Bir op-amp zeminin nerede olduğunu nasıl bilir?

Bir süredir op-amp'lerle çalışmama rağmen, şu soru bana daha önce hiç gelmedi.

Önce soldaki op amperi düşünün (A). Negatif terminal toprağa bağlanır ve pozitif terminal ile toprak arasına küçük bir voltaj uygulanır. Çıkış gerilimi toprağa göre ölçülürse, .$V_d$$A \cdot V_d$

Şimdi sağdaki op-amp'i düşünün (B). Bu zaman,$V_d$toprağa atıfta bulunulmaksızın doğrudan negatif ve pozitif terminaller arasına uygulanır. Çıkış voltajı toprağa göre ölçülürse, yine de okunabilir mi?$A \cdot V_d$? Bu nasıl olabilir, çünkü bu op-amp'in zeminin nerede olduğu hakkında hiçbir fikri yok mu?

Zeminin nerede olduğunu nasıl bilebilir? Zemin sadece okumayı kolaylaştırmak için şematik üzerine yapıştığımız bir semboldür. Normal bir devredeki bileşenlerin hiçbiri şemayı okumaz, bu yüzden hiçbiri toprağın nerede olduğunu bilmez.

Op-amp B durumunda, çıkış voltajı, op-amp'in verebileceği maksimum voltaj (besleme rayları ile sınırlıdır) veya girişteki voltaj kaynağının polaritesine bağlı olarak minimum olacaktır.

Ve pratikte böyle bir devre oluşturmak, bir probleminiz olacaktır: girişteki voltaj kaynağından başka bir şeye giden yol yoktur. Bu nedenle, gerçek değerler op-amp'in ve diğer ideal olmayan davranışların giriş önyargı akımı tarafından tanımlanacaktır, bu yüzden alacağınız şey çoğunlukla o belirli op-amp'in detaylarının bir fonksiyonu olan garip bir şeydir.

Muhtemelen op-amp'leri terminalleri arasındaki farkı yükseltmek olarak düşünmek daha kolay olacaktır. Uygulamada, op-amp'ler genellikle olumsuz geri bildirimlerle çalıştırılır: olmadıklarında, karşılaştırıcılar olarak adlandırılırlar. Bu nedenle, op-amp, çıkış voltajını iki giriş eşit olacak şekilde ayarlamaya çalışır ve sonsuz kazançlı ideal op-amp için bu tam olarak böyle olur: girişler her zaman aynı potansiyelde olacaktır.

Giriş bias akımları aşağıdaki gibi davranır, burada I1 ve I2 ilgili giriş bias akımlarıdır ve I2-I1 giriş ofset akımıdır.

^{bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik}

Op-amp yalnızca girişler belirli bir ortak mod aralığındaysa (Vcc ve Vee'ye göre) düzgün çalışır. Bu, sarf malzemelerine çok yakın olabilir veya sarf malzemelerinden birinden veya her ikisinden bir veya iki volt uzakta olabilir.

Sağ örneğinizde de görebileceğiniz gibi, I1 + I2 için bir yol yoktur, bu nedenle girişler tedarik rayına hızla yaklaşacaktır (bu noktada mevcut kaynaklar az ya da çok ideal olmayı bırakmaktadır).

Bazı koşullar altında bazı op-amp'lerin bir tür işe yaraması mümkündür, ancak bu, güvenmeniz gereken bir şey değildir. Hem eviren hem de evirmeyen girişler için her zaman bir DC yolu sağlayın. Yukarıdaki örnek sadece ofset akımı (I2-I1) için bir yol sağlar. Toplam sapma akımının (I1 + I2) yolu yoktur.

Çıktının tam olarak ne olacağına gelince, bunu av v_d (Vcc + Vee) / 2 olarak düşünebilirsiniz , ancak op-amp sürelerinin ofset voltajı genellikle her iki raydaki çıkışı doyurmak için yeterlidir, bu nedenle orta raylı toplayıcı (Vcc + Vee) / 2 bir çeşit keyfidir. Umarım bu size mantıklı gelir.

Bir op-amp'in zeminin nerede olduğu hakkında hiçbir fikri yoktur.

Op-ampler diferansiyel amplifikatörlerdir. İki giriş arasındaki farkı arttırırlar ve (ideal olarak) herhangi bir ortak mod voltajını göz ardı ederler. Diyagramınızdaki iki devre arasında fark yoktur. Her iki op-amp çıkışı da toprağa referans vermez. Çıkış sapma noktası muhtemelen iki sarf malzemesi arasındaki orta yola yakındır. Girişleri birlikte kısaltarak ölçmeyi deneyin, ancak giriş ön voltajı ve akımı ile de uğraşmanız gerekir. Muhtemelen zahmete değmez.

Neyse ki, çıkış önyargı noktası veya "gerçek" referans voltajı hakkında endişelenmenize gerek yok, çünkü bir op-amp'in ortak kullanımları için önemli değiller. Op-amp'i karşılaştırıcı olarak kullanıyorsanız, küçük bir diferansiyel voltaj için bile çıkışın olabildiğince pozitif veya olabildiğince negatif olmasını istersiniz. Op-amp'i doğrusal bir devrede kullanıyorsanız, çıkışın pozitif girişe referans edilmesine neden olan negatif geri besleme kullanırsınız.

Gerçek fiziksel op-amp'ler mükemmel diferansiyel amplifikatörler değildir, bu nedenle gerçek hayatta ortak mod voltajının çıktı üzerinde küçük bir etkisi vardır. Phil'in cevabının söylediği gibi, op-amp'in inşası da önemlidir. Ama sorduğun şey için bunun önemli olduğunu düşünmüyorum. Op-amp'ler, devrenizin yapmaya çalıştığı şeyi yapmak için tasarlanmamıştır.

Opampın iç kısımlarının aşağıdaki temel çizimine bakın:

Giriş transistörleri temel akımlarına ihtiyaç duyar - her ikisi de! Akım genellikle 1uA'dan düşüktür. Opamp ne kadar sürdüğünü kendisi belirler, ancak mevcut olması gerekir ve her iki giriş için de transistörün içine yönlendirilmelidir. "+" Girişlerini yalnızca + ve - girişleri arasında bağlarsanız, akımlar aynı anda transistörlere doğru olamaz çünkü bu "bir şey" yeni elektrik yükü oluşturmalıdır. Kirchoff yasası.

Pratik opamp devrelerinde, giriş taban akımının (= bias akımı) yolu, giriş ve besleme gerilimi rayı veya GND arasındaki iletken bir parçadır. Bu durumda (giriş transistör yayıcılarındaki oklara bakın) -VE besleme rayı doğru yön giriş akımı tedarikçisi olarak imkansızdır, ancak + VE rayı tamamdır ve ayrıca bir pil ekleyerek -VE potansiyelinin üzerine kaldırılırsa GND betveen -VE ve GND veya + VE'ye bağlı bir resitor tarafından.

Fet girdileri daha iyi değildir. Girişler arasındaki "bir şeyden" başka bir yere galvanik bir bağlantı olmadan, kısa bir süre sonra, parmaklıkların kapılarına biriken sızıntı yükü nedeniyle belirsiz duruma geçerler.

Her şeyden önce, topraklama, devredeki tüm voltajlara referans verdiğiniz keyfi olarak seçilen noktadır. En yaygın basit devre konfigürasyonlarında topraklama, ya tek besleme kaynağının negatif terminali ya da simetrik bir kaynağın orta noktası olarak seçilir, yani (not ettiğiniz gibi) op-amperlere güç verilmesi (en azından temel literatürde sıklıkla bulunan "standart" devrelerle uğraşmak).

Yani şaşkınsınız çünkü normal op-amp modelinin diferansiyel girişi var, ancak çıkışı toprağa atıfta bulunuyor, bu yüzden soru: op-amp, zeminin nerede olduğunu nasıl biliyor? Sadece bilmiyor, tahmin ediyor .

Ne demek istiyorum? Op-amp'in dahili devresi, ideal olarak sıfır diferansiyel giriş ile çıkışın op-amp'in kaynakları arasında yarım bir noktada duracağı şekilde inşa edilmiştir.

Sarf malzemeleri simetrik ise (± 15V diyelim) bu nokta sadece topraklanmış olur (0V) , ancak yalnızca sarf malzemeleri arasındaki orta nokta olarak toprak seçtiyseniz (en yaygın senaryo).

Diğer tarafta, op-amp'e 15V gibi tek bir güç kaynağı ile güç verirseniz, çıkış 7.5V'da olacaktır.

Elbette bu ideal bir davranıştır, çünkü sapma akımları, ofset voltajı ve ortak mod aralığı gerçek cihaz üzerinde bir etkiye sahip olacaktır.

Ayrıca bakınız Walt Jung tarafından Op Amper Uygulamaları El Kitabı, Analog Devices , bölüm 1 , s.5 (sarı vurgu madeni):

Bu, iç kısımlar hakkında bazı bilgiler (wikipedia) ile daha açık hale geliyor .

Bu bipolar-transistör girişinin eski tarzı. Transistörlerden negatif / pozitif besleme raylarına ılımlı bir giriş önyargı akımı (bazı mikroamperler) akar.

FET ve JFET girişlerinin çok daha küçük giriş akımları vardır, ancak FET'in yalıtım kapısında hala beslemeye karşı bir referans vardır.

Giriş koruma diyotları da olabilir.

Bu olmaz ve terminallerden birini topraklamazsanız çıkış voltajı belirlenemez. Neden? çünkü giriş yanlılığı akımı. Opamp'ler mükemmel değildir, az miktarda akım gerektirir. Giriş sapma akımı, her terminaldeki cihazdan cihaza değişebilir.

Giriş sapma akımı yeterince küçükse ve giriş empedansı yeterince yüksekse diğer akımlar terminallerdeki voltajın ne olduğunu belirleyebilir.

Herhangi bir algılama yapıyorsanız, terminallerin bir tarafını topraklamanız gerekir.

Bir termokupl, bir voltaj kaynağı gibidir, ancak onu toprağa göndermezseniz, herhangi bir yerde yüzebilir. (A) örneğinde terminaller arasındaki voltaj, termokuplun (ve voltaj kaynağının) voltajıdır, ancak her iki terminal için ortak voltaj hemen hemen her yerde 0V, 1V, -2.3V olabilir.

Olumsuz geribildirim olmadığından çıktı:

Vo = + Vcc (V +> V- ise, sağladığınız şemalarda olduğu gibi) Vo = -Vee (V + <V- ise, Vd giriş polaritesini ters çevirmiş gibi)

Bunları ideal op-amp olarak düşünürsek (ve hangi tür kaynağı kullanacağına bakılmaksızın - tek veya çift olursa), bu Vcc ve Vee'den bağımsızdır. Ama mesele şu: Sistemin çalışması için bir "zemine" ihtiyacı yok çünkü sadece ikisini arasındaki voltaj farkı ile çalışıyor.

Birkaç ay önce, en güçlü ışık kaynağına işaret eden, ışığa duyarlı bir "robot çiçeği" yapmak zorunda kaldım. Dört LDR kullandı - yukarı / aşağı bakmak için bir çift ve yatay olarak döndürmek için bir çift. Her LDR bir akım kaynağına bağlandı ve potansiyel farkını bir toplama amplifikatörüne verdi.

Karşılaşmak zorunda olduğum sorunlardan biri, op-amp'in çift besleme türünden (TL084) biri olmasıydı. Kaynak olarak +/- 9V'ye ihtiyacım vardı ve sadece bir pilim olabilir. Bu yüzden bir ICL7660 eviren anahtarlama kaynağı kullandım (+ 9V'yi -9V'ye çevirirler); ancak sorun, giriş akımının çıkış voltajının -6V'a düşeceği (veya yükseldiği) olmasıdır. Toplama amplifikatörünü 9V ve -6V ile beslerken, devre zemini doğru bir şekilde bulamadı ve kendine bir ofset yaratmak zorunda kaldı. Bakınız: bu durumda, zemin "(9V + (-6V)) / 2 = 1.5 V" olmalıdır ... sıfır değil (aslında, bahsedilen ofset 1.5 V civarındaydı)

Ancak bunun nedeni, bu devrenin çıkışını girişlerle karşılaştırmak için ortak bir zemine ihtiyaç duymasıydı, bu da negatif geri besleme sürecinin amacı ... ve bu ortak toprak her iki güç kaynağı düğümü arasındaki orta nokta olmalıdır. Devrenizde, sadece bir karşılaştırıcı görevi görür, böylece çıkış Vd kaynağının polaritesine bağlı olarak sadece 9V veya -6V olur.

Cevabım çok uzunsa özür dilerim! Sadece başkalarına yardım edebilecek farklı deneyimleri paylaşmak harika ... Aslında; bu benim ilk yazım! Umarım yardımcı olmuştur!