Woher weiß ein Operationsverstärker, wo sich Masse befindet?

Obwohl ich schon eine Weile mit Operationsverstärkern arbeite, ist mir die folgende Frage bis heute noch nie in den Sinn gekommen.

Betrachten Sie zuerst den Operationsverstärker links (A). Der Minuspol ist mit Masse verbunden, und zwischen dem Pluspol und Masse wird eine kleine Spannung angelegt. Wenn die Ausgangsspannung in Bezug auf Masse gemessen wird, sollte sie . A ⋅ V $V_d$$A \cdot V_d$

Betrachten Sie nun den Operationsverstärker rechts (B). Dieses Mal wird direkt zwischen dem negativen und dem positiven Anschluss angelegt, ohne Bezug auf Masse. Wenn die Ausgangsspannung in Bezug auf Masse gemessen wird, würde sie dann immer noch ? Wie könnte das sein, da dieser Operationsverstärker keine Ahnung hat, wo sich der Boden befindet? A ⋅ V $V_d$$A \cdot V_d$

Woher weiß etwas, wo Boden ist? Boden ist nur ein Symbol, das wir auf den Schaltplan kleben, um das Lesen zu erleichtern. Keine der Komponenten in einer normalen Schaltung liest den Schaltplan, sodass keine von ihnen weiß, wo sich Masse befindet.

Im Fall von Operationsverstärker B ist die Ausgangsspannung entweder die maximale Spannung, die der Operationsverstärker ausgeben kann (begrenzt durch die Versorgungsschienen), oder die minimale, abhängig von der Polarität der Spannungsquelle am Eingang.

Wenn Sie in der Praxis eine solche Schaltung bauen, haben Sie ein Problem: Es gibt keinen Pfad von der Spannungsquelle am Eingang zu etwas anderem. Daher werden die tatsächlichen Werte dort durch den Eingangsvorspannungsstrom des Operationsverstärkers und andere nicht ideale Verhaltensweisen definiert. Sie erhalten also etwas Seltsames, das hauptsächlich von den Details dieses bestimmten Operationsverstärkers abhängt.

Sie werden es wahrscheinlich leichter finden, sich Operationsverstärker vorzustellen, die den Unterschied zwischen ihren Anschlüssen nicht verstärken. In der Praxis werden Operationsverstärker normalerweise mit negativer Rückkopplung betrieben: Wenn dies nicht der Fall ist, werden sie häufig als Komparatoren bezeichnet. Der Operationsverstärker versucht also, die Ausgangsspannung so einzustellen, dass die beiden Eingänge gleich sind, und für den idealen Operationsverstärker mit unendlicher Verstärkung ist dies genau der Fall: Die Eingänge liegen immer auf dem gleichen Potential.

Die Eingangsvorspannungsströme verhalten sich wie folgt, wobei I1 und I2 die jeweiligen Eingangsvorspannungsströme sind und I2-I1 der Eingangsversatzstrom ist.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Der Operationsverstärker funktioniert nur dann ordnungsgemäß, wenn sich die Eingänge innerhalb eines bestimmten Gleichtaktbereichs befinden (in Bezug auf Vcc und Vee). Das kann sehr nahe an der Versorgung liegen oder ein oder zwei Volt von einer oder beiden Versorgungen entfernt sein.

Wie Sie in Ihrem Beispiel auf der rechten Seite sehen können, gibt es keinen Pfad für I1 + I2, sodass sich die Eingänge schnell der Versorgungsschiene nähern (an diesem Punkt sind die Stromquellen nicht mehr mehr oder weniger ideal).

Es ist möglich, dass einige Operationsverstärker unter bestimmten Bedingungen zu einer Art Arbeit führen, aber darauf sollten Sie sich nicht verlassen. Stellen Sie immer einen Gleichstrompfad für invertierende und nicht invertierende Eingänge bereit. Das obige Beispiel enthält nur einen Pfad für den Offsetstrom (I2-I1). Der Gesamtvorspannungsstrom (I1 + I2) hat keinen Pfad.

Was genau der Ausgang sein würde, können Sie sich als Av v_d (Vcc + Vee) / 2 vorstellen , obwohl die Offset-Spannung des Operationsverstärkers mal der Verstärkung normalerweise ausreicht, um den Ausgang an beiden Schienen zu sättigen Mid-Rail-Addierer (Vcc + Vee) / 2 ist willkürlich. Hoffentlich macht das für Sie Sinn.

Ein Operationsverstärker hat keine Ahnung, wo sich Masse befindet.

Operationsverstärker sind Differenzverstärker. Sie verstärken die Differenz zwischen den beiden Eingängen und ignorieren (idealerweise) jede Gleichtaktspannung. Es gibt keinen Unterschied zwischen den beiden Schaltkreisen in Ihrem Diagramm. Keiner der Ausgänge des Operationsverstärkers bezieht sich auf Masse. Der Ausgangsvorspannungspunkt liegt wahrscheinlich nahe der Mitte zwischen den beiden Versorgungen. Sie können versuchen, es zu messen, indem Sie die Eingänge kurzschließen, aber Sie müssen sich auch mit der Eingangsvorspannung und dem Eingangsstrom befassen. Die Mühe lohnt sich wahrscheinlich nicht.

Glücklicherweise müssen Sie sich keine Gedanken über den Ausgangsvorspannungspunkt oder die "echte" Referenzspannung machen, da diese für keinen der üblichen Verwendungszwecke eines Operationsverstärkers von Bedeutung sind. Wenn Sie den Operationsverstärker als Komparator verwenden, möchten Sie, dass der Ausgang selbst bei einer winzigen Differenzspannung entweder so positiv wie möglich oder so negativ wie möglich ist. Wenn Sie den Operationsverstärker in einem linearen Schaltkreis verwenden, verwenden Sie eine negative Rückkopplung, wodurch der Ausgang auf den positiven Eingang bezogen wird.

Echte physikalische Operationsverstärker sind keine perfekten Differenzverstärker, daher hat die Gleichtaktspannung im wirklichen Leben einen geringen Einfluss auf den Ausgang. Wie Phils Antwort sagt, ist auch der Aufbau des Operationsverstärkers von Bedeutung. Aber ich denke nicht, dass das wichtig ist für das, worüber du fragst. Operationsverstärker sind nicht dafür gebaut, das zu tun, was Ihre Schaltung versucht, sie dazu zu bringen.

Siehe die folgende elementare Zeichnung der Einbauten des Opamps:

Die Eingangstransistoren benötigen ihren Basisstrom - beide! Der Strom beträgt normalerweise weniger als 1 uA. Der Opamp bestimmt selbst, wie viel er nimmt, aber es muss verfügbar sein und für beide Eingänge muss es in das Innere des Transistors geleitet werden. Wenn Sie "etwas" nur zwischen den Eingängen + und - anschließen, können die Ströme nicht gleichzeitig zu den Transistoren fließen, da dieses "Etwas" eine neue elektrische Ladung erzeugen sollte. Es ist Kirchoffs Gesetz.

In praktischen Operationsverstärkerschaltungen ist der Weg für den Eingangsbasisstrom (= Vorspannungsstrom) ein leitender Teil zwischen dem Eingang und der Versorgungsspannungsschiene oder dem GND. In diesem Fall (siehe die Pfeile in den Eingangstransistor-Emittern) ist die -VE-Versorgungsschiene als Eingangsstromversorger in der richtigen Richtung nicht möglich, aber die + VE-Schiene ist in Ordnung und auch GND, wenn sie durch Hinzufügen einer Batterie über das -VE-Potential angehoben wird zwischen -VE und GND oder durch einen Widerstand, der mit + VE verbunden ist.

Fet-Eingänge sind nicht besser. Ohne eine galvanische Verbindung zu einem anderen Ort als dem "Etwas" zwischen den Eingängen driften sie aufgrund der akkumulierten Leckladung in die Tore der Fets bald in einen unbestimmten Zustand.

Zunächst ist Masse der willkürlich gewählte Punkt, an dem Sie alle Spannungen in der Schaltung referenzieren. In den gängigsten einfachen Schaltungskonfigurationen wird Masse entweder als negativer Anschluss der einzelnen Versorgungsquelle oder als Mittelpunkt einer symmetrischen Versorgung gewählt. Dies ist (wie Sie bereits bemerkt haben) die Art und Weise, wie Operationsverstärker mit Strom versorgt werden sollen (zumindest wenn) Umgang mit "Standard" -Schaltungen, die häufig in der Grundliteratur zu finden sind).

Sie sind also verwirrt, weil das übliche Operationsverstärkermodell einen Differenzeingang hat, dessen Ausgang jedoch auf Masse bezogen ist, daher die Frage: Woher weiß der Operationsverstärker, wo sich Masse befindet? Es weiß es einfach nicht, vermutet es .

Was meine ich? Die interne Schaltung des Operationsverstärkers ist so aufgebaut, dass der Ausgang bei einem Differenzialeingang von Null idealerweise an einem Punkt auf halbem Weg zwischen den Versorgungen des Operationsverstärkers liegt.

Wenn die Versorgungen symmetrisch sind (z. B. ± 15 V) , ist dieser Punkt zufällig Masse (0 V) , aber nur, wenn Sie Masse als Mittelpunkt zwischen den Versorgungen gewählt haben (häufigstes Szenario).

Wenn Sie den Operationsverstärker hingegen mit einer einzigen Stromversorgung, z. B. 15 V, versorgen, liegt der Ausgang bei 7,5 V.

Dies ist natürlich ein ideales Verhalten, da Vorspannungsströme, Offset-Spannung und Gleichtaktbereich einen Einfluss auf das reale Gerät haben.

Siehe auch diesen Auszug aus dem Op Amps Applications Handbook von Walt Jung aus Analog Devices , Kapitel 1 , S. 5 (Mine mit gelber Betonung):

Dies wird durch einige Informationen zu den Interna (Wikipedia) klarer .

Das ist der alte Stil des Bipolartransistoreingangs. Ein moderater Eingangsvorspannungsstrom (einige Mikroampere) fließt durch die Transistoren zu den negativen / positiven Versorgungsschienen.

FET- und JFET-Eingänge haben viel kleinere Eingangsströme, aber es gibt immer noch eine Referenz gegen die Versorgung - über das Isoliergatter des FET.

Es können auch Eingangsschutzdioden vorhanden sein.

Dies ist nicht der Fall, und wenn Sie einen der Anschlüsse nicht erden, kann die Ausgangsspannung nicht ermittelt werden. Warum? wegen des Eingangsvorspannungsstroms. Opamps sind nicht perfekt, sie benötigen wenig Strom. Der Eingangsvorspannungsstrom kann an jedem Anschluss von Gerät zu Gerät variieren.

Wenn der Eingangsvorspannungsstrom klein genug und die Eingangsimpedanz hoch genug ist, können andere Ströme bestimmen, wie hoch die Spannung an den Klemmen ist.

Wenn Sie irgendeine Art von Erfassung durchführen, müssen Sie eine Seite der Klemmen erden.

Ein Thermoelement ist wie eine Spannungsquelle, aber wenn Sie es nicht auf Masse beziehen, kann es überall schweben. In dem Beispiel (a) ist die Spannung zwischen den Anschlüssen die Spannung des Thermoelements (und der Spannungsquelle), aber die Spannung , die beiden Anschlüssen gemeinsam ist , kann praktisch überall 0 V, 1 V, -2,3 V betragen.

Da es keine negative Rückkopplung gibt, lautet die Ausgabe:

Vo = + Vcc (wenn V +> V-, wie in den von Ihnen bereitgestellten Diagrammen) Vo = -Vee (wenn V + <V-, wie wenn Sie die Vd-Eingangspolarität invertiert haben)

Wenn man sie als ideale Operationsverstärker betrachtet (und unabhängig davon, welche Art von Versorgung sie verwenden würden - ob einfach oder dual), ist dies unabhängig von Vcc und Vee. Aber die Sache ist: Das System braucht keine "Masse", um zu arbeiten, weil es nur mit der Spannungsdifferenz zwischen beiden arbeitet.

Vor einigen Monaten musste ich eine lichtempfindliche "Roboterblume" bauen, die auf die stärkste Lichtquelle zeigte. Es wurden vier LDRs verwendet - ein Paar zum Auf- und Abblicken und ein Paar zum horizontalen Drehen. Jeder LDR war an eine Stromquelle angeschlossen und gab seine Potentialdifferenz an einen Summierverstärker weiter.

Eines der Probleme, mit denen ich konfrontiert war, war, dass der Operationsverstärker ein Dual-Supply-Verstärker war (TL084). Ich brauchte +/- 9V als Quelle und konnte nur eine Batterie haben. Also habe ich eine invertierende ICL7660-Schaltquelle verwendet (sie wandeln + 9V in -9 V um); Das Problem war jedoch, dass der Eingangsstrom so war, dass die Ausgangsspannung auf -6 V abfiel (oder anstieg). Und während der Summierverstärker mit 9 V und -6 V gespeist wurde, konnte die Schaltung ihre Masse nicht richtig finden und musste sich einen Offset erstellen. Siehe: In diesem Fall hätte Masse "(9 V + (-6 V)) / 2 = 1,5 V" ... nicht Null sein müssen (tatsächlich betrug der Versatz etwa 1,5 V).

Dies liegt jedoch daran, dass diese Schaltung eine gemeinsame Masse benötigt, um ihren Ausgang mit den Eingängen zu vergleichen. Dies ist das Ziel des Prozesses der negativen Rückkopplung selbst ... und diese gemeinsame Masse sollte der Mittelpunkt zwischen beiden Stromversorgungsknoten sein. Im Fall Ihrer Schaltung fungiert sie ausschließlich als Komparator, sodass der Ausgang je nach Polarität der Quelle Vd nur 9 V oder -6 V beträgt.

Entschuldigung, wenn meine Antwort zu lang war! Es ist nur cool, verschiedene Erfahrungen zu teilen, die vielleicht anderen helfen können ... In der Tat; Dies ist mein erster Beitrag! Hoffe es hat geholfen!