Frage zu Differenzsignalen als Eingang eines Operationsverstärkers

Mir ist aufgefallen, dass das von mir gelesene Buch in all diesen Schaltungen immer von einem Differenzeingang ausgeht, dh zwei (kleine) Signale mit demselben Gleichstromwert und Amplituden, die gleich und entgegengesetzt sind. ... Die Frage ist: Wer sagt, dass ich, wenn ich diese Schaltkreise mit Rückkopplung schließe, an den invertierenden und an den nicht invertierenden Anschlüssen einen perfekten Differenzeingang habe?

Wenn Sie zwei Eingangsspannungen haben,$V_+(t)$Und$V_-(t)$, können Sie sie in Gegentakt- und Gleichtaktsignale zerlegen

und wenn Sie die Differential- und Gleichtaktteile kennen, können Sie die beiden unabhängigen Single-Ended-Signale rekonstruieren

Unabhängig davon, was die tatsächlichen Eingangssignale in Ihren Operationsverstärker sind, können Sie sie (durch Überlagerung, wie Sie erwähnt haben) als Differenz- und Gleichtaktsignale analysieren.

Und wenn Sie einen gut konstruierten Operationsverstärker haben, haben Sie wahrscheinlich bereits gelernt, dass die Gleichtaktverstärkung sehr klein ist, insbesondere im Vergleich zur Differenzverstärkung. Zumindest für die Handberechnung ist es also durchaus sinnvoll, die Gleichtaktkomponente des Eingangs einfach zu ignorieren und den Ausgang nur aus dem differentiellen Teil des Eingangs zu berechnen.

Sie können sehen, dass der nicht invertierende Anschluss auf Masse fixiert ist, dann ist es unmöglich, einen Differenzeingang für den Operationsverstärker zu haben.

Das ist nicht richtig. Wenn es einen Unterschied zwischen den beiden Eingängen gibt, haben Sie eine differenzielle Komponente in Ihrem Eingangssignal. In deinem Beispiel mit$V_+=0$, du hast$V_d = -V_-$(und auch$V_{cm}=V_-/2$).

Der Operationsverstärker weiß nicht, dass der nicht invertierende Eingang mit Masse verbunden ist. Der Operationsverstärker sieht nur, dass der invertierende Eingang ein kleines bisschen über oder unter der Spannung am nicht invertierenden Eingang liegt (vorausgesetzt, wir haben eine negative Rückkopplung).

Es ist die negative Rückkopplung, die die beiden Eingänge dazu zwingt, sehr nahe beieinander zu liegen.

Der Operationsverstärker fungiert also als Differenzverstärker und verstärkt die kleine Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen. Da wir eine negative Rückkopplung hinzugefügt haben, haben wir die gesamte Schaltung darauf beschränkt, als linearer Verstärker mit einer durch die Widerstandswerte bestimmten Verstärkung zu fungieren.

Um die folgende Analyse zu vereinfachen, habe ich angenommen, dass der Operationsverstärker ideal ist (Null-Eingangsoffsetspannung usw.). Auch sollte M5 in Abb. 5.12 nicht ein bipolares Gerät sein. In der folgenden Beschreibung der Funktionsweise bin ich davon ausgegangen, dass dies der Fall ist.

Beginnen wir mit der Annahme, dass beide Eingänge des Operationsverstärkers genau auf Null Volt liegen, der Ausgang auf einer Spannung liegt, die den negativen Eingang genau auf Massepotential legt. In dieser Situation würde kein Strom aus dem Differenzverstärker fließen und M5 wird abgeschaltet, da er keinen Basisstrom hat. Dies bedeutet, dass der Ausgang zu steigen beginnt, aber nicht sehr weit ansteigen muss, bevor die Rückkopplung über das Rückkopplungsnetzwerk eine kleine Spannungsdifferenz am Eingang erzeugt, die einen kleinen Basisstrom in die Basis des M5 zwingt, ihn einschaltet und den Ausgang stoppt weiter steigend. Die Ausgabe ist mit einem kleinen Fehler zum Stillstand gekommen. Der Ausgang kann nicht steigen, weil dies M5 stärker einschalten würde, er kann nicht fallen, weil dies M5 weniger einschalten würde. Die einzige Möglichkeit, die Ausgangsspannung zu variieren, besteht darin, Vin zu variieren. Da Vin variiert, Die Ausgangsspannung variiert ebenso wie die winzige Fehlerspannung am Ausgang, die erforderlich ist, um die variierende Vdiff am Eingang zu erzeugen. Vdiff variiert geringfügig zwischen den Eingängen, wenn der Ausgang als Reaktion auf die Eingangsänderung ansteigt und abfällt, da M5 um den richtigen Betrag ein-/ausgeschaltet werden muss.

Je größer die DC-Open-Loop-Verstärkung ist, desto kleiner ist der Ausgangsfehler und desto kleiner ist Vdiff zwischen den Eingängen. Präzisions-Operationsverstärker haben eine hohe Open-Loop-Verstärkung.

Wenn der nicht invertierende Anschluss auf Masse liegt, ist es unmöglich, einen Differenzeingang für den Operationsverstärker zu haben

Vielleicht sorgt die Art und Weise, wie Sie an "zwei perfekte Differenzsignale" denken, für einige Verwirrung. Stellen Sie sich vor, Sie haben zwei verschiedene Spannungen$V_A$Und$V_B$, also ein Differenzsignal .$V_{DC} = (V_A + V_B)/2$ist Ihre DC-Komponente und$V_{dif} = (V_A - V_B)$der Unterschied . Der Einfachheit halber und um die Analyse durch Überlagerung zu vereinfachen, überlagern Sie die Signale, wie Sie in Ihrer Frage geschrieben haben$V_{DC} \pm V_{dif} / 2$.

Wenn$V_A = 0\,\mathrm{V}$Und$V_B = 1\,\mathrm{V}$als$V_{DC} = 0.5\,\mathrm{V}$Und$V_{AC} = 0.5\,\mathrm{V}$.