Wie ist der Ausgang des Operationsverstärkers nicht Null, wenn die Eingänge die gleiche Spannung haben?

Ich denke, Ihre Verwirrung besteht darin, zu denken, dass die Eingänge immer die gleiche Spannung haben. Diese Regel gilt nur, wenn die Schaltung eine negative Rückkopplung hat , was bedeutet, dass sich die Ausgangsspannung in einer Weise ändert, die dazu neigt, die Eingangsspannungen gleich zu machen.

Wie andere angemerkt haben, sind die Eingangsspannungen nie genau gleich, aber wenn die Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers sehr hoch ist, ist die Differenz zwischen den Eingangsspannungen sehr gering. Die Annahme, dass die Eingangsspannungen gleich sind, ist eine nützliche Annäherung, wenn Sie schnell das allgemeine Verhalten einer Operationsverstärkerschaltung bestimmen möchten.

Ich denke, Ihre Verwirrung kommt von den Unterschieden zwischen einem theoretischen "idealen" Operationsverstärker und dem, was mit Elektronik tatsächlich realisierbar ist. tl; dr: Der echte Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung hat aufgrund seiner begrenzten Verstärkung eine Restspannungsdifferenz an seinen Eingängen.

Lassen Sie uns das durchgehen.

Die "goldenen Regeln" idealer Operationsverstärker lauten:

• unendliche Open-Loop-Verstärkung (impliziert unendliche Spannung und Null-Ausgangsimpedanz)
• Eingänge mit unendlicher Impedanz

Legen Sie eine Differenz von null Volt an beide Eingänge an, und der Ausgang ist genau null. Wenden Sie eine beliebige Differenz an, und sie wird auf + oder - unendlich verstärkt.

Fügen Sie negatives Feedback hinzu, und der Feedback-Pfad vom Ausgang zwingt den (-) Eingang, die Eingänge wieder ins Gleichgewicht zu bringen. Somit verfolgt die (-)-Eingabe genau die (+)-Eingabe , so dass die Eingabedifferenz immer Null sein wird.

Echte Operationsverstärker haben keine unendliche Verstärkung. Sie haben jedoch eine sehr hohe Verstärkung (einige im Bereich von 120 dB / 1 Million). Sie haben auch einige andere Abweichungen vom Ideal, die sich einschleichen und die Ausgabe beeinflussen. Mehr dazu weiter unten. Das Ergebnis ist, dass unser unvollkommener realer Operationsverstärker eine Spannungsdifferenz ungleich Null an den Anschlüssen für jeden Ausgang außer Null Volt haben wird . Dies kann aus der Open-Loop-Verstärkung ermittelt werden.

Beispielsweise hat dieser Operationsverstärker mit 120 dB (10 ^ 6) Open-Loop-Verstärkung, der 1 V am Ausgang anzeigt, eine Differenz von 1 Mikrovolt an den Eingängen. Anders ausgedrückt, ein 0-dB-Signal am Ausgang zeigt ein -120-dB-Signal am Eingang. Dies gilt unabhängig vom Feedback . Sie wird streng durch die Verstärkung bestimmt.

Simulieren Sie es hier: Unity-Follower mit Operationsverstärker mit 10 ^ 6-Verstärkung (Tipp: Probieren Sie den Operationsverstärker-Verstärkungsregler aus und sehen Sie den Einfluss auf die Ausgangsspannung.)

Bei einer so hohen Verstärkung ist diese verbleibende Eingangsspannungsdifferenz praktisch unbedeutend im Vergleich zu den anderen Fehlern, die Operationsverstärker in der realen Welt heimsuchen. Lassen Sie uns darüber sprechen.

Mehr über ideale vs. echte Operationsverstärker

Neben einer weniger als unendlichen Verstärkung haben echte Operationsverstärker eine Reihe anderer Fehler, die den Ausgang beeinflussen. Eine unvollständige Liste davon umfasst:

• Eingangsoffsetspannung
• Eingangsruhestrom
• Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR)
• frequenzabhängige Verstärkung / begrenzter Anstieg / Phasenverschiebung (AC-Verstärkung)
• begrenzte Ausgabekonformität

Der Eingangs-Offset muss berücksichtigt werden, wenn eine sehr hohe Verstärkung oder niedrige Eingangsspannungen verwendet werden.

Der Bias-Strom kommt ins Spiel, wenn sehr hohe Verstärkungs- oder Widerstandsrückkopplungswerte verwendet werden. Speziell bei bipolaren Operationsverstärkern muss dies berücksichtigt werden, weniger bei JFET- oder MOSFET-Eingangsgeräten.

Gleichtaktunterdrückung bedeutet, dass die gemeinsame Gleichspannung an (+) und (-) den Ausgang mit einem Offset beeinflussen kann. Ideale Operationsverstärker haben eine unendliche Ablehnung; echte Operationsverstärker nicht. Der beliebte LM324 zum Beispiel hat einen CMRR von etwa 80 dB (etwas unter 10.000:1).

Echte Operationsverstärker haben eine Verstärkung, die mit höherer Frequenz abnimmt, insbesondere bei intern kompensierten Allzweck-Operationsverstärkern wie dem LM324. Ein gewisser Phasenfehler wird ebenfalls eingeführt. Je höher der verwendete Gain, desto stärker wirkt sich dies aus. Dies wird als Produkt aus Verstärkung und Bandbreite bezeichnet .

Schließlich begrenzt der Output-Compliance-Bereich (Output-Swing) die mögliche Verstärkung. Die Ausgangsimpedanz des Operationsverstärkers begrenzt auch die Strommenge, die er zum Rückkopplungsnetzwerk zurückschieben kann.

Zusammengenommen setzen diese nicht idealen Eigenschaften von Operationsverstärkern Grenzen für die realisierbare Leistung von Operationsverstärkerschaltungen. Kein Wunder, dass es so viele verschiedene Arten von Operationsverstärkern gibt, aus denen man wählen kann.

Weiterlesen

Hier ist ein MIT Open Course Ware-Papier mit einer eingehenderen Analyse von idealen Operationsverstärkern mit unendlicher Verstärkung im Vergleich zu realen Operationsverstärkern mit endlicher Verstärkung, die die verallgemeinerten Gleichungen zeigt: https://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering- and-computer-science/6-071j-introduction-to-electronics-signals-and-measuring-spring-2006/lecture-notes/22_op_amps1.pdf

Die Spannungsdifferenzen zwischen den Eingängen sind nicht Null (selbst in Gegenkopplungsschaltungen). Es kann ein sehr kleiner Unterschied sein. Die Ausgabe ist diese kleine Differenz multipliziert mit der Open-Loop-Verstärkung.

Wenn Vout die Verstärkung mal der Spannungsdifferenz an den Eingängen ist, wie ist Vout nicht immer Null, wenn wir davon ausgehen, dass die Spannungen an den Eingängen gleich sind

Um die Antwort von Transistor zu überarbeiten, sind die Eingänge nicht gleich. Der Operationsverstärker ist eine Komponente mit einer festen Verstärkung, die als Open-Loop-Verstärkung bezeichnet wird. Um der Einfachheit halber bei DC-Schaltungen zu bleiben, nehmen wir an, der Operationsverstärker hat eine Open-Loop-Spannungsverstärkung von 1 Million (120 dB). Das ist die ganze Zeit sein Gewinn, egal welche Art von Rückkopplungsschaltungen ihn umgeben. Wenn der Ausgang 1 V beträgt, sind die Eingänge 1 uV voneinander entfernt. Die Verstärkung des Operationsverstärkers als Komponente ist wie der Widerstand eines Widerstands - für ein normales Teil in einer normalen Schaltung ändert sich sein Wert aufgrund der Schaltungsbedingungen nicht.

Um die Rolle der Verstärkung des Operationsverstärkers zu sehen, können Sie ein sehr nützliches Gedankenexperiment durchführen:

• Stellen Sie sich vor, Sie könnten die Verstärkung des Operationsverstärkers von 1 auf 1.000.000 ändern (dies ist ein speziell für solche Bildungszwecke entwickelter Operationsverstärker mit variabler Verstärkung ).

• Erstellen Sie die einfachste Operationsverstärkerschaltung mit negativer Rückkopplung - einen Operationsverstärker-Follower .

• Legen Sie eine konstante Eingangsspannung Vin an.

• Variieren Sie die Verstärkung des Operationsverstärkers vom Minimum bis zum Maximum und beobachten Sie, wie sich die drei Spannungen (Vin, Vout und Vin - Vout) ändern. Am Anfang ist Vout = Vin/2 und Vout - Vin = Vin/2 (großer Fehler). Am Ende wird der Unterschied vernachlässigbar sein und Vout wird fast gleich Vin sein.

Wenn Vout die Verstärkung mal die Spannungsdifferenz an den Eingängen ist

Open-Loop-Verstärkung * (A _OL )

Wie ist Vout nicht immer Null, wenn wir davon ausgehen, dass die Spannungen an den Eingängen aufgrund des Goldenen Schnitts gleich sind?

Ich weiß wirklich nicht, wie es mit dem Goldenen Schnitt zusammenhängt. In der Praxis gibt es immer eine Differenz ungleich Null (oder einfach einen Fehler) zwischen nicht invertierenden (+) und invertierenden (-) Eingängen. Diese Spannung wird Eingangs-Offsetspannung genannt und wird in den Datenblättern als V _{os angezeigt.} Auch wenn Sie beide Eingänge erden, ist der Ausgang V _OUT = V _os . Ein _OL . Wenn A _OL hoch genug ist, kann der Ausgang auf die positive oder negative Versorgungsschiene treffen. Dies wird als „Sättigung“ bezeichnet.