Как добиться прямоугольного сигнала через ОУ LM741 в Altium Designer 2021?

Question

[Dark_NIX]

Сигнал на выходе не преобразуется в прямоугольный.
Выставил все заданные значения, землю расставил как понимал(это далеко не первый вариант, как я её пытался расставить), но сигнал только искажается, прямоугольным не становится.

Задание: Собрать принципиальную схему операционного усилителя (рис.1) с однополярным питанием в +9В, подать на вход дифференциального каскада источник постоянного напряжения в диапазоне от 1В до 4.5В, на второй вход подать напряжение с генератора треугольного сигнала с амплитудой в 5В и периодом сигнала в 1 секунду, получить на выходе осциллограмму работы (рис.2) компаратора.
Создать и подключить источник питания и генератор треугольного сигнала (рис. 3) , настроить их (через Properties), а также создать Probes для отображения выходных осциллограмм и подключить к выходу операционного усилителя и генератору треугольного сигнала.
Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Следующие фото -то что сделал я, и как итог конечное изображение - график, который ни то, что не совпадает с первым(который был указан в задании), он даже не похож по форме






Был бы очень признателен за помощь!

Answer 1

[MVV]

Следующие фото -то что сделал я,

Вы неправильно понимаете, что такое "второй вход операционного усилителя": на самом деле, это - вход второго транзистора в дифференциальном каскаде (Q2 на вашей схеме), нога 2 - та, которую вы на землю посадили.

А то, что вы приняли за "второй вход" - это один из входов регулировки нуля для напряжения сдвига. И, кстати, на землю входы для регулировки нуля (1,5) сажать не полагается: их через резисторы подтягивают к "минусу": поищите схему включения, там нарисовано. В качестве которых обычно используют одинн подстроечник, со средним контактом к этому минусу подключенным. Если смотреть по схеме, то резисторы регулировки нуля оказываются подключенными параллельно R1 и R2 соответственно и просто корректируют их сопротивление. Так что если от вашего компаратора особой точности не требуется, ноги 1 и 5 можно их вообще не подключать.

Comments

[Dark_NIX]

Таким образом?


В таком случае на самом щупе сигнал такой:


А на осциллографе такой:

[Dark_NIX]

В случае, если я уберу землю на минусе питания, то сигнал такой

[MVV]

<исправлено>
Dark_NIX, 741 в типичном включении рассчитан на расщепленное (двухполярное) питание: на вход питания 7 подается, допустим, +15В относительно земли, на 4 - -15В. А земля - это, вообще-то, отдельный третий провод от источника питания. Возможны, конечно, варианты, но, по-любому, диапазон для сигналов на входах у 741 сильно меньше, вольта на 2-3, чем полный размах напряжения питания.
А то, что у вас в задании, то там земли, вообще-то не видно, и напряжения источников сигнала на входах - они от минуса отсчитываются.
Так что нарисовано, вроде бы, правильно.

[Dark_NIX]

Таким образом?

Просто результат тот же

[Dark_NIX]

Dark_NIX, Ну только если я землю вообще не ставлю, симуляцию запустить нельзя

[MVV]

Dark_NIX, земля в этом задании - это то же, что и минус по питанию. Короче, как вы перед моим предыдущим комментарием нарисовали - это, на самом деле правильно. И сейчас у вас, по сути, нарисовано то же самое - только землю надо с минусом соединить, раз для симуляции земля нужна.

Почему у вас не работает - мне непонятно. Проверяйте для начала, что там у вас на каждом из входов творится.

[Dark_NIX]

MVV, Для меня это тоже не понятно.
Если поставить землю на минус(в какой уодно части провода), то творится это на осциллографе

На щупах по отдельности такая картина:


То есть будто бы и похоже на правду, но не то

А если землю поставить где нибудь здесь, то это ещё ближе к правде, но всё ещё не то

[Dark_NIX]

Dark_NIX, Можно кнч и на осциллографе глянуть, но это особо ничего яснее не сделает

[Dark_NIX]

Dark_NIX, И вот, чисто для сравнения. На одном прикольном сайте, если собрать такой ОУ(конечно уже схема не такая подробная и ОУ там базовый, но я думаю суть правильности включения это не меняет), то вылезает следующая картина:

[Dark_NIX]

MVV, Прошу прощения, отвлекаю?

[MVV]

Dark_NIX, нет, я просто уже не слежу за вашей лабораторной работой. Очевидных ошибок, типа той, что была сначала, как я уже написал, я не вижу. Так что, уж извините - малыми усилиями помочь вам не могу.

Answer 2

[VT100]

Пока я буду откладывать в сторону дебильник и раскочегаривать нотбук - поищите и почитайте про:

• Допустимый диапазон синфазного сигнала на входах ОУ;
  
• Обдумайте каков он при типовой схеме с двуполярным питанием;
  
• Предложите правильную организацию выполнения условий п. 1 при однополярном питании.
  
• Также - почитайте про назначение выводов балансировки.
  
• Не забывайте, что значок "земля" - абстракция, показывающая точку отсчёта лдля напряжений в узлах схемы.
  

Comments

[VT100]

Комментарий к первому и второму вопросам.
Сверху - осциллограммы при напряжении V2 от 1 до 2 В. Скважность ШИМ не регулируется.
Снизу - при напряжении от 2,5 до 4,5 В. Скважность регулируется.
Почему так?

Подсказка:

Представьте в уме или измерьте в модели токи коллекторов диференциального каскада Q3 и Q4 в зависимости от уровней напряжения на входах ОУ.

[Dark_NIX]

VT100, Честно, не понимаю...

[Dark_NIX]

Dark_NIX, Прошу прощения

[VT100]

Сделайте экспорт нетлиста этой схемы и сохраните где-то тут. Завтра проверю в абсолютно одинаковых условиях.

[Dark_NIX]

Dark_NIX,

[Dark_NIX]

VT100, И разрешено ли здесь делиться соц сетью? Просто крайне неудобно таким образом общаться

[Dark_NIX]

VT100, Ну пока вы не ответили, скину первый вариант

[VT100]

Картинки с текстом, конечно же, - не подходят.
Попробуйте PCAD netlist. Через https://web.habrastorage.org/ или какой-нибудь pastebin. Соцсети - нет.

Подсказка 2

В модели этого ОУ от National Semiconductor - токи ветвей дифференциального каскада (Q1, Q3, Q5 и Q2, Q4, Q6) составляют 50 мкА. Если напряжение на обеих входах упадёт ниже 1,5 В, то обе ветви будут заперты и их ток упадёт до наноскопических величин.
Что дальше?

Подсказка 3

В результате базовый ток Q18 также прекратится, Q18 и Q17 закроются и, через открытые Q12 и Q13, на выходе установится высокое напряжение не зависящее от разности напряжений на входах.
Т.е., при выходе входных напряжений за допустимый диапазон ОУ (или компаратор) - обращаются в тыкву.

[Dark_NIX]

VT100, https://pastebin.com/CNsYLBsg

[Dark_NIX]

VT100, VT100, Ну какие бы значения напряжений я не выставлял, результат неизменен. Только на генераторе импульса я таким образом амплитуду меняю

[VT100]

https://pastebin.com/CNsYLBsg

Не то, там и в заголовках - "Protel". Двумя строчками выше в выпадающем списке - "PCAD netlist". Или "ORCAD netlist".
Примерно такой вид я ожидаю увидеть при импорте:
Q1 N001 in+ N007 0 NP
Q2 N001 in- N008 0 NP
Q5 N010 N009 N008 0 PN
Q6 N012 N009 N007 0 PN
R1 N017 Vss 1K
R2 N015 Vss 50K
R3 N018 Vss 1K
.....
.....

[Dark_NIX]

VT100, Честно говоря ничего похожего кроме этого не выходило, какой бы я формат эскпорта не выбирал

https://pastebin.com/s8L9wCJj

[Dark_NIX]

VT100, Может мне ссылку на репозиторий с самой схемой в гитхабе дать? По идее netlist не изменится

[VT100]

На осциллограмме в первом ответе для MVV (https://habrastorage.org/webt/66/04/78/66047875a36...) - всё правильно. Вход ОУ перегружен, поэтому нет никаких импульсов на выходе. Если зададите уровни постоянного напряжения на втором входе выше 2 В

источник постоянного напряжения в диапазоне от 1В до 4.5В

- импульсы появятся.

Подсказок - уже достаточно. Не знаю, как дальше объяснить.
По горизонтали - напряжение источника V1. Разными цветами - напряжение на выходе при разных напряжениях источника V2.


P.S. Нормальную работу с входными такими сигналами можно обеспечить двумя путями:

• Сместить их диапазон в допустимый для ОУ. В схемах с "однополярным" питанием широко применяется смещение на середину питающего напряжения. В данном случае диапазон "постоянного" сигнала станет от 2,75 до 6,25 В, а диапазон "пилы" - от 2 до 7 В.
  
• Использовать ОУ (компаратор) с более широким допустимым диапазоном входных напряжений. Например - LM358 (LM393).
  

[Dark_NIX]

VT100, Но импульсы и так есть, но они малы слишком и форма не соответствует заданию

Постоянное напряжение на 3, но оно, каким его не ставь, ничего не меняет (сигнал, если смотреть на щуп, при повышении напряжением вытягивается, но на деле это ничтожно мало по сравнению с нужным сигналом)

[VT100]

Сдаюсь. При среднем напряжении на входах более 2 В и разнице между входами 10 мВ у меня всё показывает как и должно быть.

[Dark_NIX]

VT100, ну может, я вам всё же скину ссылку на репозиторий с самим файлом схемы?

[VT100]

Шлите. Но Альтиума у меня нет, а в LTSpice такая схема работает вполне ожидаемо.

[Dark_NIX]

VT100, https://github.com/PhoeN-I-X/Altium

[Dark_NIX]

VT100, Там на постоянке 20В стоит, это я просто пытался на рандом уже подобрать

[Dark_NIX]

VT100, ААА, нашёл заразу, решил переделать, и вот что заметил
На схеме вот этот участок прочерчен так, будто там узла быть не должно. Я еще над этим думал, как тут соединять, ведь если провести от Q3 до соединения между Q9 и Q10 появится узел, а если только от Q3 до Q4. И уже от Q4 (даже не через базу, а как бы через PN-переход) до соединения между Q9 и Q10, то узла нет(казалось бы, как по схеме), и соответственно сигнал не доходит.

[VT100]

8-(
Система должна была бы предупреждать о не подсоединённом выводе...
Ну и посмотрите, что при разных уровнях "постоянного" напряжения (1-4 В).

[Dark_NIX]

VT100, Возможно нагло с моей стороны, но вы могли бы рассказать, что за что в этом усилителе отвечает?)

[Dark_NIX]

VT100, Ну этот момент тоже странный, разницы нет
Это 4 В:


Это 1 В:

Ну хотя, может чуть-чуть сигнал растягивается, но я думаю, это не тот эффект, которого вы ждали

[VT100]

Возможно нагло с моей стороны, но вы могли бы рассказать, что за что в это усилителе отвечает?

Хотите прочитать по-английски или мой пересказ?

Ну хотя, может чуть-чуть сигнал растягивается, но я думаю, это не тот эффект, которого вы ждали

Вполне тот. И тот же, что тут.
Это задание можно рассматривать как узел широтно-импульсного модулятора. Сравнивается "пила" на инвертирующем входе с некоей "уставкой" на неинвертирующем. На выходе - ШИМ сигнал с частотой "пилы" и заполнением (скважностью) пропорциональным "уставке".

Вот два варианта работы схемы. Сверху - с уровнями напряжений как в задании. При малых значениях уставки - переключеные выхода происходит не в моменты равенства напряжений на входах, а в моменты перехода "пилы" через уровень около 2 вольт. Это ошибка возникает из-за "не авторизованного" запирания ветви транзисторов 2 и 4.
Снизу - с отцентрированными относительно половины напряжения питания. Сигнал на выходе - правильный.

[Dark_NIX]

VT100,

Хотите прочитать по-английски или мой пересказ?

Было бы неплохо ваш пересказ послушать)

[VT100]

uA741 был разработан Dave Fullagar из Fairchild в 1968 году как ответ на LM101 (Bob Widlar, NSC, 1967).

В LM101 Видлар устранил недостатки предыдущих усилителей, связанные с защёлкиванием при выходе входных напряжений за допустимые границы, маленьким допустимым диапазоном входных дифференциальных напряжений и сложностью частотной коррекции.
Для первого и второго - были использованы p-n-p транзисторы Q3 и Q4 (вся нумерация - по схеме 741 из этой темы), с высоким пробивным напряженим эмиттер-база, включенные с общей базой ("горизонтальные" p-n-p транзисторы имеют из рук вон плохие частотные характеристики - схема ОБ позволяет выжать из них всё возможное). Получился дифференциальный каскад с управлением разностью эмиттерных токов. Для того, чтобы уменьшить входные токи ИМС до приемлемых значений - в эмиттеры дифкаскада включены эмиттерные повторители Q1 и Q2. Так 4 транзистора формируют собственно входной дифкаскад. Q5-Q7 - нагрузка дифкаскада в виде "токового зеркала". Таким образом в точке соединения коллекторов Q4 и Q6 мы получаем токовый выход первого каскада усиления ИМС.
Дальше - второй каскад усиления с общим эмиттером на Q18 и Q17 с нагрузкой в виде источника тока Q13. Он охвачен ООС через C1, превращающей его в интегратор и обеспечивающей полную частотную компенсацию. Т.е. ИМС не возбуждается при коэффициенте усиления равном 1.
На выходе - двухтактный эмиттерный повторитель Q14 и Q20, обеспечивающий низкое выходное сопротивление. Q16 (wing spreader) задаёт начальное смещение выходных транзисторов, для устранения искажений типа "ступенька".
Q15 и Q19 - защита от превышения выходных токов.
R5 - задает рабочий ток второго каскада через "зеркало" Q12 и Q13.
Суммарный ток ветвей дифкаскада стабилизируется ООС через токовое зеркало Q8 и Q9. Его значение определяется отношением их размеров, а также отношением размеров Q10 и Q11 и сопротивлением R4.

Итого: Фуллагар добавил C1, Q8-Q11, выкинул некоторые изыски Видлара и, ценой некоторого ухудшения параметров, но серьёзного упрощения применения, - получил "рабочую лошадку", которая сотнями тысяч производится и покупается через 55 лет после разработки.

Пересказ по Walter G. Jung, "OP AMP APPLICATIONS", раздел H "Op Amp History", глава 4 "IC Op Amps", стр. 52-55.

[Dark_NIX]

VT100, Спасибо огромное!
А расскажете чуть подробнее про токовые зеркала(там принцип работы, свойства?)

[VT100]

Это в любом учебнике по полупроводникой схемотехнике расписано. Хоть в "Искусство схемотехники" Хоровица и Хилла, хоть у Титце и Шенка, хоть где.
Ток коллектора, например, Q13 практически равен (чуть меньше) току коллектора Q12. Причём:

• Вне зависимости от температуры;
  
• С небольной зависимостью от напряжения на коллекторе Q13. Т.е. с высоким выходным сопротивлением и его легко моно увеличить в десятки раз;
  
• От одного Q12 можно запитать несколько выходных транзисторов;
  
• Точно так же - делается на полевых транзисторах.