Invertierender Operationsverstärker: Warum scheint Strom, der in den Ausgang fließt, auf magische Weise wieder am Boden aufzutauchen?

Verfolgen Sie beide Strompfade vom Ausgang, und Sie stellen fest, dass sie beide auf Masse enden. Über R3 direkt und über R2, R1 und V1.

Wenn also der Ausgang den Strom I senkt, muss dieser Strom von Masse kommen. So einfach ist das...

Die interessantere Frage ist, was damit im Operationsverstärker passiert. Vom Ausgang des Operationsverstärkers gibt es intern keine direkte Verbindung zur Masse. Stattdessen gibt es Verbindungen über die Klemmen V+ und V- und Ihre externen Spannungsquellen V2, V3 mit Masse. Innerhalb des Operationsverstärkers sollte der Ausgangsstrom also als Ungleichgewicht zwischen den von V2 und V3 gelieferten Strömen erscheinen, und dieses Ungleichgewicht sollte den fehlenden Strom auf Masse zurückführen und die Schleife schließen.

Ein Hinweis sind die Versorgungsströme selbst, die identisch, enorm (für eine 741) sind und wie Worst-Case-Werte aussehen. Ein realistischerer Wert für diese wäre 3-5 mA (+ der Ausgangsstrom an V3 in diesem Fall) bis zu einem Maximum von 24 mA, an welchem ​​​​Punkt der Operationsverstärker nicht den gesamten erforderlichen Strom (z. B. 20 mA) liefern würde Ausgang.

Es sieht also so aus, als ob Ihr Opamp-Modell zu einfach ist, um dieses Verhalten widerzuspiegeln, das Sie zweifellos in einer realen Schaltung beobachten würden. Ist das Robert Pease, den ich im Hintergrund gackern höre ?

Ich bin mir ziemlich sicher, dass das Boyle-Makromodell für 741 dies verursacht. In Op Amp Applications Handbook (Hrsg. Walt Jung) p. 742 das MPZ-Modell (auch ADs Geschmack davon) hat dieses Lob

Ausgangslaststrom wird korrekt in den Versorgungsströmen widergespiegelt. Diese Funktion ist eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Boyle-Makromodell [...]

Und hier ist das [741] Boyle-Schema aus Some Practical Aspects of SPICE Modeling for Analog Circuit von E. Kennedy (veröffentlicht in Analog Circuit Design, Art, Science, and Personalities, herausgegeben von Jim Williams).

Der Artikel hat eine längere Beschreibung, aber es ist schon aus dem Schaltplan ziemlich offensichtlich, dass der Ausgangsstrom relativ zur Masse und nicht zu den Schienen erzeugt wird. In dem Papier heißt es: "Der größte Teil der Open-Loop-Verstärkung wird mit dem VCIS-abhängigen Generator G _b " erzielt, von dem Sie sehen können, dass er den Ausgang mit Masse verbindet (über R01).

Es gibt einen weiteren offensichtlichen DC-Pfad vom Ausgang zur Masse über (R01, R02); Tatsächlich wird so die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers simuliert.

Schließlich simulieren die beiden Spannungsquellen in der Nähe des Ausgangs (Vp und Vn) keine Gegentaktstufe (wie in einer anderen Antwort hier behauptet). Sie begrenzen lediglich die Ausgangsspannung so, dass sie auf einen bestimmten Wert [s] gesättigt wird, der kleiner als die Schienen ist. Dies wird im Artikel auf Seite 305 ausdrücklich gesagt und auf Seite 309 sogar wiederholt. Auch Vp und Vn sind keine gesteuerten, sondern feste Quellen.

Der vom Masseknoten fließende Strom hat nur zwei Pfade - entlang R1 und R2 oder durch R3. Sobald sich diese bei PR1 treffen, ist der einzige andere Weg, den sie gehen können, der Ausgang des Operationsverstärkers. Der Strom an Masse muss also gleich dem Strom am Ausgang sein. Mathematisch könnte man dies mit dem aktuellen Gesetz von Kirchhoff demonstrieren, das besagt, dass die Summe der Ströme in einen Knoten Null ergeben muss.

Ein Operationsverstärkerausgang ist ein Paar Transistoren, BJTs oder FETS, in einer Gegentaktkonfiguration, die Strom von den Stromanschlüssen liefern oder ziehen. Etwas wie:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

In Ihrem Beitrag lautet die Ausgangsschaltung also:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Dieser Strom muss zur anderen Seite der Stromquelle zurückkehren - durch den GND.