, 1998; 1999], чтобы обеспечить общее понимание дизайна и процесса проектирования. Это помогает посредничеству между различными группами, пониманию замысла и достоверности «фактов», из которых он состоит.

Такие модели также играют ключевую роль в облегчении обучения во время проектирования. Сложность многих инженерных артефактов вместе с их взаимодействием с изменяющейся средой делает определение последствий многих изменений конструкции либо аналитически неразрешимым, либо аналитически очень трудным [Pavitt, 1984; Соловей, 2004]. Таким образом, ошибочно рассматривать проектирование как простой линейный процесс, особенно в многокомпонентных системах, где надлежащее проектирование одного компонента чувствительно к проектированию других.Эти взаимозависимости препятствуют попыткам одновременного изменения многих компонентов [Нельсон, 1982, с. 463]. Следовательно, проектирование, разработка и производство сложных артефактов включают в себя обучение, экспериментирование, тестирование и многочисленные модификации и циклы обратной связи.

Хендерсон [1995; 1998 год; 1999] показал в серии замечательных тематических исследований, как наброски и модели используются в интерактивном режиме как на индивидуальном, так и на групповом уровнях «для разработки и согласования различных точек зрения и извлечения, в прямом и переносном смысле, огромного количества неявных знаний» [1998]. , п.141]. Разработчики компонентов, например, могут показать инженерам-технологам свои проекты, которые, в свою очередь, могут затем сформулировать свои «внутренние чувства», почему определенные детали могут быть трудными для обработки и какие изменения в конструкции могут улучшить их, не объясняя, почему именно. D’Adderio [2001] аналогичным образом размышляет о самой визуальной природе знаний, используемых в этих переговорах, и о том, как дизайнеры используют графические инструменты для общения друг с другом. В то время как социологический подход Хендерсон фокусируется на социальных группах, ее подход Теории акторных сетей согласуется с тем, что эти модели рассматриваются как часть переговоров с природой, в которых природа отказывается вести переговоры о проектах, которые не работают.Как следствие, большая часть работы по инженерному проектированию связана с выяснением того, какое поведение природа считает приемлемым.

Хотя можно полагаться на чисто эмпирические методы и неконтролируемые изменения для улучшения конструкции, такие подходы, как правило, являются дорогостоящими и требуют много времени. Вместо этого дизайн руководствуется неявным пониманием и эмпирическими правилами, специфичными для местных ситуаций и технологических конфигураций [Vincenti, 1990]. Учитывая сложность большинства конструкций, экспериментальные процессы, связанные с инженерным проектированием, обычно включают создание упрощенных (т.е. искусственно предсказуемые) условия, при которых предположения, лежащие в основе этих локальных объяснений, верны [Nightingale, 2004]. Это позволяет использовать объяснения, которые слишком просты для работы в реальном мире, для управления процессом проектирования.

По мере накопления знаний условия упрощения могут быть смягчены, и процесс проектирования может перейти от «лабораторных условий» к моделям, прототипам, полевым испытаниям и, в конечном итоге, к реальным приложениям. Это руководство (надеюсь) уменьшит количество экспериментальных тупиков и улучшит окончательные проекты.В ходе этого процесса проектировщики принимают во внимание практические соображения, такие как разрешение, необходимое для технического обслуживания, или индивидуальные особенности персонала, который в конечном итоге будет эксплуатировать технологию. Большая часть этих практических знаний не артикулирована, зависит от контекста и не поддается кодификации, что делает тестирование прототипов неотъемлемой частью дизайна [Vincenti, 1990]. При выполнении этого тестирования и модификации дизайнеры полагаются на общие, но не сформулированные способы мышления и неявные модели и аналогии.Эти аналогии и модели — например, представление об устойчивости самолета относительно его вертикальной оси как о «флюгере» — опять-таки не всегда легко выразить словами. Они часто связаны с очень визуальной формой мышления и должны быть выражены в виде диаграмм и рисунков, над которыми можно работать и передавать [Vincenti, 1990; Хендерсон, 2000].

Такие модели анализируются для получения описательной информации о том, как конструкция будет вести себя, а также предписывающих данных о том, что необходимо для достижения желаемой функции конструкции.Академические и промышленные инженерные исследования разработали ряд теорий, теоретических инструментов, математических методов и интеллектуальных концепций для анализа проектов. Подобно операционным принципам Поланьи, некоторые из этих интеллектуальных инструментов специфичны для инженерии, например, такие понятия, как тяговая эффективность и обратная связь, позволяют проводить количественный анализ, но не являются научными терминами [Mayr, 1976, p. 882; Винченти, 1990, с. 216; Фергюсон, 1978, с. 450]. Такие инструменты позволяют инженерам исследовать, насколько хорошо проекты и варианты дизайна соответствуют или не соответствуют критериям проектирования и спецификациям.

В процессе тестирования артефактов и компонентов инженеры переключаются между взглядом на технологии в функциональном плане как часть более широкой системы использования и видением их с точки зрения их внутренней физики, которая может быть подвергнута эмпирическому анализу. В каждом случае альтернатива остается неявной, а новые знания, полученные в результате тестирования, интегрируются обратно в процесс проектирования. Поэтому проектировщики должны размышлять над своими проектами и результатами испытаний, договариваться об изменениях во взаимозависимых компонентах и ​​разрабатывать предписывающие критерии эффективности, часто используя модели и диаграммы в качестве инструментов для того, что Хатчинс [1995] назвал «внешним познанием», которое модифицируются в попытке уловить неявное, фоновое понимание и неявное знание [Henderson, 1995].

Роль, которую играет неявное знание в мысли Поланьи, контрастирует с сильной традицией понимания инженерного дизайна с точки зрения практического разума средства-цели. Саймон [1969], например, является влиятельным сторонником точки зрения, согласно которой дизайн — это «наука об искусственном», в которой разложимые проблемы анализируются и собираются вместе. Для Поланьи дизайн не может заключаться в том, чтобы разбирать проблемы на части и снова собирать их вместе, потому что связные сущности нельзя свести к сумме их частей.Наоборот, как показал Schön [1982], он по своей сути творческий и включает в себя взаимодействие, практику и размышления над действиями.

Для Поланьи дизайн может заключаться не только в приспособлении средств к четко определенным целям, потому что эти цели и средства не всегда находятся под рукой. Их часто придется создавать, и этот творческий процесс включает в себя неявное умозаключение. Рассмотрение дизайна как чистой «науки об искусственном» часто упускает из виду изначально творческие, беспорядочные и открытые процессы разработки и вынесения решений между противоречивыми требованиями и преимуществами.Неявный характер знания, связанного с созданием новых граничных условий, которые заставляют технологии вести себя определенным образом, не может быть сведен к простому расчету. Сведение дизайна к науке о дизайне оставляет неизученными сложные творческие процессы, используемые дизайнерами, а также роль диаграмм, моделей и визуального мышления в изучении вариантов дизайна.

принцип действия в предложении

Эти примеры взяты из корпусов и из источников в Интернете. Любые мнения в примерах не отражают мнение редакторов Кембриджского словаря, издательства Кембриджского университета или его лицензиаров.

работа принцип был немедленно принят и подвергнут строгой квалификационной программе.

Из

Википедия