Làm thế nào để một op-amp biết mặt đất ở đâu?

Mặc dù tôi đã làm việc với op-amps được một thời gian, nhưng câu hỏi sau đây chưa bao giờ xảy ra với tôi trước ngày hôm nay.

Trước tiên hãy xem xét op amp bên trái (A). Đầu cực âm được nối với mặt đất và điện áp nhỏ được đặt giữa cực dương và mặt đất. Nếu điện áp đầu ra được đo tương ứng với mặt đất, thì nên đọc .$V_d$$A \cdot V_d$

Bây giờ hãy xem xét op-amp bên phải (B). Lần này, được áp dụng trực tiếp giữa cực âm và cực dương, không có tham chiếu đến mặt đất. Nếu điện áp đầu ra được đo tương ứng với mặt đất, nó vẫn đọc chứ? Làm thế nào điều này có thể, vì op-amp này không biết mặt đất ở đâu? A ⋅ V $V_d$$A \cdot V_d$

Làm thế nào để bất cứ điều gì biết mặt đất ở đâu? Mặt đất chỉ là một biểu tượng chúng ta dán trên sơ đồ để dễ đọc hơn. Không có thành phần nào trong mạch bình thường đọc sơ đồ, vì vậy không ai trong số họ biết mặt đất ở đâu.

Trong trường hợp op-amp B, điện áp đầu ra sẽ là điện áp tối đa mà op-amp có thể xuất ra (giới hạn bởi đường ray cung cấp) hoặc tối thiểu, tùy thuộc vào cực tính của nguồn điện áp trên đầu vào.

Và thực tế xây dựng một mạch như vậy trong thực tế, bạn sẽ gặp một vấn đề: không có đường dẫn từ nguồn điện áp trên đầu vào đến bất cứ thứ gì khác. Như vậy, các giá trị thực tế sẽ được xác định bởi dòng phân cực đầu vào của op-amp và các hành vi không lý tưởng khác, vì vậy những gì bạn sẽ nhận được là một thứ lạ, chủ yếu là chức năng của các chi tiết của op-amp cụ thể đó.

Có lẽ bạn sẽ thấy dễ dàng hơn khi nghĩ rằng op-amps không khuếch đại sự khác biệt giữa các thiết bị đầu cuối của chúng. Trong thực tế, op-amps thường được vận hành với phản hồi tiêu cực: khi chúng không có, chúng có xu hướng được gọi là bộ so sánh. Vì vậy, op-amp cố gắng điều chỉnh điện áp đầu ra sao cho hai đầu vào bằng nhau và đối với op-amp lý tưởng có mức tăng vô hạn, đây chính xác là trường hợp: các đầu vào sẽ luôn có cùng tiềm năng.

Các dòng phân cực đầu vào hoạt động như dưới đây, trong đó I1 và I2 là các dòng phân cực đầu vào tương ứng và I2-I1 là dòng bù đầu vào.

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Op-amp sẽ chỉ hoạt động đúng nếu các đầu vào nằm trong một phạm vi chế độ chung nhất định (đối với Vcc và Vee). Điều đó có thể rất gần với nguồn cung cấp hoặc nó có thể là một hoặc hai volt từ một hoặc cả hai nguồn cung cấp.

Như bạn có thể thấy trong ví dụ bên tay phải của bạn, không có đường dẫn nào cho I1 + I2, vì vậy các đầu vào sẽ nhanh chóng tiếp cận đường ray cung cấp (tại thời điểm đó các nguồn hiện tại ngừng trở nên lý tưởng hơn hoặc ít hơn).

Có thể một số op-amps trong một số điều kiện có thể xảy ra với loại công việc nhưng đó không phải là thứ bạn nên dựa vào. Luôn cung cấp đường dẫn DC cho cả đầu vào đảo ngược và không đảo. Ví dụ trên cung cấp một đường dẫn chỉ dòng điện bù (I2-I1). Tổng dòng phân cực (I1 + I2) không có đường dẫn.

Chính xác là đầu ra sẽ như thế nào - bạn có thể nghĩ nó là Av v_d (Vcc + Vee) / 2, mặc dù điện áp bù của op-amp nhân với mức tăng thường đủ để bão hòa đầu ra ở cả hai đường ray, vì vậy bộ cộng giữa đường ray (Vcc + Vee) / 2 là loại tùy ý. Hy vọng rằng điều đó có ý nghĩa với bạn.

Một op-amp không biết mặt đất ở đâu.

Op-amps là bộ khuếch đại vi sai. Chúng khuếch đại sự khác biệt giữa hai đầu vào và (lý tưởng) bỏ qua mọi điện áp chế độ chung. Không có sự khác biệt giữa hai mạch trong sơ đồ của bạn. Cả đầu ra của op-amp đều không được tham chiếu đến mặt đất. Điểm thiên vị đầu ra có lẽ gần giữa đường giữa hai nguồn cung cấp. Bạn có thể đo cố gắng đo nó bằng cách rút ngắn các đầu vào lại với nhau, nhưng bạn cũng sẽ phải đối phó với điện áp và dòng điện phân cực đầu vào. Có lẽ nó không đáng để gặp rắc rối.

May mắn thay, bạn không phải lo lắng về điểm thiên vị đầu ra hoặc điện áp tham chiếu "thực", bởi vì chúng không quan trọng đối với việc sử dụng chung của op-amp. Nếu bạn đang sử dụng op-amp làm bộ so sánh, bạn muốn đầu ra càng dương càng tốt hoặc âm càng tốt, ngay cả đối với điện áp chênh lệch nhỏ. Nếu bạn đang sử dụng op-amp trong mạch tuyến tính, bạn sử dụng phản hồi âm, điều này khiến đầu ra được tham chiếu đến đầu vào tích cực.

Op-amps vật lý thực không có bộ khuếch đại vi sai hoàn hảo, do đó, trong điện áp chế độ chung ngoài đời thực có ảnh hưởng nhỏ đến đầu ra. Như câu trả lời của Phil nói, việc xây dựng op-amp cũng rất quan trọng. Nhưng tôi không nghĩ rằng điều đó quan trọng cho những gì bạn đang hỏi về. Op-amps không được chế tạo để làm những gì mạch của bạn đang cố gắng làm cho chúng làm.

Xem bản vẽ cơ bản sau đây của các phần bên trong của opamp:

Các bóng bán dẫn đầu vào cần dòng điện cơ sở của chúng - cả hai! Hiện tại thường là ít hơn 1uA. Các opamp tự xác định mình mất bao nhiêu, nhưng nó phải có sẵn và cho cả hai đầu vào, nó phải được hướng vào bên trong bóng bán dẫn. Nếu bạn chỉ kết nối "một cái gì đó" giữa các đầu vào + và - thì dòng điện không thể đồng thời hướng tới các bóng bán dẫn vì "cái gì đó" sẽ tạo ra điện tích mới. Đó là luật của Kirchoff.

Trong các mạch opamp thực tế, cách cho dòng cơ sở đầu vào (= dòng phân cực) là một phần dẫn giữa đầu vào và đường ray điện áp cung cấp hoặc GND. Trong trường hợp này (xem các mũi tên trong bộ phát bóng bán dẫn đầu vào), đường ray cung cấp -V không thể là nhà cung cấp hiện tại đầu vào đúng hướng, nhưng đường ray VE vẫn ổn và GND nếu được nâng lên trên tiềm năng -V bằng cách thêm pin betveen -VE và GND hoặc bởi một người bán lại được kết nối với + VE.

Đầu vào thai nhi không tốt hơn. Không có kết nối điện với các nơi khác ngoài "cái gì đó" giữa các đầu vào, chúng sẽ sớm trôi đến trạng thái không xác định do điện tích rò rỉ tích lũy vào cổng của máy bay phản lực.

Trước hết, mặt đất là điểm được chọn tùy ý trong đó bạn tham chiếu tất cả các điện áp trong mạch. Trong các cấu hình mạch đơn giản phổ biến nhất, mặt đất được chọn là cực âm của nguồn cung cấp đơn hoặc điểm giữa của nguồn cung đối xứng, như (như bạn đã lưu ý) cách thức op-amps được cung cấp (ít nhất là khi đối phó với các mạch "tiêu chuẩn" thường được tìm thấy trong tài liệu cơ bản).

Vì vậy, bạn đang bối rối vì mô hình op-amp thông thường có đầu vào vi sai nhưng đầu ra của nó được tham chiếu đến mặt đất, do đó câu hỏi: làm thế nào để op-amp biết mặt đất ở đâu? Nó chỉ đơn giản là không biết, nó đoán .

Ý tôi là sao Mạch bên trong của op-amp được xây dựng sao cho lý tưởng nhất là với đầu vào vi sai bằng không, đầu ra sẽ nằm ở một điểm giữa các nguồn cung cấp của op-amp.

Nếu các nguồn cung cấp đối xứng (giả sử ± 15V) thì điểm đó chỉ là mặt đất (0V) , nhưng chỉ khi bạn chọn mặt đất làm trung điểm giữa các nguồn cung cấp (kịch bản phổ biến nhất).

Mặt khác, nếu bạn cấp nguồn cho op-amp bằng một nguồn cung cấp năng lượng duy nhất, giả sử là 15V, thì đầu ra sẽ ở mức 7.5V.

Tất nhiên đây là một hành vi lý tưởng, vì dòng điện phân cực, điện áp bù và phạm vi chế độ chung sẽ có ảnh hưởng đến thiết bị thực.

Xem thêm đoạn trích này từ Cẩm nang ứng dụng Op Amps, của Walt Jung, từ Thiết bị analog , chương 1 , tr.5 (mỏ nhấn mạnh màu vàng):

Điều này trở nên rõ ràng hơn với một số thông tin về nội bộ (wikipedia) .

Đó là phong cách cũ của đầu vào bóng bán dẫn lưỡng cực. Một dòng điện thiên vị đầu vào vừa phải (một số microamp) chảy qua các bóng bán dẫn đến đường ray cung cấp âm / dương.

Đầu vào FET và JFE có dòng đầu vào nhỏ hơn nhiều, nhưng vẫn có một tham chiếu so với nguồn cung - qua cổng cách điện của FET.

Cũng có thể có điốt bảo vệ đầu vào.

Nó không, và nếu bạn không nối đất một trong các thiết bị đầu cuối, điện áp đầu ra không thể được xác định. Tại sao? bởi vì hiện tại sai lệch đầu vào. Opamp không hoàn hảo, chúng cần một lượng nhỏ dòng điện. Dòng điện thiên vị đầu vào có thể khác nhau tùy theo thiết bị trên mỗi thiết bị đầu cuối.

Nếu dòng điện phân cực đầu vào đủ nhỏ và trở kháng đầu vào đủ cao thì các dòng điện khác có thể xác định điện áp trên các cực là gì.

Nếu bạn thực hiện bất kỳ loại cảm biến nào, bạn cần nối đất một phía của thiết bị đầu cuối.

Một cặp nhiệt điện giống như một nguồn điện áp, nhưng nếu bạn không tham chiếu nó xuống đất, nó có thể nổi ở bất cứ đâu. Trong ví dụ (a), điện áp giữa các cực là điện áp của cặp nhiệt điện (và của nguồn điện áp) nhưng điện áp chung cho cả hai cực có thể là 0V, 1V, -2.3V ở mọi nơi.

Vì không có phản hồi tiêu cực, đầu ra sẽ là:

Vo = + Vcc (nếu V +> V-, như trong sơ đồ bạn đã cung cấp) Vo = -Vee (nếu V + <V-, giống như khi bạn đảo ngược cực tính đầu vào Vd)

Coi chúng là op-amps lý tưởng (và bất kể nó sẽ sử dụng loại cung nào - nếu là đơn hay kép), điều này độc lập với Vcc và Vee. Nhưng vấn đề là: hệ thống không cần "mặt đất" để hoạt động vì nó chỉ hoạt động với sự chênh lệch điện áp giữa cả hai.

Vài tháng trước tôi đã phải chế tạo một "bông hoa robot" cảm nhận ánh sáng chỉ vào nguồn sáng mạnh nhất. Nó đã sử dụng bốn LDR - một cặp để nhìn lên / xuống và một cặp để xoay theo chiều ngang. Mỗi LDR được kết nối với một nguồn hiện tại và mang lại sự khác biệt tiềm năng cho bộ khuếch đại tổng hợp.

Một trong những vấn đề tôi phải đối mặt, đó là op-amp là một trong những loại cung cấp kép (TL084). Tôi cần +/- 9V làm nguồn và tôi chỉ có thể có một pin. Vì vậy, tôi đã sử dụng nguồn chuyển đổi đảo ngược ICL7660 (chúng biến + 9V thành -9V); nhưng vấn đề là dòng điện đầu vào sao cho điện áp đầu ra giảm (hoặc tăng) xuống -6V. Và trong khi cung cấp cho bộ khuếch đại tổng hợp với 9V và -6V, mạch không thể tìm thấy mặt đất chính xác và phải tự tạo ra một phần bù. Xem: trong trường hợp đó, mặt đất phải là "(9V + (-6V)) / 2 = 1,5 V" ... không phải bằng không (trên thực tế, độ lệch cho biết là khoảng 1,5 V)

Nhưng đó là bởi vì mạch này cần một điểm chung để so sánh đầu ra của nó với đầu vào, đó là mục tiêu của quá trình phản hồi tiêu cực ... và điểm chung đó phải là trung điểm giữa cả hai nút cung cấp điện. Trong trường hợp mạch của bạn, nó chỉ hoạt động như một bộ so sánh nên đầu ra chỉ là 9V hoặc -6V tùy thuộc vào cực tính của Vd nguồn.

Xin lỗi nếu câu trả lời của tôi quá dài! Thật tuyệt khi chia sẻ những trải nghiệm khác nhau có thể giúp người khác ... Thực tế; Đây là bài viết đầu tiên của tôi! Hy vọng nó sẽ giúp!