Operationsverstärker: Prinzip der virtuellen Masse und andere Zweifel [geschlossen]

Wenn ein Operationsverstärker die Differenz zwischen V+ und V- verstärkt, wie kann es dann funktionieren, wenn für das Prinzip der virtuellen Masse V+ = V- gilt, und wenn also V+ = V- kein Unterschied zu verstärken ist?

Sie haben Recht, im wirklichen Leben ist der Operationsverstärker allein (ohne Rückkopplungsschleife) nichts anderes als ein Differenzverstärker. Die Ausgangsspannung ist die Differenz zwischen der$+$Und$-$Eingänge multipliziert mit der Open-Loop-Verstärkung (Aol):

$V_{OUT} = (V_+ − V_−)*A_{OL}$

Außerdem müssen Sie bedenken, dass die Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers sehr groß ist; Daher führt eine sehr kleine Änderung der Eingangsspannung zu einer großen Änderung am Ausgang (Abb. b, c und d).

Die Spannungsdifferenz am Eingang muss gleich sein:

$V_+ - V_− = \frac{Vout}{A_{OL}} = \frac{3V}{100\: 000} = 30\mu V$(Abb. d)

Wie Sie sehen können, ist dieser Unterschied tatsächlich sehr gering. Daher können wir das ohne großen Fehler sagen$V_+ \approx V_−$wenn der Operationsverstärker in einem linearen Bereich arbeitet (negative Rückkopplung um den Operationsverstärker angelegt) und wenn die Open-Loop-Verstärkung sehr hoch ist.

Zusätzlich analysieren wir in der Schaltungstheorie die Schaltung unter der Annahme, dass wir einen idealen Operationsverstärker haben. Und eine der Eigenschaften eines idealen Operationsverstärkers ist, dass er eine unendlich große Open-Loop-Verstärkung hat. Versuchen Sie, eine Weile darüber nachzudenken. Und ich hoffe, dass Sie jetzt verstehen, warum$V_+ = V_−$gilt für den idealen Operationsverstärkerfall (unendliche Open-Loop-Verstärkung).

Zurück zum Wesentlichen

Wenn die Spannung am Eingang „+“ (nicht invertierend) steigt, steigt auch die Ausgangsspannung. Eine Erhöhung der Spannung am "-" Eingang (invertierender Eingang) bewirkt, dass die Ausgangsspannung verringert wird. Spannung am Eingang "-" verringern erhöht die Ausgangsspannung.

Versuchen Sie nun, diese Schaltung zu analysieren:

In dieser Schaltung wird durch den Widerstand R2 eine negative Rückkopplung angelegt.

Lassen Sie uns nun verstehen, wie sich die durch R2 zurückgegebene negative Rückkopplung auf den Verstärkerbetrieb auswirkt. Lassen Sie uns zu Beginn unserer Diskussion das Eingangssignal vorübergehend einfrieren, während es 0 Volt durchläuft. Zu diesem Zeitpunkt hat der Operationsverstärker keine Eingangsspannung (dh VD = 0 = Spannung zwischen den Eingangsanschlüssen (+) und (–) (VD)). Es ist diese differentielle Eingangsspannung, die durch die Verstärkung des Operationsverstärkers verstärkt wird, um die Ausgangsspannung zu werden. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung 0. Nehmen wir nun an, die Ausgangsspannung habe versucht, in eine positive Richtung zu driften. Können Sie sehen, dass diese positive Änderung durch R2 zu spüren wäre und dazu führen würde, dass der invertierende Pin (-) des Operationsverstärkers leicht positiv wird, da im Wesentlichen kein Strom in den Operationsverstärkereingang und den (+) Eingang des ein- oder ausfließt Operationsverstärker liegt auf Massepotential. Dies bewirkt, dass VD größer als 0 ist, wobei der (-) Anschluss am positivsten ist. Wenn VD vom Operationsverstärker verstärkt wird, erscheint es im Ausgang als negative Spannung (invertierende Verstärkerwirkung). Dies zwingt den Ausgang, der ursprünglich versucht hatte, in eine positive Richtung zu driften, in seinen 0-Zustand zurückzukehren. Eine ähnliche, aber entgegengesetzte Aktion würde auftreten, wenn der Ausgang versuchen würde, in die negative Richtung zu driften. Solange also der Eingang auf 0 Volt gehalten wird, wird der Ausgang gezwungen, auf 0 Volt zu bleiben.

Nehmen wir nun an, wir lassen zu, dass das Eingangssignal auf einen momentanen Pegel von +2 Volt ansteigt, und frieren es für die Zwecke der folgenden Diskussion ein. Wenn +2 Volt an R1 und 0 V am Ausgang des Operationsverstärkers angelegt werden, hat der Spannungsteiler aus R2 und R1 zwei Volt darüber. Da der (-) Anschluss des Operationsverstärkers keinen signifikanten Strom zieht, ist der Spannungsteiler im Wesentlichen unbelastet. Wir können auch ohne Berechnung von Werten sehen, dass die (-)-Eingabe jetzt positiv ist. Sein Wert wird wegen der Spannungsteilerwirkung etwas weniger als 2 Volt betragen, aber er wird definitiv positiv sein. Der Operationsverstärker verstärkt nun diese Spannung (VD), um einen negativen Ausgang zu erzeugen. Wenn der Ausgang beginnt, in die negative Richtung zu steigen, Der Spannungsteiler hat jetzt an einem Ende eine positive Spannung (+2 Volt) und am anderen Ende eine negative Spannung (steigender Ausgang). Daher kann der (-) Eingang immer noch positiv sein, aber er nimmt ab, wenn der Ausgang negativer wird. Wenn der Ausgang ausreichend negativ wird, wird der (-) Stift (VD) negativ. Wenn dieser Pin jedoch jemals negativ wird, wird die Spannung verstärkt und erscheint am Ausgang als positives Signal. Sie sehen also, dass der Ausgang für eine gegebene Momentanspannung am Eingang schnell hoch- oder runterfährt, bis die Ausgangsspannung groß genug ist, um zu bewirken, dass VD in seinen Zustand nahe 0 zurückkehrt. Alle diese Aktionen erfolgen nahezu augenblicklich, sodass der Ausgang unmittelbar von Änderungen am Eingang betroffen zu sein scheint. aber es wird abnehmen, wenn die Ausgabe negativer wird. Wenn der Ausgang ausreichend negativ wird, wird der (-) Stift (VD) negativ. Wenn dieser Pin jedoch jemals negativ wird, wird die Spannung verstärkt und erscheint am Ausgang als positives Signal. Sie sehen also, dass der Ausgang für eine gegebene Momentanspannung am Eingang schnell hoch- oder runterfährt, bis die Ausgangsspannung groß genug ist, um zu bewirken, dass VD in seinen Zustand nahe 0 zurückkehrt. Alle diese Aktionen erfolgen nahezu augenblicklich, sodass der Ausgang unmittelbar von Änderungen am Eingang betroffen zu sein scheint. aber es wird abnehmen, wenn die Ausgabe negativer wird. Wenn der Ausgang ausreichend negativ wird, wird der (-) Stift (VD) negativ. Wenn dieser Pin jedoch jemals negativ wird, wird die Spannung verstärkt und erscheint am Ausgang als positives Signal. Sie sehen also, dass der Ausgang für eine gegebene Momentanspannung am Eingang schnell hoch- oder runterfährt, bis die Ausgangsspannung groß genug ist, um zu bewirken, dass VD in seinen Zustand nahe 0 zurückkehrt. Alle diese Aktionen erfolgen nahezu augenblicklich, sodass der Ausgang unmittelbar von Änderungen am Eingang betroffen zu sein scheint. für eine gegebene momentane Spannung am Eingang wird der Ausgang schnell ansteigen oder abfallen, bis die Ausgangsspannung groß genug ist, um zu bewirken, dass VD in seinen Zustand nahe 0 zurückkehrt. Alle diese Aktionen erfolgen nahezu augenblicklich, sodass der Ausgang unmittelbar von Änderungen am Eingang betroffen zu sein scheint. für eine gegebene momentane Spannung am Eingang wird der Ausgang schnell ansteigen oder abfallen, bis die Ausgangsspannung groß genug ist, um zu bewirken, dass VD in seinen Zustand nahe 0 zurückkehrt. Alle diese Aktionen erfolgen nahezu augenblicklich, sodass der Ausgang unmittelbar von Änderungen am Eingang betroffen zu sein scheint.

Und die Situation in der Schaltung, wenn die Open-Loop-Verstärkung einen endlichen Wert hat.

Wenn ein OP-AMP den Unterschied zwischen V+ und V- verstärkt, wie kann es dann funktionieren, wenn für das Prinzip der virtuellen Massen V+=V- gilt, und wenn also V+=V- kein Unterschied zu verstärken ist.

Das Prinzip der virtuellen Knoten (Gleichsetzen) gilt nur bei negativer Rückkopplung . Wenn es keine Rückkopplungswiderstände gibt, funktioniert es nicht. Wenn keine Rückkopplung vorhanden ist, muss die Open-Loop-Verstärkungsgleichung Vout = Aol*(V+-V-) verwendet werden, um den Wert des Ausgangs zu bestimmen.

Betrachtet man diese Schaltung als die ideale des OP-AMP, warum V+=V-? (Warum das Prinzip der virtuellen Massen existiert) Warum ist die Spannung an V+ gleich der an V-?

Wenn der Operationsverstärker eine negative Rückkopplung hat, wird er sich bemühen, die Anschlüsse auf den gleichen Wert zu bringen, deshalb können wir sie als gleich betrachten.

Schauen Sie sich diese Schaltung an, mein Lehrer sagt, dass I1 gleich I2 ist, aber ich verstehe nicht warum: Bildbeschreibung hier eingeben

In einem idealen Operationsverstärker kann kein Strom in V + oder V- fließen, sie haben einen unendlichen Widerstand / eine unendliche Impedanz. Der Strom kann also nur durch die Widerstände fließen. In der realen Welt ist der Strom sehr klein, normalerweise nA oder pA in V+ und V-, und die Eingangsimpedanz ist sehr, sehr hoch, weit über dem Megaohm-Bereich.

Die I1 und die I2, die zum Punkt der virtuellen Masse gehen (der auf diesem Foto markierte Punkt), wohin gehen sie am Ende? Werden sie auf den physischen Boden gehen?

Das Problem ist die Konvention eurer Strömungen, die Verwirrung stiftet. In Ihrem Diagramm mit der Art und Weise, wie Sie die Pfeile gezeichnet haben, ist I2 = -I1. In einem idealen Operationsverstärker kann der Strom nicht in den V+ oder V- Port fließen.

1) Wegen Rückkopplungswiderständen. Der Ausgang schwingt (wenn möglich) auf eine solche Spannung, dass die Differenz zwischen V- und V+ Null ist.

2) Das Bild zeigt keine Rückkopplung, daher kann der Ausgang des Operationsverstärkers V+ oder V- nicht ändern. Das Bild zeigt nur, dass ein idealer Operationsverstärker Eingangspins, einen fast unendlichen Eingangswiderstand und eine Ausgangsspannung von Eingangsspannung mal fast unendlicher Verstärkung hat.

3) Da kein Strom in den Operationsverstärker V- fließt, muss der gesamte Strom, der durch R1 fließt, auch durch R2 fließen, es gibt keinen anderen Weg für den Strom. Und da es sich um einen invertierenden Operationsverstärker handelt, muss der Ausgang negativ sein, um null Volt an V- zu erhalten, daher ist Vo = -Vin.

4) Die Stromrichtungen sind gleich, nicht entgegengesetzt. Der Strom vom Eingang geht also über beide Widerstände zum Ausgang des Operationsverstärkers.