Як операційний підсилювач знає, де знаходиться земля?

Хоча я працював з підсилювачами деякий час, наступне питання мені ніколи не виникало раніше.

Розглянемо спочатку підсилювач зліва (A). Негативний термінал підключений до землі і невеликої напруги$V_d$застосовується між позитивним терміналом і землею. Якщо вихідна напруга вимірюється відносно землі, її слід зчитувати$A \cdot V_d$.

Тепер розглянемо підсилювач праворуч (B). Цього разу,$V_d$застосовується безпосередньо між негативним і позитивним клемами, без посилання на землю. Якщо вихідна напруга вимірюється відносно землі, чи все одно вона буде зчитуватися$A \cdot V_d$? Як це могло бути, оскільки цей підсилювач не має уявлення, де знаходиться земля?

Звідки щось знає, де знаходиться земля? Земля - ​​це лише символ, який ми наклеюємо на схему, щоб полегшити читання. Жоден з компонентів у звичайній схемі не читає схематично, тому жоден з них не знає, де знаходиться земля.

У випадку з підсилювачем B вихідна напруга буде або максимальною напругою, яку може вивести оп-підсилювач (обмежена напрямками живлення), або мінімальною, залежно від полярності джерела напруги на вході.

І побудувавши таку схему на практиці, у вас виникне проблема: немає шляху від джерела напруги на вході до чого-небудь іншого. Таким чином, фактичні значення там визначатимуться вхідним струмом зміщення оп-підсилювача та іншим неідеальним поведінкою, тому те, що ви отримаєте, є чимось дивним, що здебільшого є функцією деталей конкретного підсилювача.

Вам, мабуть, буде простіше думати про підсилювачі, як не про посилення різниці між їх терміналами. На практиці оп-підсилювачі, як правило, експлуатуються з негативним зворотним зв'язком: коли їх немає, вони, як правило, називаються компараторами. Отже, підсилювач намагається відрегулювати вихідну напругу таким чином, щоб два входи були рівними, а для ідеального підсилювача з нескінченним посиленням це саме так: входи завжди будуть з однаковим потенціалом.

Вхідні струми зміщення поводяться як нижче, де I1 і I2 - відповідні вхідні струми зміщення, а I2-I1 - вхідний зміщений струм.

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Операційний підсилювач буде працювати належним чином лише в тому випадку, якщо входи знаходяться в заданому загальному діапазоні режимів (стосовно Vcc і Vee). Це може бути дуже близько до джерел харчування, або це може бути вольт або два від одного або обох джерел живлення.

Як видно з правого прикладу, для I1 + I2 немає шляху, тому входи швидко наближаються до рейки подачі (в цей момент джерела струму перестають бути більш-менш ідеальними).

Цілком можливо, що деякі операційні підсилювачі за певних умов можуть траплятися на роботі, але це не те, на що слід покладатися. Завжди надайте шлях постійного струму як для інвертуючих, так і для неінвертуючих входів. Наведений вище приклад надає шлях тільки для зміщеного струму (I2-I1). Загальний струм зміщення (I1 + I2) не має шляху.

Що стосується того, яким саме буде вихід - ви можете вважати його як Av v_d (Vcc + Vee) / 2, хоча напруга зміщення оптичного підсилювача в рази більше від посилення, як правило, достатньо для насичення виходу на будь-якій рейці, тому середня залізнична суматор (Vcc + Vee) / 2 є свого роду довільною. Сподіваємось, це має для вас сенс.

Операційний підсилювач не має уявлення, де знаходиться земля.

Оп-підсилювачі - це диференціальні підсилювачі. Вони посилюють різницю між двома входами і (в ідеалі) ігнорують будь-яку загальну модульну напругу. Немає різниці між двома схемами на вашій схемі. Жоден вихідний підсилювач не посилається на землю. Точка зміщення виходу, ймовірно, близька до середини шляху між двома витратами. Ви можете виміряти спробувати його виміряти, скорочуючи входи разом, але вам доведеться мати справу і з вхідним напругою зміщення та струмом. Мабуть, це не варте клопоту.

На щастя, вам не доведеться турбуватися про вихідну точку зміщення або про "реальне" опорне напругу, оскільки вони не мають значення ні для одного із загальноприйнятих підсилювачів. Якщо ви використовуєте підсилювач в якості компаратора, ви хочете, щоб вихід був максимально позитивним або максимально негативним, навіть для невеликого диференціального напруги. Якщо ви використовуєте підсилювач в лінійній схемі, ви використовуєте негативний зворотний зв'язок, який призводить до посилання виводу на позитивний вхід.

Реальні фізичні підсилювачі не є ідеальними диференціальними підсилювачами, тому в реальному житті напруга загального режиму має невеликий вплив на вихід. Як йдеться у відповіді Філа, питання будівництва підсилювача теж має значення. Але я не думаю, що це важливо для того, про що ви просите. Оптичні підсилювачі не побудовані для того, щоб робити те, що ваша схема намагається змусити їх робити.

Дивіться наступний елементарний креслення внутрішніх частин оппаму:

Вхідним транзисторам потрібен базовий струм - обидва вони! Струм зазвичай менше 1uA. Опамп визначає, скільки він забирає, але він повинен бути доступним, і для обох вхідних даних він повинен бути спрямований всередину транзистора. Якщо ви підключите "щось" лише між входами + і -, струми не можуть бути одночасно до транзисторів, оскільки "щось" повинно створювати новий електричний заряд. Це закон Кірхофа.

У практичних схемах підсилювача спосіб вхідного базового струму (= струм зміщення) є деякою електропровідною частиною між входом і рейкою напруги живлення або GND. У цьому випадку (див. Стрілки в вихідних транзисторних випромінювачах) подача рейки -VE неможлива як постачальник вхідного струму правильного напрямку, але + рейка VE в порядку, а також GND, якщо її підняти вище потенціалу -VE, додавши акумулятор betveen -VE і GND або резистором, який підключений до + VE.

Fet введення не краще. Не маючи гальванічного з'єднання з іншим місцем, ніж "щось" між входами, вони незабаром переходять у невизначений стан через накопичений заряд протікання у воротах фета.

Перш за все, земля - ​​це довільно обрана точка, де ви посилаєтесь на всі напруги в ланцюзі. У найбільш поширених конфігураціях простої схеми земля вибирається або як негативний термінал джерела єдиного джерела живлення, або середня точка симетричного живлення, що (як ви зазначали) способом підключення підсилювачів (принаймні, коли що стосуються «стандартних» схем, які часто зустрічаються в базовій літературі).

Отже, ви здивовані, тому що звичайна оп-підсилювальна модель має диференціальний вхід, але її вихід посилається на землю, звідси виникає питання: як відомий підсилювач, де знаходиться земля? Він просто не знає, він здогадується .

Що я маю на увазі? Внутрішня схема підсилювача побудована так, що в ідеалі при нульовому диференційованому вході вихід буде сидіти в точці на півдорозі між джерелами підсилювача.

Якщо запаси симетричні (скажімо, ± 15 В), ця точка просто трапляється заземленою (0 В) , але тільки якщо ви вибрали землю як середину між поставками (найпоширеніший сценарій).

З іншого боку, якщо ви живите підсилювач з одним джерелом живлення, скажімо, 15В, вихід буде сидіти на рівні 7,5В.

Звичайно, це ідеальна поведінка, оскільки струми зміщення, напруга зміщення та загальний діапазон режимів впливатимуть на реальний пристрій.

Дивіться також цей уривок з Довідника з додатків для Op Amps від Walt Jung, з Analog Devices , глава 1 , стор.5 (жовтий акцент):

Це стає зрозумілішим із деякою інформацією про внутрішні сторінки (wikipedia) .

Це старий стиль біполярно-транзисторного введення. Помірний вхідний струм зміщення (деякі мікроампери) протікає через транзистори до негативних / позитивних рейок живлення.

Входи FET і JFET мають набагато менші вхідні струми, але все ще є посилання проти подачі - через ізоляційний затвор FET.

Також можуть бути вхідні діоди захисту.

Це не так, і якщо ви не заземлите один з клем, вихідну напругу неможливо визначити. Чому? через вхідний струм зміщення. Опамп не ідеальний, їм потрібна невелика кількість струму. Струм зміщення входу може змінюватись від пристрою до пристрою на кожному терміналі.

Якщо вхідний струм зміщення досить малий і вхідний опір досить високий, інші струми можуть визначити, яка напруга на клемах.

Якщо ви робите будь-який вид зондування, вам потрібно заземлити одну сторону клем.

Термопара - це як джерело напруги, але якщо ви не посилаєтесь на землю, вона може плавати де завгодно. У прикладі (а) напруга між клемами - це напруга термопари (та джерела напруги), але загальна для обох клем напруга може бути 0В, 1В, -2,3В практично в будь-якому місці.

Оскільки негативних відгуків немає, вихід буде таким:

Vo = + Vcc (якщо V +> V-, як на поданих вами діаграмах) Vo = -Vee (якщо V + <V-, як якщо б ви перевернули вхідну полярність Vd)

Розглядаючи їх як ідеальні підсилювачі (і незалежно від того, який тип живлення він би використовував - якщо одиничний чи подвійний), це не залежить від Vcc та Vee. Але річ полягає в тому, що системі не потрібна «земля» для роботи, оскільки вона просто виконує свою роботу з різницею напруги між ними.

Кілька місяців тому мені довелося побудувати світлочутливу «квітку робота», яка вказувала на найсильніший джерело світла. Тут було використано чотири ЛДР - одна пара для огляду вгору / вниз та одна пара для повороту по горизонталі. Кожен LDR був підключений до джерела струму і дав свою різницю потенціалів підсумковому підсилювачу.

Однією з проблем, з якими мені довелося зіткнутися, було те, що підсилювач був одним із видів подвійного постачання (TL084). Мені знадобилося +/- 9V як джерело, і я міг мати лише один акумулятор. Тож я використав джерело перемикання комутації ICL7660 (вони перетворюють + 9 В на -9 В); але проблема полягала в тому, що вхідний струм був таким, що вихідна напруга впала (або піднялася) до -6В. І під час подачі підсилювача підсумовування з напругою 9 В і -6 В схема не могла правильно знайти свою землю і довелося створити собі зміщення. Дивіться: у такому випадку земля повинна була бути "(9V + (-6V)) / 2 = 1,5 V" ... не нульовою (насправді зазначений зсув становив близько 1,5 V)

Але це тому, що цій схемі потрібна була спільна заземлення для порівняння її виходу з входами, таким, що є метою самого процесу негативного зворотного зв’язку ... і ця спільна заземлення повинна бути серединою між обома вузлами живлення. У випадку з вашою схемою, вона виступає виключно як компаратор, тому вихід становить лише 9 В або -6 В залежно від полярності джерела Vd.

Вибачте, якщо моя відповідь була занадто довгою! Просто класно ділитися різним досвідом, який, можливо, може допомогти іншим ... Насправді; це мій перший пост! Сподіваюся, це допомогло!