Was passiert, wenn Sie dem Ausgang eines Operationsverstärkers eine Spannungsquelle hinzufügen?

Ich glaube, du verwechselst ein paar verschiedene Konzepte. Gehen wir sie einzeln an.

Erstens ist die Ausgangsspannung eines Operationsverstärkers in der Tat$V_{out} = A_v \cdot (V_+ - V_-)$. Das ist die Definition eines Differenzverstärkers. Aber in einem Operationsverstärker$A_v$ist riesig – in manchen Fällen eine Million oder mehr. Aus diesem Grund führt jede negative Rückkopplung dazu, dass die Eingänge des Operationsverstärkers sehr nahe beieinander liegen. Dies ist die einzige Bedingung, die Ihnen eine nicht sehr große Ausgangsspannung gibt.

Was Ihre komplexe Schaltung betrifft, gibt es keine Spannungsquelle, die einen Operationsverstärkerausgang antreibt. Der mittlere Operationsverstärker fungiert als nicht invertierender Verstärker. Die Eingabe ist$V_C$(der Ausgang des unteren Operationsverstärkers) und der Ausgang ist$V_D$. Die Beziehung zwischen ihnen ist:

$R_1$Und$R_2$einen Spannungsteiler dazwischen bilden$V_D$und Boden, mit$V_A$mitten drin. Die Beziehung ist:

Wir wissen das$V_D = V_{in}$Und$V_C = V_A$. Was bringt uns das also?

Die unteren beiden Operationsverstärker bilden einen nicht invertierenden Dämpfer – einen Verstärker mit einer Verstärkung von weniger als eins. Die Ausgabe ist$V_A$. Dies wird in den oberen Operationsverstärker eingespeist, der als nicht invertierender Verstärker fungiert.

Um Ihre erste Frage zu beantworten: Wenn Sie eine ideale Spannungsquelle an einen idealen Operationsverstärkerausgang anschließen, verstoßen Sie gegen die Regeln der Schaltungstheorie und erhalten keine sinnvolle Antwort. Was im wirklichen Leben passiert, hängt davon ab, wie die Spannungsquelle und der Operationsverstärker aufgebaut sind. Wahrscheinlich wird es so etwas sein:

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

Die Ausgangswiderstände des Operationsverstärkers und der Spannungsquelle bilden einen Spannungsteiler zwischen den beiden. Diese Widerstände sind klein (und unvorhersehbar), sodass viel Strom fließt und Sie nicht wissen, wie hoch die Spannung sein wird, bis Sie es versuchen. Offensichtlich ist das schlecht, also tu es nicht. :-)

UPDATE: Warum ist$V_C$beeinflusst durch$V_D$? Weil$V_D$ist einer der Eingänge zum unteren Operationsverstärker. Vielleicht sind Sie verwirrt, weil dies wie ein Zirkelschluss erscheint --$V_C$steuert$V_D$, Aber$V_D$steuert auch$V_C$. Also wie funktioniert$V_C$„wissen“, wohin es gehen soll, wenn es nicht weiß, was$V_D$ist bis jetzt?

Um Ihre Intuition zu verbessern, kann es hilfreich sein, mit einigen einfacheren Beispielen zu beginnen. Betrachten Sie den grundlegenden Spannungsfolger:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Stellen Sie sich diese Schaltung mit vor$V_{in}$Ausgeschaltet.$V_{in}$Und$V_C$sind beide 0V. Jetzt schalten wir ein$V_{in}$. Die Spannung des nichtinvertierenden Eingangs wird größer als die Spannung des invertierenden Eingangs ($V_+ > V_-$). Aufgrund der enormen Verstärkung des Operationsverstärkers schießt der Ausgang in die Höhe. Aber der Ausgang ist mit dem invertierenden Eingang verbunden, also wenn er oben ansteigt$V_{in}$, du erhältst$V_- > V_+$. Dadurch geht der Ausgang wieder nach unten. Wenn also die Ausgangsspannung größer als die Eingangsspannung ist, fällt sie ab. Wenn die Ausgangsspannung kleiner als die Eingangsspannung ist, steigt sie an. Der einzige stabile Zustand ist, wenn der Ausgang (fast) gleich der Eingangsspannung ist.

Jetzt fügen wir einige Widerstände hinzu:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Dies ist ein nicht invertierender Verstärker. Es funktioniert genauso wie der Spannungsfolger, aber jetzt muss der Ausgang höher sein als$V_{in}$stabilisieren. (Der stabile Zustand ist wirklich wann$V_- = V_{in}$.) Aber das Hinzufügen von Widerständen ändert nichts am Grundprinzip, oder?

Versuchen Sie es jetzt. Hier ist ein wirklich dummer Spannungsfolger:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Das sieht kompliziert aus, ändert aber eigentlich nichts. Der Ausgang des unteren Operationsverstärkers steigt, was dazu führt, dass der Ausgang des oberen Operationsverstärkers ansteigt. Wenn der Ausgang des oberen Operationsverstärkers nach oben geht$V_{in}$beginnt der Ausgang des unteren Operationsverstärkers zu fallen, wodurch der Ausgang des oberen Operationsverstärkers abfällt. Der einzige stabile Zustand ist, wenn die Ausgänge beider Operationsverstärker gleich sind$V_{in}$.

Ihre Schaltung ist so, nur der obere Operationsverstärker bildet einen nicht invertierenden Verstärker anstelle eines Spannungsfolgers:

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

Dies ist die gleiche wie in der vorherigen Schaltung, außer dass jetzt der Ausgang des unteren Operationsverstärkers kleiner als sein muss$V_{in}$damit sich der Kreislauf stabilisiert. Wenn zum Beispiel beide Widerstände 1k sind, dann:

Versuchen Sie, eine dieser Spannungen zu ändern, und Sie haben eine Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers. Wenn beispielsweise der Ausgang des unteren Operationsverstärkers ($V_C$) steigt, muss der Ausgang des oberen Operationsverstärkers steigen, weil$V_C > V_A$. Aber das würde machen$V_D > V_{in}$, was bedeutet, dass der Ausgang des unteren Operationsverstärkers wieder fallen muss.

Dieses Konzept, einen Ausgang wieder mit einem Eingang zu verbinden, wird als negative Rückkopplung bezeichnet. Es wird (unter anderem) in der Elektronik und in mechanischen Steuersystemen weit verbreitet. Es gibt ein ganzes Teilgebiet der Ingenieurwissenschaften namens Steuerungssysteme, das untersucht, wie man negatives Feedback nutzt, um die Leistung eines Systems zu verbessern und wie man garantiert, dass es nicht instabil wird.

Ich fand die idealen Operationsverstärkerregeln sehr verwirrend, als ich sie zum ersten Mal lernte. Hoffentlich helfen Ihnen diese Beispiele für vorübergehendes Verhalten, die Dinge zu verstehen.

Wenn Sie dem Ausgang eines Operationsverstärkers eine Spannungsquelle hinzufügen, haben Sie zwei Geräte mit niedriger Ausgangsimpedanz, die versuchen, einen Knoten auf eine bestimmte Spannung zu treiben, und beide haben theoretisch eine unendliche Stromquelle / -senke. In der realen Welt sprengt Ihre Spannungsquelle Ihren Operationsverstärker. Ende der Geschichte.

Es ist nicht X + Va, da zwei Spannungsquellen, die einen Knoten auf zwei verschiedene Spannungen treiben, dazu führen, dass viel Energie von einer zur anderen geleitet wird. Spannungen summieren sich an Knoten nicht. Wenn Sie eine 1,5-Volt-Batterie und eine 9-Volt-Batterie nehmen und ihre Minuspole zusammen erden und ihre Pluspole verbinden, erhalten Sie am Ende keine 10,5 Volt. Stattdessen beginnt die 9-Volt-Batterie, ihre Energie in die 1,5-V-Batterie zu entladen. Die 1,5-V-Batterie beginnt mit dem "Aufladen", bevor sie explodiert.

unten links; Die Vout dieses Operationsverstärkers ist gleich der Spannung am roten A

Aufgrund der negativen Rückkopplung der beiden unteren Operationsverstärker wird V_d von den unteren beiden Operationsverstärkern angesteuert, um gleich Vin zu sein. V_a wird vom mittleren Operationsverstärker auf V_c angesteuert. Zu keinem Zeitpunkt treibt mehr als ein Operationsverstärker einen Spannungsknoten an.

Da ein Operationsverstärker nur eine spannungsgesteuerte Spannungsquelle ist, kann ich Ihre Frage einfacher übersetzen: Was passiert in der folgenden Schaltung?