Wo ist dieser Strom in meinem Strom-Spannungswandler geblieben?

Dies zeigt, wo der ganze Strom fließt und wie die 10uA ihren Weg zurück zu Ihrer Masseverbindung finden:

Damit der Ausgang des Operationsverstärkers den Strom von 10 uA aufnehmen kann, muss er ihn über den negativen Versorgungsstift senden, sodass er über den Masseanschluss der negativen Versorgung zu Ihrer Quelle zurückkehrt.

Wenn Sie eine negative Spannung (V4 < 0) anlegen, sodass der Strom in die andere Richtung fließt, wird der Ausgang positiv, um den Strom durch den Rückkopplungswiderstand zurückzutreiben, und dieser Strom wird von der positiven Versorgung (V6) bezogen und ist über die Masseverbindung zu Ihrer Spannungsquelle zurückgeführt.

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

Abbildung 1. I1 geht aufgrund seiner hohen Impedanz nicht in den invertierenden Eingang. Es geht durch den Rückkopplungswiderstand R1.

Der Strom vom nicht invertierenden Eingang ist nur der Vorspannungsstrom und hat wenig oder gar nichts mit dem Strom am invertierenden Eingang zu tun.

So funktioniert im Grunde ein Transimpedanzverstärker; der Ausgang hält den invertierenden Knoten auf der gleichen Spannung wie den nichtinvertierenden Knoten. Der Ausgang nimmt diesen Strom auf (oder treibt diesen Strom, wenn Sie dies bevorzugen). Die Eingangsimpedanz des OP27 beträgt eine Million Ohm. Der OP27 hat jedoch Eingangsruheströme von ca. 100 nA, und diese können einen erheblichen Fehler darstellen, wenn es wichtig ist.

Ich habe meinen Schaltplan ein wenig neu gezeichnet, um zu zeigen, wo dieser Strom "weg" ist.

Es ist ein großer Teil der Antwort, aber es fehlt "etwas".

Denken Sie daran, dass wir uns in der "Simulation" befinden und dass einige Stromquellen in dem von uns verwendeten Modell des Operationsverstärkers verborgen sind.

Die Antwort ist also nicht "vollständig". Ich denke, die wahre Antwort liegt im "Labor", wo wir wirklich alles messen können (nicht immer einfach).

Stellen Sie zum Anpassen von "Offset" V4 = 0 in Microcap v12 "Schematic" ein, klicken Sie auf "Dynamic DC", klicken Sie auf "Define Voffset ..." und wechseln Sie dann durch die Pfeile nach oben oder unten, bis Vout am nächsten bei 0 V liegt. Erstellen Sie dann V4 neu = 10 Volt.

Aufgrund der hohen Eingangsimpedanz tritt Ihr Strom nicht aus dem nichtinvertierenden Eingang aus. Aus dem gleichen Grund fließt kein Strom in den invertierenden Eingang. Dies ist der Weg, den Ihr Eingangsstrom nehmen wird:

Q1 und Q2 repräsentieren die Gegentakt-Ausgangsstufe des Operationsverstärkers. Beachten Sie, dass der Strom am Ausgang des Operationsverstärkers abzweigt, einige werden vom Operationsverstärker selbst über Q2 versenkt, und einige werden von der Last versenkt, die Sie an den Ausgang anschließen.

Der Eingangsstrom tritt am negativen Versorgungspin des Operationsverstärkers aus. Der dort entstehende Strom beinhaltet auch den eigenen Betriebsstrom des Operationsverstärkers sowie den "gemessenen" Eingangsstrom.

Wenn der Eingangsstrom negativ ist (in die entgegengesetzte Richtung), folgt er stattdessen diesem Pfad:

Diesmal liefert der Operationsverstärker (und die angeschlossene Last) Strom, damit der Eingang sinkt.

Die notwendige Philosophie

Ich lese diese Antworten voller technischer Details und frage mich, wie es möglich ist, die einfache, aber brillante Idee hinter dieser Operationsverstärkerschaltung, die nur aus einem Widerstand und einem Operationsverstärker besteht, nicht zu enthüllen. Ich habe es vor 30 Jahren erkannt (Bild 1) und mit seiner Hilfe konnte ich viele andere Operationsverstärkerschaltungen verstehen und erklären.

Abb. 1. Konzeptbild eines aktiven Strom-Spannungs-Wandlers aus meinem Archiv (1992). Hier der übersetzte Text:

14. Mai 1992. "Idealer" Strom-Spannungs-Wandler (eine mögliche Erklärung durch eine entgegengesetzte Spannung). Der Strommesswiderstand RI erzeugt einen "schädlichen" Spannungsabfall VR (er ist notwendig, aber unerwünscht; es gibt einen Widerspruch). Wir können es durch eine "Antispannung" V(E)anti zerstören, die von VR subtrahiert wird (es ist eine inverse Kopie von VR). Es kann durch einen Operationsverstärker A implementiert werden, der Vanti so anpasst, dass VR – Vanti = 0 (Prinzip „Aktive Kopie“).

Die Grundidee

Die Idee liegt auf der Hand: Um den Strom I mit einem Voltmeter zu messen, unterbrechen wir den Stromkreis, fügen einen Widerstand RI ein und messen den Spannungsabfall darüber (VR = I.RI). Aber diese Spannung führt einen Fehler ein, da sie von der "stromerzeugenden" Eingangsspannung VIN subtrahiert wird und der Strom abnimmt. Also entscheiden wir uns, es zu zerstören, indem wir eine äquivalente Spannung V = VR hinzufügen. Dazu brechen wir den Stromkreis wieder auf und fügen eine veränderliche Spannungsquelle ein, die die Ausgleichsspannung V erzeugt. Diese Spannung wird zur Eingangsspannung addiert und der Fehler eliminiert – Abb. 2.

Abb. 2. Vollständige konzeptionelle Schaltung von vier Elementen in einer Schleife (das Bild stammt aus einer ähnlichen Geschichte über den invertierenden Verstärker). Beachten Sie, dass die beiden Spannungen in Reihe summiert werden.

Operationsverstärker-Implementierung

Der (richtig versorgte) Operationsverstärkerausgang fungiert also als kleine variable "Batterie", die in Reihe mit dem Widerstand (Abb. 3) geschaltet ist, der die Kompensationsspannung VOUT = IR in der Schaltung hinzufügt. Und natürlich fließt der Eingangsstrom durch diese "Batterie".

Abb. 3. Operationsverstärker-Implementierung der Idee

Um den Strompfad zu schließen, müssen wir die entsprechende Stromquelle ziehen - negativ, wenn die Eingangsspannung positiv ist (wie in Abb. 3) und positiv, wenn die Eingangsspannung negativ ist.

Wie macht der Operationsverstärker das?

Es ist interessant zu sehen, wie der Operationsverstärker den Spannungsabfall VR an seinem Ausgang kopiert. Laut KVL sehen wir in Abb. 2 und Abb. 3 eine Schleife aus drei Spannungen - VR, VOUT und VA. Der Operationsverstärker ändert VOUT so, dass VA Null bleibt (negative Rückkopplung). Als Ergebnis ist VOUT = VR.

Ein weiterer cleverer Trick ist, dass wir die Ausgleichsspannung als gepufferte, geerdete und invertierte Ausgangsspannung verwenden (letzteres Feature ist ein „Geschenk“, das nicht immer erwünscht ist).

Visualisierter Betrieb

Um die Schaltungsfunktion ansprechender zu veranschaulichen, können wir den Schaltplan „geometrisch“ zeichnen – Abb. 4.

Abb. 4. Eine „geometrische“ Darstellung des Strom-Spannungs-Wandlers des Operationsverstärkers

In dieser Darstellung ist der "positive Schaltungsteil" oberhalb des Nullspannungspegels (Masse) und der "negative Schaltungsteil" unterhalb der Masse gezeichnet. Die Spannungen werden durch Spannungsbalken in Rot und die Ströme durch Stromschleifen in Grün und Blau dargestellt.

Beachten Sie etwas sehr Wichtiges - der Eingangsstrom (in Grün) fließt nicht durch die Last. Der Laststrom (in blau) wird nur von der negativen Versorgungsquelle bereitgestellt, dh die Last nimmt keinen Strom von der Eingangsspannungsquelle auf. Dies ist ein großer Vorteil der aktiven Operationsverstärkerschaltung gegenüber der passiven (Widerstand).

Schaltungsentwicklung

Die Stärke dieses schrittweisen Aufbaus besteht darin, dass er die Schaltungsentwicklung von der bescheidenen passiven 1-Widerstand-Schaltung bis zur anspruchsvolleren Operationsverstärkerschaltung zeigt. Wir sehen, dass dies keine neue Schaltung ist; es ist eine verbesserte alte Schaltung. Der aktive Operationsverstärker-Strom-Spannungs-Wandler besteht also aus einem passiven Strom-Spannungs-Wandler und einem unterstützenden Operationsverstärker .

Sichtweise des negativen Widerstands

Wenn wir neugierig genug sind, können wir eine Ähnlichkeit zwischen dem Widerstand R und dem Ausgang des Operationsverstärkers erkennen – es liegt dieselbe Spannung IR an ihnen an; also verhalten sich beide wie Widerstände. Aber während der Widerstand seinen Spannungsabfall von der Eingangsspannung abzieht , addiert der Operationsverstärker seine Ausgangsspannung dazu.

Der Ausgang des Operationsverstärkers fungiert also als negativer "Widerstand" mit dem Widerstand -R, der den positiven Widerstand R neutralisiert. Die gesamte Schaltung (Widerstand und Operationsverstärker) verhält sich wie ein "Stück Draht" ... und der Eingangsstrom fließt durch diesen "künstlichen Draht" - Abb. 5.

Abb. 5. Der Transimpedanzverstärker als "Stück Draht"

Passive vs. aktive Version

In der Regel wissen wir, dass das Passiv schlecht und das Aktiv gut ist. Aber hier hat der passive "Schaltkreis" (Widerstand) einen sehr wesentlichen Vorteil gegenüber dem aktiven - er ermöglicht das Messen von Strömen großer Größe .

Das Problem mit dem Strom-Spannungs-Wandler des aktiven Operationsverstärkers besteht darin, dass der Strom durch seine Ausgangsstufe fließt ... und letztere muss ihm standhalten. Aus diesem Grund werden die Amperemeter in Multimetern nicht mit der Operationsverstärkerschaltung hergestellt, egal wie perfekt sie ist, sondern mit der einfachen passiven Schaltung (ein bescheidener Widerstand zwischen den Eingängen).

Der Eingangsstrom fließt nicht durch den Rückkopplungswiderstand. Er wird durch Strom aufgehoben, der vom Ausgang durch den Rückkopplungswiderstand zurückfließt. OK, die beiden Widerstände sehen aus wie ein Spannungsteiler zwischen zwei verschiedenen Potentialen, sodass der Eingangsstrom in gewisser Weise zum Ausgang fließt.

Aber . . .

Der Operationsverstärker hat viel Verstärkung, und die Wirkung der negativen Rückkopplung treibt den invertierenden Eingang dazu, sich wie eine virtuelle Masse zu verhalten. Dadurch ändert sich die Analyse der Schaltung. Die beiden Widerstände bilden einen Spannungsteiler, aber ein Punkt in der Mitte des Teilers, der sich nicht bewegt, bricht diesen Strom in zwei verwandte, aber nicht auf die gleiche Weise Ströme. Der Ausgang tut alles, um die beiden Eingangsspannungen gleich zu machen, sodass die beiden Ströme immer gleich sind, wenn die Schleife geschlossen ist. Aber sie gehen nicht in die gleiche Richtung.

In Ihrem Fall sind die beiden Widerstände gleich, sodass der Umrechnungsfaktor durch die Schaltung 1 Volt pro Ampere beträgt. Wenn R4 100 K wäre, wäre die Umwandlung 10 V pro Ampere, aber die beiden Ströme hätten immer noch denselben Wert und der Nettostrom am invertierenden Eingang wäre immer noch 0.

Beachten Sie, dass all dies einen theoretisch perfekten Operationsverstärker mit Null-Eingangsvorstrom und Null-Eingangs-Offsetspannung voraussetzt.