Woher weiß ein Operationsverstärker, wo Masse ist?

Woher weiß irgendetwas, wo Boden ist? Masse ist nur ein Symbol, das wir auf den Schaltplan kleben, um ihn leichter lesbar zu machen. Keine der Komponenten in einer normalen Schaltung liest den Schaltplan, daher weiß keine von ihnen, wo Masse ist.

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.

Und wenn Sie in der Praxis eine solche Schaltung bauen, hätten Sie ein Problem: Es gibt keinen Pfad von der Spannungsquelle am Eingang zu irgendetwas anderem. Daher werden die tatsächlichen Werte dort durch den Eingangsruhestrom 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 einfacher finden, an Operationsverstärker zu denken, die den Unterschied zwischen ihren Anschlüssen nicht verstärken. In der Praxis werden Operationsverstärker meist mit Gegenkopplung betrieben, sonst spricht man eher von Komparatoren. 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 demselben Potenzial.

Die Eingangsruheströme verhalten sich wie folgt, wobei I1 und I2 die jeweiligen Eingangsruheströme und I2-I1 der Eingangsoffsetstrom sind.

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

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

Wie Sie in Ihrem rechten Beispiel 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 irgendwie funktionieren, aber darauf sollten Sie sich nicht verlassen. Stellen Sie immer einen DC-Pfad für invertierende und nicht invertierende Eingänge bereit. Das obige Beispiel stellt einen Pfad nur für den Offset-Strom (I2-I1) bereit. Der gesamte Ruhestrom (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, also die Mid-Rail-Addierer (Vcc + Vee) / 2 ist irgendwie willkürlich. Hoffentlich macht das Sinn für Sie.

Zunächst einmal 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, was (wie Sie bemerkt haben) die Art und Weise ist, wie Operationsverstärker mit Strom versorgt werden sollen (zumindest wenn Umgang mit "Standard"-Schaltungen, die oft in der Grundlagenliteratur zu finden sind).

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

Was meine ich? Die interne Schaltung des Operationsverstärkers ist so aufgebaut, dass der Ausgang bei Null-Differentialeingang idealerweise an einem Punkt in der Mitte 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 andererseits mit einer einzigen Stromversorgung versorgen, sagen wir 15 V, liegt der Ausgang bei 7,5 V.

Dies ist natürlich ein ideales Verhalten, da Bias-Ströme, 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 (gelbe Hervorhebung von mir):

Ein Operationsverstärker hat keine Ahnung, wo Masse ist.

Operationsverstärker sind Differenzverstärker. Sie verstärken die Differenz zwischen den beiden Eingängen und ignorieren (idealerweise) jegliche Gleichtaktspannung. Es gibt keinen Unterschied zwischen den beiden Schaltungen in Ihrem Diagramm. Keiner der Ausgänge des Operationsverstärkers ist auf Masse bezogen. Der Ausgangs-Bias-Punkt liegt wahrscheinlich ungefähr in der Mitte zwischen den beiden Versorgungen. Sie könnten versuchen, es zu messen, indem Sie die Eingänge kurzschließen, aber Sie müssen sich auch mit der Eingangsvorspannung und dem Eingangsstrom befassen. Wahrscheinlich ist es die Mühe nicht wert.

Glücklicherweise müssen Sie sich keine Gedanken über den Ausgangs-Bias-Punkt oder die "echte" Referenzspannung machen, da sie für beide üblichen Anwendungen eines Operationsverstärkers keine Rolle spielen. 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 einer linearen Schaltung verwenden, verwenden Sie eine negative Rückkopplung, wodurch der Ausgang auf den positiven Eingang referenziert 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, spielt auch die Konstruktion des Operationsverstärkers eine Rolle. Aber ich denke, das ist nicht wichtig für das, wonach Sie fragen. Operationsverstärker sind nicht dafür ausgelegt, das zu tun, was Ihre Schaltung versucht, sie zu tun.

Siehe die folgende elementare Zeichnung der Interna des Operationsverstärkers:

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

In praktischen Operationsverstärkerschaltungen ist der Weg für den Eingangsbasisstrom (= Vorspannungsstrom) ein leitender Teil zwischen dem Eingang und der Versorgungsspannungsschiene oder GND. In diesem Fall (siehe die Pfeile in den Emittern der Eingangstransistoren) ist die -VE-Versorgungsschiene nicht als Eingangsstromlieferant für die richtige Richtung geeignet, 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 etwas anderem als dem "Etwas" zwischen den Eingängen driften sie aufgrund der akkumulierten Leckladung in den Gates der Fets bald in einen unbestimmten Zustand.

Deutlicher wird dies mit einigen Informationen zu den Interna (Wikipedia) .

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 isolierende Gate 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 bestimmt werden. Warum? wegen Eingangsruhestrom. Operationsverstärker sind nicht perfekt, sie benötigen eine kleine Menge Strom. Der Eingangsruhestrom kann von Gerät zu Gerät an jedem Anschluss variieren.

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

Wenn Sie irgendeine Art von Abtastung durchführen, müssen Sie eine Seite der Anschlüsse erden.

Ein Thermoelement ist wie eine Spannungsquelle, aber wenn Sie es nicht auf Masse beziehen, könnte es irgendwo schweben. Im Beispiel (a) ist die Spannung zwischen den Anschlüssen die Spannung des Thermoelements (und der Spannungsquelle), aber die Spannung , die beiden Anschlüssen gemeinsam ist, könnte 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-, als ob Sie die Vd-Eingangspolarität invertiert hätten)

Betrachtet man sie als ideale Operationsverstärker (und unabhängig davon, welche Art von Versorgung verwendet wird - ob Single oder Dual), ist dies unabhängig von Vcc und Vee. Aber die Sache ist die: Das System braucht keine "Masse", um zu funktionieren, 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 Nach-oben-/Nach-unten-Schauen und ein Paar zum horizontalen Drehen. Jeder LDR war mit einer Stromquelle verbunden und gab seine Potentialdifferenz an einen Summierverstärker weiter.

Eines der Probleme, mit denen ich konfrontiert war, war, dass der Operationsverstärker von der Art mit doppelter Versorgung war (TL084). Ich brauchte +/- 9V als Quelle, und ich konnte nur eine Batterie haben. Also habe ich eine invertierende Schaltquelle ICL7660 verwendet (sie wandeln +9 V in -9 V um); Das Problem war jedoch, dass der Eingangsstrom so war, dass die Ausgangsspannung auf -6 V fiel (oder stieg). Und während der Summierverstärker mit 9V und -6V gespeist wurde, konnte die Schaltung ihre Masse nicht richtig finden und musste sich selbst einen Offset erzeugen. Siehe: In diesem Fall hätte Masse "(9 V + (-6 V)) / 2 = 1,5 V" sein sollen ... nicht Null (tatsächlich lag der Offset bei etwa 1,5 V).

Aber das liegt daran, dass diese Schaltung eine gemeinsame Masse benötigt, um ihren Ausgang mit den Eingängen zu vergleichen, was das Ziel des Prozesses der negativen Rückkopplung selbst ist ... und diese gemeinsame Masse sollte der Mittelpunkt zwischen beiden Stromversorgungsknoten sein. Im Fall Ihrer Schaltung fungiert es nur 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 einfach cool, verschiedene Erfahrungen zu teilen, die vielleicht anderen helfen können ... Tatsächlich; dies ist mein erster Beitrag! Hoffe es hat geholfen!