Как операционный усилитель узнает, где земля?

Хотя я некоторое время работал с операционными усилителями, следующий вопрос мне никогда не приходил в голову до сегодняшнего дня.

Сначала рассмотрите операционный усилитель слева (A). Отрицательный вывод подключен к земле, и между положительным выводом и землей подается небольшое напряжение . Если выходное напряжение измеряется относительно земли, оно должно быть .$V_d$$A \cdot V_d$

Теперь рассмотрите операционный усилитель справа (B). На этот раз применяется непосредственно между отрицательной и положительной клеммами, без привязки к земле. Если выходное напряжение измеряется относительно земли, будет ли оно по-прежнему ? Как это может быть, поскольку этот операционный усилитель не знает, где находится земля? A ⋅ V $V_d$$A \cdot V_d$

Как кто-нибудь узнает, где земля? Земля - ​​это просто символ, который мы придерживаем на схеме, чтобы его было легче читать. Ни один из компонентов в нормальной цепи не читает схему, поэтому ни один из них не знает, где находится заземление.

В случае операционного усилителя B выходное напряжение будет либо максимальным напряжением, которое может выдавать операционный усилитель (ограниченный шинами питания), либо минимальным, в зависимости от полярности источника напряжения на входе.

И на практике, создав такую ​​схему, у вас возникнет проблема: нет пути от источника напряжения на входе к чему-либо еще. Таким образом, фактические значения будут определяться входным током смещения операционного усилителя и другими неидеальными характеристиками, так что вы получите нечто странное, что в основном является функцией деталей этого конкретного операционного усилителя.

Вероятно, вам будет проще думать о операционных усилителях, которые не увеличивают разницу между их терминалами. На практике операционные усилители обычно работают с отрицательной обратной связью: когда их нет, их обычно называют компараторами. Таким образом, операционный усилитель пытается отрегулировать выходное напряжение таким образом, чтобы два входа были равны, и для идеального операционного усилителя с бесконечным усилением это именно тот случай: входы всегда будут иметь одинаковый потенциал.

Входные токи смещения ведут себя следующим образом, где I1 и I2 - соответствующие входные токи смещения, а I2-I1 - входной ток смещения.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Операционный усилитель будет работать правильно только в том случае, если входы находятся в заданном диапазоне синфазного режима (относительно Vcc и Vee). Это может быть очень близко к источникам или может быть вольт или два от одного или обоих источников.

Как вы можете видеть в своем примере справа, пути для I1 + I2 нет, поэтому входы будут быстро приближаться к шине питания (в этот момент источники тока перестают быть более или менее идеальными).

Вполне возможно, что некоторые операционные усилители в некоторых условиях могут быть чем-то вроде работы, но на это не стоит полагаться. Всегда предоставляйте путь постоянного тока для инвертирующих и неинвертирующих входов. Приведенный выше пример обеспечивает путь только для тока смещения (I2-I1). Общий ток смещения (I1 + I2) не имеет пути.

Что касается того, каким именно будет выходной сигнал, вы можете думать об этом как Av v_d (Vcc + Vee) / 2, хотя напряжение смещения операционного усилителя, умноженное на усиление, обычно достаточно для насыщения выходного сигнала на любой шине, поэтому промежуточный сумматор (Vcc + Vee) / 2 является произвольным. Надеюсь, это имеет смысл для вас.

Операционный усилитель понятия не имеет, где земля.

Операционные усилители являются дифференциальными усилителями. Они усиливают разницу между двумя входами и (в идеале) игнорируют любое синфазное напряжение. Там нет разницы между двумя цепями в вашей диаграмме. Ни один из выводов операционного усилителя не привязан к земле. Точка смещения выхода, вероятно, находится ближе к середине между двумя источниками. Вы можете измерить, попытаться измерить это, замкнув входы вместе, но вам придется иметь дело с входным напряжением смещения и током тоже. Это, вероятно, не стоит хлопот.

К счастью, вам не придется беспокоиться о точке выходного смещения или «реальной» опорного напряжения, потому что они не имеют значения для любого из общего использования ОУ в. Если вы используете операционный усилитель в качестве компаратора, вы хотите, чтобы выходной сигнал был либо максимально положительным, либо отрицательным, насколько это возможно, даже для небольшого дифференциального напряжения. Если вы используете операционный усилитель в линейной цепи, вы используете отрицательную обратную связь, которая приводит к тому, что выход будет привязан к положительному входу.

Настоящие физические операционные усилители не являются идеальными дифференциальными усилителями, поэтому в реальной жизни синфазное напряжение оказывает небольшое влияние на выход. Как говорит ответ Фила, конструкция операционного усилителя тоже имеет значение. Но я не думаю, что это важно для того, о чем ты спрашиваешь. Операционные усилители не созданы, чтобы делать то, что пытается сделать ваша схема.

Смотрите следующий элементарный чертеж внутренних частей операционного усилителя:

Входным транзисторам нужен их базовый ток - оба! Ток обычно меньше 1 мкА. Операционный усилитель сам определяет, сколько он берет, но он должен быть доступен, и для обоих входов он должен быть направлен внутрь транзистора. Если вы подключаете «что-то» только между входами «+» и «-», то токи не могут быть одновременно к транзисторам, потому что это «что-то» должно создавать новый электрический заряд. Это закон Кирхгофа.

В практических схемах операционного усилителя путь для входного базового тока (= ток смещения) является некоторой проводящей частью между входом и шиной питающего напряжения или заземлением. В этом случае (см. Стрелки на эмиттерах входных транзисторов) шина питания -VE невозможна в качестве источника входного тока в правильном направлении, но шина + VE в порядке, а также заземление, если оно поднято выше потенциала -VE, либо путем добавления батареи Betveen -VE и GND или резидентом, который подключен к + VE.

Фет ввода не лучше. Без гальванической связи с чем-то еще, кроме «чего-то» между входами, они скоро дрейфуют до неопределенного состояния из-за накопленного заряда утечки в ворота фекалий.

Прежде всего, земля - ​​это произвольно выбранная точка, в которой вы указываете все напряжения в цепи. В наиболее распространенных конфигурациях простых цепей заземление выбирается либо в качестве отрицательной клеммы одиночного источника питания, либо в качестве средней точки симметричного источника питания, что (как вы заметили) способ, которым операционные усилители предназначены для питания (по крайней мере, когда имеет дело со "стандартными" схемами, часто встречающимися в основной литературе).

Таким образом, вы озадачены, потому что обычная модель операционного усилителя имеет дифференциальный вход, но его выход привязан к земле, поэтому возникает вопрос: как операционный усилитель узнает, где находится земля? Он просто не знает, он догадывается .

Что я имею в виду? Внутренняя схема операционного усилителя построена таким образом, чтобы в идеале при нулевом дифференциальном входе выход находился в точке, находящейся на полпути между источниками питания операционного усилителя.

Если источники питания симметричны (скажем, ± 15 В), то эта точка окажется землей (0 В) , но только если вы выбрали землю в качестве средней точки между источниками (наиболее распространенный сценарий).

С другой стороны, если вы включаете операционный усилитель одним источником питания, скажем, 15 В, выход будет равен 7,5 В.

Конечно, это идеальное поведение, поскольку токи смещения, напряжение смещения и диапазон синфазного режима будут влиять на реальное устройство.

См. Также этот отрывок из « Руководства по применению операционных усилителей» Уолта Юнга из Analog Devices , глава 1 , стр. 5 (выделение желтого цвета):

Это становится понятнее с некоторой информацией о внутренностях (википедия) .

Это старый стиль биполярно-транзисторного входа. Умеренный входной ток смещения (некоторые микроамперы) протекает через транзисторы к отрицательным / положительным питающим шинам.

Входы FET и JFET имеют гораздо меньшие входные токи, но все равно есть ссылка на источник питания - через изолирующий затвор FET.

Также могут быть входные защитные диоды.

Это не так, и если вы не заземлите одну из клемм, выходное напряжение не может быть определено. Почему? из-за входного тока смещения. Операционные усилители не идеальны, они требуют небольшого количества тока. Входной ток смещения может варьироваться от устройства к устройству на каждом терминале.

Если входной ток смещения достаточно мал и входной импеданс достаточно высок, другие токи могут определить, какое напряжение на клеммах.

Если вы выполняете какие-либо измерения, вам необходимо заземлить одну сторону клемм.

Термопара похожа на источник напряжения, но если вы не отождествите ее с землей, она может плавать где угодно. В примере (а) напряжение между клеммами является напряжением термопары (и источника напряжения), но общее напряжение для обеих клемм может составлять 0 В, 1 В, -2,3 В практически в любом месте.

Поскольку отрицательных отзывов нет, на выходе будет:

Vo = + Vcc (если V +> V-, как на предоставленных вами диаграммах) Vo = -Vee (если V + <V-, как если бы вы инвертировали полярность входа Vd)

Рассматривая их как идеальные операционные усилители (и независимо от того, какой тип питания он будет использовать - одиночный или двойной), это не зависит от Vcc и Vee. Но дело в том, что системе не нужна «земля» для работы, потому что она просто работает с разностью напряжений между ними.

Несколько месяцев назад мне пришлось создать светочувствительный «цветок робота», который указывал на самый сильный источник света. Он использовал четыре LDR - одну пару для взгляда вверх / вниз и одну пару для горизонтального поворота. Каждый LDR был подключен к источнику тока и передавал разность потенциалов суммирующему усилителю.

Одна из проблем, с которой мне пришлось столкнуться, заключалась в том, что операционный усилитель был одного из двух источников питания (TL084). Мне нужно +/- 9 В в качестве источника, и у меня могла быть только одна батарея. Поэтому я использовал инвертирующий источник переключения ICL7660 (они превращают + 9В в -9В); но проблема заключалась в том, что входной ток был таким, что выходное напряжение упало (или выросло) до -6В. И при подаче на суммирующий усилитель 9 В и -6 В схема не могла правильно найти свое заземление и должна была создать себе смещение. Смотрите: в этом случае заземление должно было быть "(9 В + (-6 В)) / 2 = 1,5 В" ... не ноль (фактически, указанное смещение было около 1,5 В)

Но это потому, что этой схеме требовалось общее заземление для сравнения ее выхода с входами, что является целью самого процесса отрицательной обратной связи ... и это общее заземление должно быть средней точкой между обоими узлами источника питания. В случае вашей схемы он действует исключительно как компаратор, поэтому выходной сигнал составляет всего 9 В или -6 В в зависимости от полярности источника Vd.

Извините, если мой ответ был слишком длинным! Просто круто делиться опытом, который может помочь другим ... На самом деле; Это мой первый пост! Надеюсь, это помогло!