Как колеблется выходное напряжение операционного усилителя, чтобы удерживать инвертирующий вывод на виртуальной земле в этой схеме?

правило операционного усилителя, что A находится при нуле вольт

Это ваше основное заблуждение. Это не то, что делают операционные усилители. Плохо думать об операционных усилителях таким образом. К сожалению, мы слишком часто видим это и другие «правила», которые на самом деле представляют собой просто нечто сложное, упрощенное за счет выбрасывания кучи необходимых условий. Это не заставляет условия исчезнуть, только ваше понимание их. Не поддавайтесь на «эмпирические правила». Нет никакой замены реальному пониманию того, что происходит.

Операционные усилители берут разницу напряжений между своими входами, умножают ее на большое число, например, 100 000 или более, и делают это своим выходом в пределах допустимого напряжения и тока выхода. Когда остальная часть схемы управляет операционным усилителем таким образом, что его выход пытается находиться в пределах его активного выходного диапазона, тогда по необходимости его два входа будут очень близки по напряжению. Например, когда выходное напряжение операционного усилителя равно 10 В, но при желании может быть выше, тогда входные сигналы отличаются только (10 В)/100 000 = 100 мкВ при коэффициенте усиления 100 000. 100 мкВ достаточно близки, чтобы быть «одинаковыми» для многих практических целей.

В схеме, которую вы показываете, положительный вход удерживается на уровне 0 В. Следовательно, всякий раз, когда выход операционного усилителя находится в пределах его «линейного» активного диапазона (не обрезанного до крайности), его отрицательный вход очень близок к 0 В. Что операционный усилитель остается в линейной области только из-за обратной связи вокруг операционного усилителя.

Если вы разнесете два входа дальше друг от друга, операционный усилитель попытается выставить на своем выходе полный высокий или низкий уровень.

Когда вы удерживаете его выход на фиксированном значении, когда он пытается перейти к другому значению, между двумя входами будет большая разница. Эта разница составляет 910 мВ в вашем примере. Это означает, что операционный усилитель попытается снизить выходной сигнал. Однако, поскольку вы держите его фиксированным на уровне 0 В, это невозможно. Он поглотит столько тока, сколько сможет. Что произойдет затем, зависит от того, насколько хорошо операционный усилитель защищен от чрезмерного выходного тока. Он может нагреться и взорваться, или он может просто сидеть там, потребляя максимальный ток, но не имея возможности изменить свое выходное напряжение.

Что происходит сейчас, так это то, что вход A более положительный, чем вход B, выход пытается стать низким, но не может, потому что вы заземлили выход.

Это из таблицы данных TL081.

Когда два входа имеют одинаковое напряжение, источник хвостового тока полевых транзисторов делится поровну, уравновешивая токовое зеркало, состоящее из диода и транзистора. Когда входные напряжения различны, токовое зеркало не сбалансировано и будет подавать или отводить ток на интегратор Миллера, который управляет выходным каскадом тотемного полюса. В случае, когда вход A выше, ток выходит из токового зеркала в интегратор Миллера, который переводит его в низкий уровень, включая нижний выходной транзистор, который пропускает ток между выходной клеммой и источником питания V.

Поскольку выход подключен к земле, его напряжение не меняется, а нижний транзистор потребляет от него 10 мА. Этот ток ограничен до неразрушающего уровня конструкцией операционного усилителя TL081 (не показан на этой упрощенной схеме). Большинство других маломощных операционных усилителей также имеют безопасные выходные токи короткого замыкания. Некоторые операционные усилители с более высоким током могут не иметь четко определенного выходного тока короткого замыкания и при таком неправильном использовании могут перегреться и выйти из строя.

Если бы вы использовали мощный операционный усилитель, а выход был заземлен небольшим предохранителем, тогда выход попытался бы стать низким, получить достаточный ток, чтобы сжечь предохранитель, а затем перейти к низкому напряжению, которое вызвало бы цепь обратной связи. может выравнивать входные напряжения.

В качестве детали, которую стоит отметить на этой диаграмме операционных усилителей, вы заметили, что мелким шрифтом на токовых зеркальных резисторах написано «внутренне обрезанные»? Эти резисторы подстраиваются лазером во время производственных испытаний, чтобы сделать токовый зеркальный баланс, когда входы имеют одинаковое напряжение, чтобы получить входное напряжение смещения как можно ближе к нулю.

Как колеблется выходное напряжение операционного усилителя, чтобы удерживать инвертирующий вывод на виртуальной земле в этой схеме?

Это не так.

Поскольку вы заземлили выход операционного усилителя, вы разорвали петлю обратной связи, и схема больше не поддерживает виртуальное заземление на инвертирующем входе.

Коэффициент усиления больше нельзя рассчитать по формуле инвертирующего операционного усилителя, потому что это уже не инвертирующий операционный усилитель. На самом деле усиление равно 0, потому что выходное напряжение никогда не меняется ($\Delta{}V_{out}=0$) в ответ на изменение входного напряжения.

Если вы нарушаете правила нулевого дифференциального входа постоянного тока, он больше не может быть «виртуальной землей с нулевым дифференциальным входом и больше не является линейным выходом. То же самое относится к переменному току, но уменьшается по мере уменьшения усиления с ростом частоты. Отрицательная обратная связь обеспечивает эту линейную нулевое входное напряжение, пока выход находится в линейном диапазоне.

Помните, что операционный усилитель представляет собой дифференциальный преобразователь в несимметричный.

• Термин «виртуальная земля» является несколько неправильным или его легко понять неправильно. Но если вы понимаете, что земля — это просто локальное опорное напряжение, и это опорное напряжение может плавать над любой другой изолированной землей, тогда это точно. Для операционных усилителей (OA) мы предпочитаем входное смещение около среднего диапазона, в других случаях около земли, если это разрешено, и в других случаях около Vcc, если это разрешено в техническом описании. (или часто просто Vin+/- = Vcc/2)

Если вы думаете, что это означает только 0 В на любом входе, то это неверно.

Почему я говорю изолированный ?

Поскольку выходной импеданс операционного усилителя (ОУ) часто фактически в миллион раз ниже, чем входной импеданс любого входа (без обратной связи), мы говорим, что вход изолирован от выхода, пока вы не добавите обратную связь.

Что это на самом деле значит ?

Мы знаем, что усиление разомкнутого контура > 1e6, поэтому единственный раз, когда у вас есть линейная работа, — это когда мы считаем, что дифференциальное напряжение фактически равно нулю.

Лучше рассматривать его как источник плавающего напряжения с нулевым дифференциальным сопротивлением, но очень высоким синфазным сопротивлением.

Другим фактором является диапазон входного сигнала синфазного сигнала не всегда от Vee до Vcc. Некоторые другие аспекты производительности компрометируются, когда операционный усилитель считается входом Rail-to-Rail, в то время как другие заставляют его работать на полную положительную шину (Vcc) или полную отрицательную шину (Vee), которая может быть заземлена или 0 В.

Мы не рассматриваем каждый вход как виртуальную землю, потому что это не так. Мы рассматриваем только дифференциальное напряжение, а не синфазный вход как виртуальную дифференциальную землю. Таким образом, для дифференциального усиления мы должны рассмотреть сбалансированные импедансы на каждом входе, чтобы избежать синфазных ошибок (например, (CMRR) и смещений входного тока смещения.

OA представляет собой дифференциально-несимметричный выход с высоким коэффициентом усиления. Теперь на самом деле есть некоторое синфазное (CM) соединение, но на постоянном токе оно ослабляется на порядок величины усиления разомкнутого контура OA, которое часто составляет> 1 миллиона, или 1e6, или 120 дБ. В таблицах данных этот коэффициент подавления называется «коэффициентом подавления синфазного сигнала» или CMRR. Это означает, что если вы измените входное опорное напряжение постоянного тока как на Vin+, так и на Vin-, И дифференциальное входное напряжение по-прежнему равно нулю, что означает, что выход не насыщен, то на выход не влияет синфазный вход постоянного тока (CM).

CM отвергается или «изолируется» до тех пор, пока выполняются предположения о линейном входном и выходном диапазонах. Это отношение снижается с ростом частоты из-за ограничений произведения усиления на полосу пропускания ОУ с внутренней компенсацией.

Если ваш операционный усилитель когда-либо имел дифференциальное постоянное напряжение, превышающее номинальное смещение входа Vio (диапазон uv~mV), выход БУДЕТ насыщаться на любой шине питания. Тогда он больше не имеет НИКАКИХ линейных свойств. Всегда проверяйте смещение постоянного тока на каждом входе, чтобы увидеть, как они совпадают, и влияние входного тока, создающего смещение.