Skąd wzmacniacz operacyjny wie, gdzie jest ziemia?

Chociaż od jakiegoś czasu pracuję ze wzmacniaczami operacyjnymi, następujące pytanie nigdy wcześniej nie przyszło mi do głowy.

Rozważ najpierw wzmacniacz operacyjny po lewej stronie (A). Zacisk ujemny jest podłączony do uziemienia, a małe napięcie jest przykładane między zacisk dodatni i uziemienie. Jeśli napięcie wyjściowe jest mierzone względem ziemi, powinno ono brzmieć .$V_d$$A \cdot V_d$

Rozważmy teraz wzmacniacz operacyjny po prawej stronie (B). Tym razem jest stosowane bezpośrednio między zaciskami ujemnymi i dodatnimi, bez odniesienia do masy. Jeśli napięcie wyjściowe jest mierzone względem ziemi, czy nadal będzie to ? Jak to możliwe, skoro ten wzmacniacz operacyjny nie ma pojęcia, gdzie jest grunt?$V_d$$A \cdot V_d$

Skąd cokolwiek wie, gdzie jest ziemia? Ziemia to tylko symbol, który przyklejamy na schemacie, aby ułatwić czytanie. Żaden ze składników w normalnym obwodzie nie czyta schematu, więc żaden z nich nie wie, gdzie jest ziemia.

W przypadku wzmacniacza operacyjnego B napięcie wyjściowe będzie albo maksymalnym napięciem, jakie może wytworzyć wzmacniacz operacyjny (ograniczonym przez szyny zasilające), albo minimalnym, w zależności od polaryzacji źródła napięcia na wejściu.

A budowanie takiego obwodu w praktyce miałoby problem: nie ma ścieżki od źródła napięcia na wejściu do czegokolwiek innego. Jako takie, rzeczywiste wartości będą określone przez prąd wejściowy obciążenia wzmacniacza operacyjnego i inne nie idealne zachowania, więc otrzymasz coś dziwnego, co jest głównie funkcją szczegółów tego konkretnego wzmacniacza operacyjnego.

Prawdopodobnie łatwiej ci będzie myśleć o wzmacniaczach operacyjnych zamiast o zwiększaniu różnicy między ich zaciskami. W praktyce wzmacniacze operacyjne zwykle działają z ujemnym sprzężeniem zwrotnym: gdy nie są, zwykle nazywane są komparatorami. Tak więc wzmacniacz operacyjny próbuje wyregulować napięcie wyjściowe tak, aby dwa wejścia były równe, a dla idealnego wzmacniacza operacyjnego z nieskończonym wzmocnieniem jest dokładnie tak: wejścia zawsze będą miały ten sam potencjał.

Wejściowe prądy polaryzacji zachowują się jak poniżej, gdzie I1 i I2 są odpowiednimi prądami polaryzacji wejściowej, a I2-I1 to wejściowy prąd przesunięcia.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Wzmacniacz operacyjny będzie działał poprawnie tylko wtedy, gdy wejścia mieszczą się w danym zakresie wspólnego trybu (w odniesieniu do Vcc i Vee). To może być bardzo blisko zapasów lub może znajdować się o jeden lub dwa wolty od jednego lub obu źródeł.

Jak widać na przykładzie z prawej strony, nie ma ścieżki dla I1 + I2, więc wejścia szybko zbliżą się do szyny zasilającej (w tym momencie źródła prądu przestają być mniej więcej idealne).

Możliwe, że niektóre wzmacniacze operacyjne w pewnych warunkach mogą się przydać, ale to nie jest coś, na czym można polegać. Zawsze podawaj ścieżkę prądu stałego dla wejść odwracających i nieodwracających. Powyższy przykład przedstawia ścieżkę tylko dla prądu przesunięcia (I2-I1). Całkowity prąd polaryzacji (I1 + I2) nie ma ścieżki.

Co do tego, czym dokładnie byłaby moc wyjściowa - można o tym myśleć jako Av v_d (Vcc + Vee) / 2, chociaż napięcie przesunięcia wzmacniacza operacyjnego razy wzmocnienie zwykle wystarcza do nasycenia mocy wyjściowej na każdej szynie, więc sumator środkowej szyny (Vcc + Vee) / 2 jest swego rodzaju arbitralny. Mam nadzieję, że ma to dla ciebie sens.

Wzmacniacz operacyjny nie ma pojęcia, gdzie jest ziemia.

Wzmacniacze operacyjne to wzmacniacze różnicowe. Wzmacniają różnicę między dwoma wejściami i (idealnie) ignorują napięcie wspólne. Nie ma różnicy między dwoma obwodami na schemacie. Żadne wyjście wzmacniacza operacyjnego nie jest odniesione do masy. Punkt odchylenia wyjściowego jest prawdopodobnie zbliżony do połowy drogi między dwoma dostawami. Możesz zmierzyć próbę zmierzenia tego poprzez zwarcie wejść razem, ale będziesz musiał poradzić sobie również z napięciem wejściowym i prądem polaryzacji. Prawdopodobnie nie jest to warte kłopotu.

Na szczęście nie musisz się martwić o punkt wyjściowy lub „rzeczywiste” napięcie referencyjne, ponieważ nie mają one znaczenia dla wspólnego zastosowania wzmacniacza operacyjnego. Jeśli używasz wzmacniacza operacyjnego jako komparatora, chcesz, aby sygnał wyjściowy był tak dodatni, jak to możliwe, lub tak ujemny, jak to możliwe, nawet przy niewielkim różnicowym napięciu. Jeśli używasz wzmacniacza operacyjnego w obwodzie liniowym, używasz ujemnego sprzężenia zwrotnego, co powoduje, że wyjście jest powiązane z dodatnim wejściem.

Prawdziwe fizyczne wzmacniacze operacyjne nie są idealnymi wzmacniaczami różnicowymi, więc w prawdziwym życiu napięcie w trybie wspólnym ma niewielki wpływ na moc wyjściową. Jak mówi odpowiedź Phila, również konstrukcja wzmacniacza operacyjnego ma znaczenie. Ale nie sądzę, że to ważne, o co pytasz. Wzmacniacze operacyjne nie są zbudowane z myślą o tym, co robi twój obwód.

Zobacz następujący podstawowy rysunek elementów wewnętrznych opampa:

Tranzystory wejściowe potrzebują prądu bazowego - oba! Prąd jest zwykle mniejszy niż 1uA. Opamp sam określa, ile bierze, ale musi być dostępny i dla obu wejść musi być skierowany do wnętrza tranzystora. Jeśli podłączysz „coś” tylko między wejściami + i -, wówczas prądy nie mogą być jednocześnie w kierunku tranzystorów, ponieważ to „coś” powinno wytworzyć nowy ładunek elektryczny. To prawo Kirchoffa.

W praktycznych obwodach opampowych droga wejściowego prądu bazowego (= prąd polaryzacji) stanowi część przewodzącą między wejściem a szyną napięcia zasilania lub GND. W tym przypadku (patrz strzałki na wejściowych emiterach tranzystorowych) szyna zasilania -VE jest niemożliwa jako dostawca prądu wejściowego we właściwym kierunku, ale szyna + VE jest w porządku, a także GND, jeśli podniesiona powyżej potencjału -VE przez dodanie baterii betveen -VE i GND lub przez rezystor podłączony do + VE.

Dane wejściowe Fet nie są lepsze. Bez połączenia galwanicznego z innym miejscem niż „coś” między wejściami, wkrótce dryfują do nieokreślonego stanu z powodu nagromadzonego ładunku upływu do bram płetw.

Po pierwsze, uziemienie jest arbitralnie wybranym punktem, w którym odnosi się wszystkie napięcia w obwodzie. W najczęstszych prostych konfiguracjach obwodów masa jest wybierana albo jako zacisk ujemny pojedynczego źródła zasilania, albo punkt środkowy zasilania symetrycznego, co jest (jak zauważyłeś) sposobem, w jaki wzmacniacze operacyjne mają być zasilane (przynajmniej gdy zajmowanie się „standardowymi” obwodami często znajdowanymi w literaturze podstawowej).

Więc jesteś zaskoczony, ponieważ zwykły model wzmacniacza operacyjnego ma wejście różnicowe, ale jego wyjście jest odniesione do ziemi, stąd pytanie: skąd wzmacniacz operacyjny wie, gdzie jest ziemia? Po prostu nie wie, zgaduje .

Co mam na myśli? Wewnętrzne obwody wzmacniacza operacyjnego są zbudowane w taki sposób, że idealnie przy zerowym wejściu różnicowym wyjście znajdowałoby się w punkcie w połowie odległości między zasilaniem wzmacniacza operacyjnego.

Jeśli zapasy są symetryczne (powiedzmy ± 15 V), ten punkt jest po prostu uziemiony (0 V) , ale tylko jeśli wybrałeś uziemienie jako punkt środkowy między zapasem (najczęstszy scenariusz).

Z drugiej strony, jeśli zasilasz wzmacniacz operacyjny pojedynczym zasilaczem, powiedzmy 15 V, moc wyjściowa wyniesie 7,5 V.

Oczywiście jest to idealne zachowanie, ponieważ prądy polaryzacji, napięcie przesunięcia i zakres trybu wspólnego będą miały wpływ na rzeczywiste urządzenie.

Zobacz także ten fragment z podręcznika aplikacji Op Amps autorstwa Walta Junga z Analog Devices , rozdział 1 , s. 5 (moje żółte wyróżnienie):

Staje się to bardziej zrozumiałe dzięki niektórym informacjom na temat elementów wewnętrznych (wikipedia) .

To stary styl wejścia bipolarno-tranzystorowego. Umiarkowany prąd wejściowy (niektóre mikroampery) przepływa przez tranzystory do ujemnych / dodatnich szyn zasilających.

Wejścia FET i JFET mają znacznie mniejsze prądy wejściowe, ale wciąż istnieje odniesienie do zasilania - przez bramkę izolacyjną FET.

Mogą również występować diody ochrony wejściowej.

Nie robi tego, a jeśli nie uziemisz jednego z zacisków, nie można ustalić napięcia wyjściowego. Dlaczego? z powodu prądu wejściowego polaryzacji. Opampy nie są idealne, wymagają niewielkiej ilości prądu. Wejściowy prąd polaryzacji może różnić się w zależności od urządzenia na każdym zacisku.

Jeśli wejściowy prąd polaryzacji jest wystarczająco mały, a impedancja wejściowa wystarczająco wysoka, inne prądy mogą określić, jakie jest napięcie na zaciskach.

Jeśli wykonujesz jakiekolwiek wykrywanie, musisz uziemić jedną stronę terminali.

Termopara jest jak źródło napięcia, ale jeśli nie odniesiesz jej do ziemi, może unosić się w dowolnym miejscu. W przykładzie (a) napięcie między zaciskami jest napięciem termopary (i źródła napięcia), ale napięcie wspólne dla obu zacisków może wynosić 0 V, 1 V, -2,3 V praktycznie wszędzie.

Ponieważ nie ma negatywnego sprzężenia zwrotnego, wynikiem będzie:

Vo = + Vcc (jeśli V +> V-, jak na dostarczonych schematach) Vo = -Vee (jeśli V + <V-, jak jeśli odwrócono polaryzację wejściową Vd)

Uważając je za idealne wzmacniacze operacyjne (i bez względu na to, jakiego rodzaju zasilania użyłby - jeśli są pojedyncze lub podwójne), jest to niezależne od Vcc i Vee. Ale chodzi o to, że system nie potrzebuje „uziemienia” do działania, ponieważ po prostu działa z różnicą napięć między nimi oboma.

Kilka miesięcy temu musiałem zbudować wykrywający światło „kwiat robota”, który wskazywał na najsilniejsze źródło światła. Wykorzystał cztery LDR - jedną parę do patrzenia w górę / w dół i jedną parę do obracania się w poziomie. Każdy LDR był podłączony do źródła prądu i dawał swoją potencjalną różnicę wzmacniaczowi sumującemu.

Jednym z problemów, z którymi musiałem się zmierzyć, było to, że wzmacniacz operacyjny był jednym z dwóch źródeł zasilania (TL084). Potrzebowałem +/- 9 V jako źródła i mogłem mieć tylko jedną baterię. Użyłem więc odwracającego źródła przełączania ICL7660 (zamieniają + 9 V w -9 V); ale problem polegał na tym, że prąd wejściowy był taki, że napięcie wyjściowe spadło (lub wzrosło) do -6 V. I podczas zasilania wzmacniacza sumującego 9 V i -6 V, obwód nie mógł prawidłowo znaleźć masy i musiał sam się przesunąć. Patrz: w takim przypadku masa powinna wynosić „(9 V + (-6 V)) / 2 = 1,5 V” ... nie zero (w rzeczywistości wspomniane przesunięcie wynosiło około 1,5 V)

Ale to dlatego, że obwód ten potrzebował wspólnej masy, aby porównać swoją moc wyjściową z wejściami, co jest celem samego procesu ujemnego sprzężenia zwrotnego ... i ta wspólna masa powinna być punktem środkowym między dwoma węzłami zasilania. W przypadku obwodu działa on wyłącznie jako komparator, więc moc wyjściowa wynosi zaledwie 9 V lub -6 V, w zależności od polaryzacji źródła Vd.

Przepraszam, jeśli moja odpowiedź była za długa! Po prostu fajnie jest dzielić się różnymi doświadczeniami, które mogą pomóc innym ... W rzeczywistości; to jest mój pierwszy post! Mam nadzieję, że to pomogło!