Come fa un amplificatore operazionale a sapere dove si trova il terreno?

Anche se ho lavorato con gli amplificatori operazionali per un po ', la seguente domanda non mi è mai stata posta prima di oggi.

Considerare innanzitutto l'amplificatore operazionale a sinistra (A). Il terminale negativo è collegato a terra e una piccola tensione viene applicata tra il terminale positivo e la terra. Se la tensione di uscita viene misurata rispetto alla terra, dovrebbe leggere .$V_d$$A \cdot V_d$

Ora considera l'amplificatore operazionale sulla destra (B). Questa volta, viene applicato direttamente tra i terminali negativo e positivo, senza riferimento alla terra. Se la tensione di uscita viene misurata rispetto alla terra, continuerebbe a leggere ? Come potrebbe essere, dal momento che questo amplificatore operazionale non ha idea di dove sia la terra? A ⋅ V $V_d$$A \cdot V_d$

Come fa a sapere dove si trova il terreno? Il terreno è solo un simbolo che si attacca allo schema per semplificarne la lettura. Nessuno dei componenti in un circuito normale legge lo schema, quindi nessuno di loro sa dove sia la terra.

Nel caso dell'amplificatore operazionale B, la tensione di uscita sarà la tensione massima che l'amplificatore operazionale può emettere (limitata dalle guide di alimentazione) o il minimo, a seconda della polarità della sorgente di tensione sull'ingresso.

E costruendo un circuito del genere in pratica, avresti un problema: non c'è percorso dalla sorgente di tensione sull'ingresso a nient'altro. Come tale, i valori effettivi lì saranno definiti dalla corrente di polarizzazione in ingresso dell'op-amp e da altri comportamenti non ideali, quindi quello che otterrai sarà qualcosa di strano che è principalmente una funzione dei dettagli di quel particolare op-amp.

Probabilmente troverai più facile pensare agli amplificatori operazionali non come ad amplificare la differenza tra i loro terminali. In pratica, gli amplificatori operazionali sono generalmente gestiti con feedback negativo: quando non lo sono, tendono ad essere chiamati comparatori. Quindi, l'amplificatore operazionale cerca di regolare la tensione di uscita in modo tale che i due ingressi siano uguali, e per l'amplificatore operazionale ideale con guadagno infinito, questo è esattamente il caso: gli ingressi avranno sempre lo stesso potenziale.

Le correnti di polarizzazione in ingresso si comportano come di seguito, dove I1 e I2 sono le rispettive correnti di polarizzazione in ingresso e I2-I1 è la corrente di offset in ingresso.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

L'amplificatore operazionale funzionerà correttamente solo se gli ingressi rientrano in un determinato intervallo di modalità comune (rispetto a Vcc e Vee). Questo potrebbe essere molto vicino alle alimentazioni o potrebbe essere a un volt o due di distanza da una o entrambe le alimentazioni.

Come puoi vedere nell'esempio di destra, non esiste un percorso per I1 + I2, quindi gli ingressi si avvicinano rapidamente alla rotaia di alimentazione (a quel punto le fonti attuali smettono di essere più o meno ideali).

È possibile che alcuni amplificatori operazionali in alcune condizioni possano accadere in una sorta di lavoro, ma non è qualcosa su cui dovresti fare affidamento. Fornire sempre un percorso CC per gli ingressi sia invertenti che non invertenti. L'esempio precedente fornisce un percorso solo per la corrente di offset (I2-I1). La corrente di polarizzazione totale (I1 + I2) non ha percorso.

Per quanto riguarda esattamente quale sarebbe l'uscita, puoi pensarla come Av v_d (Vcc + Vee) / 2, sebbene la tensione di offset dell'op-amp moltiplicata per il guadagno sia di solito sufficiente per saturare l'uscita su una delle due guide, quindi il mid-rail adder (Vcc + Vee) / 2 è una specie di arbitrario. Spero che abbia senso per te.

Un amplificatore operazionale non ha idea di dove sia il terreno.

Gli amplificatori operazionali sono amplificatori differenziali. Amplificano la differenza tra i due ingressi e (idealmente) ignorano qualsiasi tensione di modo comune. Non c'è alcuna differenza tra i due circuiti nel diagramma. Nessuna uscita dell'amplificatore operazionale è riferita a terra. Il punto di polarizzazione dell'uscita è probabilmente vicino alla metà tra i due materiali di consumo. Puoi misurare provare a misurarlo cortocircuitando gli ingressi, ma dovrai gestire anche la tensione e la corrente di polarizzazione degli ingressi. Probabilmente non vale la pena.

Fortunatamente, non devi preoccuparti del punto di polarizzazione dell'uscita o della tensione di riferimento "reale", perché non contano per nessuno degli usi comuni di un amplificatore operazionale. Se si utilizza l'amplificatore operazionale come comparatore, si desidera che l'uscita sia il più positiva possibile o il più negativa possibile, anche per una minima tensione differenziale. Se si utilizza l'amplificatore operazionale in un circuito lineare, si utilizza il feedback negativo, che fa riferimento all'uscita per l'ingresso positivo.

I veri amplificatori operazionali fisici non sono perfetti amplificatori differenziali, quindi nella vita reale la tensione di modo comune ha un piccolo effetto sull'uscita. Come dice la risposta di Phil, anche la costruzione dell'amplificatore operazionale conta. Ma non credo sia importante per quello che stai chiedendo. Gli amplificatori operazionali non sono progettati per fare ciò che il tuo circuito sta cercando di farli.

Vedi il seguente disegno elementare degli interni dell'opamp:

I transistor di ingresso hanno bisogno della loro corrente di base - entrambi! La corrente è generalmente inferiore a 1uA. L'opamp determina se stesso quanto prende, ma deve essere disponibile e per entrambi gli input deve essere diretto all'interno del transistor. Se si collega "qualcosa" solo tra gli ingressi + e -, le correnti non possono essere simultaneamente verso i transistor perché quel "qualcosa" dovrebbe creare una nuova carica elettrica. È la legge di Kirchoff.

Nei pratici circuiti opamp il modo per la corrente di base di ingresso (= corrente di polarizzazione) è una parte conduttiva tra l'ingresso e la guida della tensione di alimentazione o il GND. In questo caso (vedere le frecce negli emettitori del transistor di ingresso) la guida di alimentazione -VE è impossibile come fornitore di corrente di ingresso della giusta direzione, ma la guida + VE è ok e anche GND se è sollevata sopra il potenziale -VE aggiungendo una batteria tra -VE e GND o da un residente collegato a + VE.

Gli input fet non sono migliori. Senza una connessione galvanica altrove rispetto al "qualcosa" tra gli ingressi, presto si spostano in uno stato indeterminato a causa della carica di dispersione accumulata nelle porte dei fet.

Prima di tutto, la terra è il punto scelto arbitrariamente in cui si fa riferimento a tutte le tensioni nel circuito. Nelle configurazioni di circuiti semplici più comuni la terra viene scelta come terminale negativo della singola sorgente di alimentazione o punto medio di un'alimentazione simmetrica, che è (come hai notato) il modo in cui gli amplificatori operazionali sono destinati ad essere alimentati (almeno quando trattare con circuiti "standard" che si trovano spesso nella letteratura di base).

Quindi sei perplesso perché il solito modello di amplificatore operazionale ha un ingresso differenziale ma la sua uscita è riferita a terra, quindi la domanda: come fa l'amplificatore operazionale a sapere dove si trova la terra? Semplicemente non lo sa, immagina .

Cosa voglio dire? La circuiteria interna dell'amplificatore operazionale è costruita in modo tale che, idealmente, con ingresso differenziale zero l'uscita dovrebbe trovarsi in un punto a metà strada tra le alimentazioni dell'amplificatore operazionale.

Se le forniture sono simmetriche (diciamo ± 15 V), quel punto sembra essere semplicemente terra (0 V) , ma solo se si sceglie la terra come punto medio tra le forniture (scenario più comune).

D'altra parte, se si alimenta l'amplificatore operazionale con un singolo alimentatore, diciamo 15V, l'uscita si posizionerà a 7.5V.

Ovviamente si tratta di un comportamento ideale, poiché le correnti di polarizzazione, la tensione di offset e l'intervallo della modalità comune avranno un'influenza sul dispositivo reale.

Vedi anche questo estratto dal Manuale delle applicazioni degli amplificatori operazionali, di Walt Jung, di Analog Devices , capitolo 1 , p.5 (il mio accento giallo):

Questo diventa più chiaro con alcune informazioni sugli interni (wikipedia) .

Questo è il vecchio stile di ingresso transistor bipolare. Una corrente di polarizzazione in ingresso moderata (alcuni microamplificatori) fluisce attraverso i transistor verso le guide di alimentazione negativa / positiva.

Gli ingressi FET e JFET hanno correnti di ingresso molto più piccole, ma c'è ancora un riferimento contro l'alimentazione - attraverso la porta isolante del FET.

Potrebbero esserci anche diodi di protezione dell'ingresso.

Non funziona e se non si collega a terra uno dei terminali non è possibile determinare la tensione di uscita. Perché? a causa della corrente di polarizzazione dell'input. Opamps non sono perfetti, richiedono una piccola quantità di corrente. La corrente di polarizzazione in ingresso può variare da dispositivo a dispositivo su ciascun terminale.

Se la corrente di polarizzazione in ingresso è abbastanza piccola e l'impedenza in ingresso abbastanza elevata, altre correnti possono determinare quale sia la tensione sui terminali.

Se stai effettuando qualsiasi tipo di rilevamento, devi collegare a terra un lato dei terminali.

Una termocoppia è proprio come una sorgente di tensione ma se non la si fa riferimento a terra, potrebbe fluttuare ovunque. Nell'esempio (a) la tensione tra i terminali è la tensione della termocoppia (e della sorgente di tensione) ma la tensione comune a entrambi i terminali potrebbe essere 0 V, 1 V, -2,3 V praticamente ovunque.

Poiché non vi è feedback negativo, l'output sarà:

Vo = + Vcc (se V +> V-, come negli schemi che hai fornito) Vo = -Vee (se V + <V-, come se hai invertito la polarità dell'ingresso Vd)

Considerandoli come op-amp ideali (e indipendentemente dal tipo di alimentazione che userebbe - se singolo o doppio), questo è indipendente da Vcc e Vee. Ma il fatto è: il sistema non ha bisogno di una "terra" per funzionare perché fa solo il suo lavoro con la differenza di tensione tra i due.

Alcuni mesi fa ho dovuto costruire un "fiore robot" sensibile alla luce che indicava la fonte di luce più forte. Ha usato quattro LDR - una coppia per guardare in alto / in basso e una coppia per girare in orizzontale. Ogni LDR era collegato a una sorgente di corrente e dava la sua differenza potenziale a un amplificatore sommatore.

Uno dei problemi che ho dovuto affrontare è che l'amplificatore operazionale era del tipo a doppia alimentazione (TL084). Avevo bisogno di +/- 9 V come sorgente e potevo avere solo una batteria. Quindi ho usato una sorgente di commutazione a inversione ICL7660 (trasformano + 9 V in -9 V); ma il problema era che la corrente di ingresso era tale che la tensione di uscita è scesa (o aumentata) a -6V. E mentre alimentava l'amplificatore sommatore con 9 V e -6 V, il circuito non riuscì a trovare correttamente la sua terra e dovette creare un offset. Vedi: in quel caso, la terra avrebbe dovuto essere "(9V + (-6V)) / 2 = 1,5 V" ... non zero (in effetti, detto offset era di circa 1,5 V)

Ma questo perché questo circuito aveva bisogno di una terra comune per confrontare la sua uscita con gli ingressi, essendo questo l'obiettivo del processo di feedback negativo stesso ... e quella terra comune dovrebbe essere il punto medio tra entrambi i nodi dell'alimentazione. Nel caso del tuo circuito, agisce esclusivamente come comparatore, quindi l'uscita è di soli 9 V o -6 V a seconda della polarità della sorgente Vd.

Scusa se la mia risposta è stata troppo lunga! È solo che è bello condividere esperienze diverse che forse possono aiutare gli altri ... In realtà; Questo è il mio primo post! Spero che abbia aiutato!